刘治翔， 张云升， 刘 伟， 谢 苗， 刘 刚

（1.辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新 123000； 2.中煤平朔集团井工一矿， 山西 朔州 036000）

0 引言

煤炭资源在地下分层分布，开采过程中，需要一层一层的开采，为了保证工作面上煤炭资源的最大限度回收，每采空一层需要了解下一层煤层的厚度及岩石的分布，此时需要在当前煤层进行探煤层厚度的工作。 煤矿井下的工作空间有限，一些大型的钻探设备并不适用，现今所采用探煤层厚度的工具为手持式锚杆机，该设备在工作时需要人工扶持，由于锚杆机钻孔破碎岩石的过程中产生强烈振动造成设备的稳定性较差， 从钻孔中掉落的煤渣导致现场操作人员工作环境恶劣，同时操作该设备时操作人员距离钻孔位置较近存在冒顶片帮的安全隐患。

因此，为了改善工人作业的安全性，提高钻探作业的工作效率，急需研发一种操作便捷、结构小巧、灵活性高、移动和回收方便的专用于综采工作面顶板探煤厚钻机，从而提高钻探效率、保障工人安全、降低工人劳动强度。

矿用钻机经过长期的发展，经过众多专家学者的潜心研究，已有了一定的成果：陈威等[1]发明了一种通过使用变频电机加定量马达的变频调速液压系统克服了原有液压系统的缺陷。 新液压系统对钻机工作介质要求有所降低，并有低故障高效率的特点。 田士杰等[2]根据已有钻机形式，设计出一款分体式并且可以在一定范围内自由打孔作业的钻机，实现多角度打杆，解决了原有钻机定位困难，影响钻孔效率的问题。 王艳青等[3]对已有钻机工作原理及结构特性进行研究，并通过功能分析法完成动力头部分的设计，并验证了该方法下的设计结果是否可行。

1 钻机主要技术参数确定

本章节对本文所设计的顶板探煤厚钻机的关键技术参数进行确定。 顶板探煤厚钻机的设计工作依据现场工况所需液压锚杆钻机进行配套设计。

（1） 转速确定。 设备要求能够适应的普氏硬度范围为：f≤8 的煤岩。 需选择合适的液压锚杆钻机。 根据岩石破碎机理。普氏硬度系数与钻机切削速度存在以下关系：

式中：d—为钻头直径（mm）。

目前常用锚杆尺寸有27mm、32 mm、42 mm。 对于普系数为8 的煤岩层来说。 由以上两式可推出钻机所需理论额定转速。

（2）功率确定。 依据能量守恒原则，钻机破岩时需消耗的功率可由下式表述：

2 顶板探煤厚钻机设计

2.1 顶板探煤厚钻机总体结构设计

本方案通过吊装平台将钻孔机械手始终吊装于液压支架顶板下方。 钻孔作业时通过旋转平台、 水平推移平台、 垂直旋转平台的联合动作将钻机体推送至需要钻孔的位置。 钻孔作业完毕时，再将钻机体折叠至初始位置。

设备基本结构如图1 所示。

图1 综采工作面回采煤层旋转式探顶煤坑道钻机示意图Fig.1 Schematic diagram of the rotary top coal tunnel drilling rig for coal mining at a fully mechanized mining face

2.2 顶板探煤厚钻机工作原理

通过拓扑优化设计，最大程度降低各机构的高度，使钻孔机械手折叠至初始状态时的高度最小，存储在液压支架顶板下方时，无论工作面高度怎么变换，液压支架处于何种状态，均不影响采煤机通过。

由于钻孔位置不一定始终在液压支架一侧， 要通过判断两个液压支架之间煤层顶板破碎程度确定钻孔位置， 水平旋转平台可实现将钻机体旋转到液压支架两侧的钻孔位置。

水平推移平台和旋转平台的联合动作可将钻机体推送至需要钻孔的位置。 垂直旋转平台可将水平放置的钻机旋转至垂直放置，从而进行钻孔作业。通过快速拆卸机构也可将钻机体从机械手上拆除， 移动到更远位置进行钻孔作业，见图2。

图2 综采工作面回采煤层旋转式探顶煤坑道钻机展开示意图Fig.2 Schematic diagram of the deployment of the rotary top coal tunnel drilling rig in the coal seam of a fully mechanized mining face

2.3 关键结构有限元分析

（1）承载部有限元分析。承载部直接与液压支架顶板固接，是整个设备的承重件，在加入重力影响的同时，对其末端施加其余零部件造成的载荷， 求解其形变及应力状态云图，见图3。

图3 承载部有限元分析云图Fig.3 Finite element analysis cloud diagram of the bearing part

（2）回转部有限元分析。回转部与承载部通过铰链相连，可在±25°范围内绕铰接点转动，其主要受到来自推移部和钻机部分的载荷，为模拟最大受力状态，对其前端加载进行有限元分析，结果如图4 所示。（3）推移部有限元分析。 推移部相对回转部可滑动，当推移部从回转部伸出时，其结构受力最明显， 故在添加重力条件下， 对其与钻机铰接处施加载荷，得到分析云图，见图5。

图5 推移部有限元分析云图Fig.5 The finite element analysis cloud diagram of the moving part

由有限元分析数据可以看出， 各关键零部件受力情况均在允许范围内。

3 设备液压系统设计

钻机液压回路作用为调整设备工作位置，在设备工作时为钻机提供压入煤岩的进给力。 对于不同硬度的煤岩，钻机钻削破岩阻力变化，钻进的最优推力也不同。 为保证钻进效率钻进速度与退回速度响应大于进给速度。 设计时采用进油节流调速的方式，通过单向阀与节流阀配合使油缸速度按一定比例伸出和缩回。 液压系统中设置溢流阀，防止系统过载，起到保护回路作用。 具体原理图见图6。

图6 设备液压系统图示Fig.6 Diagram of the equipment hydraulic system

4 结束语

本文根据实际工况需求，完成综采工作面顶板探煤厚钻机选型及配套设计。 设计方案具有良好的收纳性和灵活性， 可以满足井下复杂情况的施工要求。 通过有限元法分析配套结构的静力学特性， 得到形变及应力云图，通过结构优化使得各部件具备良好的力学性能， 能够满足实际需求。 最后采用节流调速方式完成液压系统设计，满足设备动作需求，提高设备操作性。