煤矿锚杆孔钻进设备的发展前途

煤矿锚杆孔钻进设备的发展前途煤炭科学研究总院张立刚郭孝先摘要煤矿锚杆支护是巷道支护的发展方向，锚杆孔钻进设备是推广锚杆支护的基础。介绍了国内外锚杆孔钻进设备的现状、目前存在的主要技术问题以及发展前途。叙词锚杆孔钻进设备锚杆钻机钻头锚杆支护是有宜于加快井巷掘进速度、提高顶板支护效果、降低支护劳动强度和减少支护材料消耗的先进技术。我国仅国有重点煤矿每年掘进500多万米巷道，1997年末，锚杆支护率全国平均已达31.5%，按规划，到2000年，锚杆支护率平均应达到50%，但已有大同、邢台、平顶山、铁法、西山、龙口等16个矿务局率先使锚杆支护率超过50%。国外先进采煤国锚杆支护率往往超过80%。锚杆孔钻进是锚杆支护施工的重要环节，锚杆支护的发展需要大量锚杆孔钻进设备作保证。锚杆孔钻进设备包括锚杆钻机和配套钻具(钻杆、钻头等)。分析锚杆孔钻进设备现状，展望它的发展前途，有助于不断促进锚杆孔钻进设备的技术进步，使其适应锚杆支护技术的需要。1国内外锚杆孔钻进设备现状锚杆孔钻进设备以锚杆钻机为主体。锚杆钻机按结构分为单体式、钻车式、机载式；按动力分为电动式、气动式、液压式；按破岩方式分为回转式、冲击式、冲击回转式、回转冲击式。与锚杆钻机配套的钻具，因破岩方式不同而不同，总的来说有回转类破岩钻具、冲击类破岩钻具以及回转冲击类破岩钻具。国外锚杆孔钻进设备的品种与功能多样，技术性能优越，可靠性高。美国煤矿大量使用塔架钻车式锚杆钻机，班工作效率达120~240根，并着手开发计算机控制的全自动锚杆钻机。法国生产的转架式锚杆钻机集钻孔、安装锚杆为一体，并具有储存锚杆杆体的锚杆仓。芬兰生产具有树脂注射系统的钻车式锚杆机，使钻孔、安装锚杆杆体、注入粘结剂全由机械完成，机械化程度颇高。澳大利亚有4家锚杆钻机生产厂家，生产各种不同类型的锚杆钻机，尤以单体气动支腿式锚杆钻机使用居多，并有多家公司生产能与掘进配套的单体支腿式液压锚杆钻机。澳大利亚气动支腿式锚杆钻机主要有柱塞马达与齿轮马达式两种(早期叶片式气动马达已淘汰)，采用玻璃钢碳素纤维支腿。澳大利亚液压锚杆钻机可以以矿物油和难燃液为工作液，回转机构由摆线液压马达驱动，有的产品采用玻璃钢碳素纤维支腿使机重减轻。国内锚杆钻机的研制经历了30多年的历程，曾先后研制机械支腿式电动锚杆钻机、钻车式锚杆钻机、支腿与导轨式液压锚杆钻机、支腿式气动锚杆钻机、非机械传动支腿式电动锚杆钻机、机载式锚杆钻机和双级气腿凿岩机等。从实际情况看，MQT-50C系列支腿式气动锚杆钻机、MZ-Ⅲ型导轨式液压锚杆钻机、ZYX100型(改进成MYT-115型)支腿式液压锚杆钻机以及ZY24M、7665M气动双级气腿凿岩机在国内有一定市场。其中，MQT-50C系列产品近年已能代替同类(气腿齿轮马达式)进口产品。煤矿锚杆钻机多为回转式，为配合推广小直径树脂锚杆，钻头采用27~29mm回转钻头，其结构类型多为两翼对称、两翼不对称和两翼连筋式，可供钻进不同性质岩石选用。钻杆由B19或B22(少数)六角中空钢加工。经多年联合攻关，锚杆钻头和钻杆已能初步满足一定条件下锚杆支护的需要。但是，由于锚杆孔钻进设备的开发、研究和生产与锚杆支护技术的迅速发展不相适应，煤矿锚杆支护施工中大量使用的还是传统气动凿岩机与煤电钻。专用锚杆孔钻进设备中，使用国外进口设备较多，但因进口设备价格高和备件供应不及时，煤矿用户希望采用国产的锚杆孔钻进设备。近来，石家庄煤矿机械厂生产的MQT-50C系列气动锚杆钻机已能逐步代替国外进口的齿轮马达式锚杆钻机；正定煤矿机械厂的ZYX系列液压锚杆钻机在与S100掘进机配套使用中，取得可喜进展；国产柱塞气动马达式锚杆钻机逐步投入市场；澳大利亚CRAM气动锚杆钻机在中国已建立专业维修公司，并在元件的中国国产化方面取得一些进步。这都有宜于使锚杆钻机进一步满足锚杆支护发展的需要。然而，可靠性高、性能优异的国产化锚杆钻机还为数不多，与锚杆钻机配套的钻具规格不全、质量不稳定和适应岩石条件有限。2煤矿用锚杆孔钻进设备存在的主要技术问题2.1开发的品种多，但性能适宜且可靠性好的产品不多到目前为止，我国已开发了30多种型号和不同类型的锚杆钻机，但适于井下使用且可靠性较好的只有3~4种产品，当前正式投入使用的仅占已开发产品总数的10%左右。目前锚杆钻机技术发展状况有以下基本特点：(1)单体气动回转式锚杆钻机是锚杆钻机产品的主流，在齿轮式、柱塞式和叶片式三种类型气动马达中，叶片马达式已基本淘汰，齿轮式马达与柱塞式马达在扭矩-转速特性、不同气压下的性能、噪声特性、机重、对润滑的要求与抗污染等方面各有优缺点，在不同使用条件下都有各自的市场。总的来说，国产气动锚杆钻机的水平逐步提高，齿轮气动马达式已基本能代替进口产品，但玻璃钢支腿等部分的可靠性应进一步提高；柱塞马达式锚杆钻机尚处于小批量生产阶段，尚需进一步考核。(2)液压锚杆钻机输出的扭矩高于气动锚杆钻机，在某些场合下应用较好，特别是与掘进机配套是较优越的工作方式。从目前已正式投入使用的支腿式液压锚杆钻机来看，钻机输出扭矩仍然偏低，液压系统容易发热。由于以矿物油为工作介质，在煤矿井下使用中存在安全隐患。(3)电动锚杆钻机的输出特性较差，实际钻孔速度较低，电机可靠性及防水性能存在严重问题，尚无良好的推进方式。因此，尽管已鉴定了多种电动锚杆钻机，但近期尚难大量用于井下锚杆支护。(4)已开发的钻车式与机载式锚杆钻机都具有一定特点，并取得一些效果，但因煤矿井下具体条件以及经济上的原因，近期难以广泛应用。(5)气动冲击式锚杆钻机基本以双级气腿式为主，因其结构较成熟，可以在坚硬岩石上钻进。尽管在某种岩石条件下的凿岩速度低于回转式，且噪声颇高，仍被相当多地应用于锚杆支护。2.2回转式锚杆钻机扭矩性能偏低，加上钻头耐磨性能的影响，尚不能满足抗压强度大于60MPa高磨蚀性岩石的锚杆孔钻进(1)从目前情况看，国产气动锚杆钻机已基本能代替进口产品。但是，煤矿井下压缩空气系统的输送管道距离长，井下气动设备多，工作面气体工作压力偏低，常常在0.4MPa以下，使钻机性能与钻进速度都比0.63MPa压力下下降30%以上，影响锚杆孔钻进的效果，特别是在坚硬岩石与深孔作业条件下，钻进作业更加困难。(2)液压锚杆钻机的输出扭矩比气动锚杆钻机大，但是，有的产品扭矩值偏低，扭矩低于60N.m，加上管路压力损失，井下钻进无力。有的产品液压系统温升过高，连续运转2h后系统温度升至65℃以上，性能急剧下降。若保持工作压力不变，转速下降率达50%以上。有的产品性能尚好，虽然液压系统温度高于65℃，性能下降率不到20%，但过高的温度易使工作液变质，密封件容易早期失效。(3)电动锚杆钻机扭矩特性不好，有的产品过载能力不到额定值的2倍，不能满足锚杆孔钻进时需克服相当于额定扭矩2.5倍左右的阻力矩的要求，产品固有可靠性不高，且与之配套的支腿都不是很理想，因此电动锚杆钻机尚未正式在井下成批使用。(4)钻头是回转式锚杆孔钻进设备的重要钻具，钻头型式与国产硬质合金片的性能，影响钻头的应用范围。目前，普通硬质合金的岩石钻头主要适用于页岩、砂页岩及部分砂岩(磨蚀性不高的砂岩)，寿命为30m左右。高于常规钻头价格50%的国产优质合金钻头，可以钻进抗压强度60~80MPa的中等磨蚀性岩石，寿命可达25~30m。然而，相当多的生产厂家因受经济利益驱动，不按标准要求组织生产，硬质合金质量低劣，工艺技术不高，产品寿命只有10~20m，甚至是5~10m。据煤炭部北京凿岩机具质检中心1997年度统检结果，锚杆岩石钻头抽样合格率只有33.3%。2.3锚杆钻机产品可靠性差，很多产品难以在井下连续正常使用可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。锚杆钻机可靠性与产品设计、制造、使用等因素有关。从目前来说，锚杆钻机实际利用率不高的主要原因是产品本身的可靠性问题，但使用问题也不容忽视。(1)锚杆钻机产品可靠性不高主要来自产品设计不成熟与加工质量不高。有的锚杆钻机因性能改进盲目，参数确定不合理，从投产起在井下工作无力，产品性能提高缓慢；有些产品的生产过程无可靠的质量保证体系，元部件质量无法保证，又没有必要的检测手段，产品性能与质量无法控制，自然影响井下长期使用。近年来，煤炭系统正式鉴定的锚杆钻机有23种型号，但在煤矿井下正式使用的只有2~3种，其主要原因是成果质量不高，又没有注意技术鉴定后的后续工作。(2)锚杆钻机的科学使用问题未能引起足够的重视。这里，既有制造厂家的问题，又有煤矿使用单位的问题。进口澳大利亚的CRAM锚杆钻机，在使用初期，各方面都未注意润滑问题，相当数量的机器早期失效。尔后，CRAM公司中国代理商北京朝阳会社重视技术服务，在北京成立维修中心与备件库，煤矿加强设备的科学使用与维修工作的管理，使这种机型在锚杆支护中发挥了重要作用。相反，有一种进口的锚杆钻机，销售单位与使用单位都没有注意如何长期使用问题，备件问题不好解决，致使数百台锚杆钻机未能真正起到应有的作用。(3)锚杆钻机与钻具的产品管理问题严重，使那些伪劣产品进入市场有可乘之机。锚杆钻机与钻具是有一定技术含量的产品，但结构并不十分复杂，很多人看好煤矿锚杆支护量大面广的市场。有些人受经济利益驱动，不按国家与煤炭行业标准生产产品，搞产品开发与生产的“游击战争”，产品性能与可靠性低劣，使煤矿无法正常使用。有的厂家虽已批量生产锚杆钻机与钻具，但采取不正当手段推销产品，对销售的产品不负质量责任。煤矿用户常常不知道有哪些技术标准与锚杆钻机、钻具有关，不会严格按标准要求验收产品质量，甚至盲目相信“广告”，采用未经技术鉴定与法定检验的产品，或购买检定不合格的产品，致使企业遭受不必要的损失。3煤矿锚杆孔钻进设备的前途锚杆孔钻进设备是锚杆支护发展的客观需要，它必然按一定规律向前发展，锚杆钻机及其配套钻具的研究、开发、生产与使用，都必须符合客观规律。分析国内外有关信息，总结经验教训，注意煤矿锚杆孔钻进设备发展的基本趋向，有利于使产品在市场竞争中不断发展。3.1气动、液压单体回转式锚杆钻机是一个时期的主流综观国外锚杆钻机发展历程以及国内多方面实践，针对煤矿经济状况与煤岩、半煤岩巷道的具体特点，单体回转式锚杆钻机是一个时期内产品生产与开发的主流。从目前技术现状看，在具有压缩空气源的条件下，气动回转式锚杆钻机仍为首选产品。但是，如何解决压缩空气工作压力不足的问题会逐渐引起人们的重视。合理选择压缩空气管网系统，正确确定空压机及其动力系统的技术参数，开发新型的提高压缩空气压力的机械设备，将成为进一步发挥气动锚杆钻机作用的关键。气动回转式锚杆钻机中，采用柱塞式马达与齿轮式马达各有优缺点。两种不同类型气动马达锚杆钻机的竞争核心，是如何使钻速高、可靠性好、维修费低。产品进一步研究开发的核心将是采用合理技术参数、高科技、新材料、先进工艺。液压回转式锚杆钻机因其工作压力高、扭矩大、动力系统可不受外界影响，在一些场合下是合理的机型。一个时期内，液压锚杆钻机主要用于与掘进机配套，共用其液压泵站。经过一定时期以后，用户会根据锚杆支护的需要与具体条件，进行综合技术经济分析，在适宜的场所确定采用液压回转式锚杆钻机。由于液压锚杆钻机使用量的增加，矿物油介质的安全性问题会日益突出，开发难燃液锚杆钻机的问题将适时提到日程上来。电动锚杆钻机的动力单一，是人们理想的首选机型。但因目前技术水平所限，其支腿配套方式、扭矩-转速硬特性和电机防水耐潮性能差等，都不利于其更快地向前发展。在一定时期内，电动锚杆钻机产品仍会以“技术攻关”为基本特征。今后回转式锚杆钻机的发展前途，将是如何扩大钻进岩石的范围、提高产品可靠性与减轻机重。3.2研究锚杆钻机扭矩与改革钻头是发展回转式锚杆孔钻进设备的关键回转式锚杆孔钻进方式有其一定的优越性，但若更加广泛地应用，必须首先从提高扭矩入手，配以适合的钻头，适应钻进具有较高磨蚀性的岩石。提高钻头的水平，离不开高新技术，尽量采用新材料和新工艺，特别是经济有效的表面强化技术。国外曾试验研究高压水细射流技术和小孔径金刚石钻进技术，目前尚未正式用于锚杆孔钻进