掘锚一体机锚杆自动化控制发展综述

掘锚一体机锚杆自动化控制发展综述

杨凯

凯盛重工有限公司 ，安徽 淮南 232008

摘要：近年来，我国经济发展迅猛，煤巷掘锚一体化的快速掘进技术受到了社会的普遍重视，在煤矿生产中得到了普遍应用。在煤矿生产中应用了掘锚一体机锚杆自动化控制技术，能有效地改善煤矿的生产效率。本文从锚杆支护工艺自动化的角度，对其智能化、数字化、自动化等方面进行了论述，以期对该领域的相关工作有所帮助。

关键词：掘锚一体机；锚杆；自动化控制

引言：锚杆支护是矿山开采、水利水电隧道、铁路、公路隧道等施工的重要技术。先进的锚杆支护技术主要体现在：既要保证其有较高的技术经济价值，又要保证其有较强的安全性。随着国内对煤矿井下的技术要求不断提高和更新、煤矿开采的广度和深度不断加大、矿井建设的规模不断增大。在矿井中，锚杆支护已逐渐成为主要的支护形式。采用先进的锚杆支护布局形式，可以有效地优化矿井的开拓部署和巷道布置，有利于促进矿井的高效生产，提高煤矿经济效益，改善矿井的安全性。

一、锚杆支护现状

煤巷掘进中采用的锚杆支护技术，从棚式支护发展到到锚杆支护，并在实际应用中体现出锚杆支护的优越性，采用锚杆支护可以有效地提高煤巷掘进的施工质量和工作效率，同时还可以达到精简人员、减少经济支出的效果，达到保障煤矿生产安全、稳定等目标。随着我国科学技术的不断发展，高新技术的应用早已渗入到各个生产领域中，并为实现生产自动化做出了巨大贡献，锚杆支护自动化也是其应用成果之一。

二、钻架结构已做出的改进

当前，自动化锚杆钻车的钻架部分主要由推进体、液压马达、支撑油缸、推进油缸、钻架底座、顶部支撑等部件组成。支撑油缸是一级油缸，由它来推动顶部支撑，提供支撑压力；推进油缸是二级油缸，可推动一级推进体和液压马达向钻进方向移动；液压马达底座通过链条与推进油缸联接，获得移动的动力，并且自身提供钻杆转动的动力。由于需要自动钻孔和锚固，应对锚杆仓进行特殊设计，并对重点受力部位进行有限元仿真分析。其中，为了实现自动填装锚固剂的功能，锚杆在装入锚杆仓之前应预先装好锚固剂。锚杆仓设计成旋转式，可以实现自动化连续上锚杆，提高了锚固效率。锚杆夹持器和钻杆夹持器设计为可以实现转动和夹取的动作，其中锚杆夹持器可以实现锚杆上料的自动化，钻杆夹持器可以实现钻杆位置转换的自动化。选取型号合适的液压马达，通过变频器控制马达流量，可以实现钻进钻杆、锚固锚杆以及锁紧锚杆的功能。

三、全自动片网铺网装置

尽管锚杆钻车的钻孔、紧固动作已经达到了液控式的自动化操作，但在铺设作业时，仍然需要人工操作，劳动强度大；呼吸性粉尘、作业人员处于空顶区等诸多危害，给人员的身体和生命带来极大的危害[1]。

全自动片网铺网装置是安装在锚杆钻车上进行作业的，在片网铺网作业前，自动片网铺网装置位于侧方挂网状态，工作人员将被吊起的网片悬挂在网片底座上，而后操作装置收到命令后开始自动铺网，升降油缸带动转动将连接部从垂直状态转变为水平状态，并钢丝绳钢索，使网片底座的片网上升到转动连接部的顶端。旋转油缸运动，将片网旋转90度，并将其铺设在钻车的前面，一个自动铺网作业周期结束后，全自动片网铺网装置会自动回到挂网状态，工作人员在地面上挂网，设备进入下个自动铺网工作循环。

四、锚杆支护钻孔自动化

井下钻孔主要难度在于定位以及定深。过去钻孔主要靠人工观察，除了操作难度大，钻孔深度难以控制外，人工作业强度也较高。随着自动化技术的应用，钻孔技术已经逐渐实现智能化。自动化钻孔机利用图像采集组件，在基准孔的中央与目标孔的中央相反时，利用影像获取装置来获取参考孔与靶孔的相关位置，从而进行钻孔操作。自动化钻孔机采用图像采集组件采集基准孔与目标孔的相对位置信息，当基准孔的中心目标孔位的中心达到对应时，通过系统控制钻杆伸出进行钻孔作业。

目前自动钻孔定深技术主要有以下三种：（1）硬度判别法：钻机不旋转，采用低速、低压的方式推进，在推进压力增大的时候，判定钻杆是否触顶并记录推进装置的位置，并用推进装置的行程来算出钻深。该技术具有自适应的特点，而且具有较高的精确性，但是在驱动装置中必须安装有压力、位移等传感器，因而具有较大的复杂性。而采用低转速、低转速的试验方式必然会影响工作的工作效果。另外，这种算法还不能解决邦壁的不平整性所带来的钻孔问题，也不能实现对顶板尺寸、外形等因素的自动分析。（2）图像识别法：采用图象辨识技术确定钻杆接顶，利用位移传感器对钻孔深度进行定位。这个办法同样也不能根据顶板情况、托盘形状和尺寸来自行调整，而且所用的仪器更为繁琐和成本较高；（3）定长钻杆法：让钻机接顶板，预设与顶板之间的间距是固定的，使用定长钻杆，当钻箱在某一点触动限位开关时，该钻头的深度就默认其达标。这种方式也不能根据托盘的尺寸和外形而自行调整。此外，这种施工方式要求在钻孔部位进行接顶，若与顶板处于大角度状态，钻孔处无法接顶会造成很大的误差。

新型的自动化钻孔定深装置为液压驱动两级推进式。工作时，必须将支柱伸出进行接顶，接着钻箱一边转动一边推进进行钻孔工作。钻孔自动定深机构与支撑柱顶板上安装，其上半部分是一个中心带有圆形孔洞的接顶方板，下半部分是一个环形底座，上下两部分通过四个导向柱连接在一起，4个支柱可以上下自由滑动。该装置不仅能适应顶板不平整的情况，还可自适应托盘形状，接顶不受顶板角度影响。

五、自动化换杆装置

目前的钻机换杆不仅需要大量的人员操作，而且劳动强度高，工作效率低，并且还存在一定的安全隐患。自动换杆装置的应用可以解决上述问题，自动换杆装置的结构包括钻机、钻杆仓、机械手旋转装置、夹持器及钻机固定座。在钻机的上半部分设有一个固定座，装有一个用来存放钻杆的钻杆仓，该钻机固定座还装有一个机械手旋转装置，用以将转到工作位置的钻杆取出，另一端则设置的是夹持器。整个装置的液压缸的移动都由一个电磁阀来控制，通过电控程序来控制，完成自动换杆工作流程的协调。

六、自动化锚固装置

在进行锚杆支护作业时，通常首先进行钻孔，再添加锚固剂，最后进行安装锚杆。自动进行锚固装置在操作过程中，钻杆一直与钻箱相连接，钻孔时，钻箱底座滑移至滑道转盘中部，钻孔完后返回原处，锚固剂底座此时移至滑轨转盘中部，待注完锚固剂后，底座回到原处，将锚固液基部移回原处，锚杆底座滑至滑轨转盘中央进行作业，完成后退回，滑轨转盘转动90度，则一次锚固工作完成。

七、控制系统

钻架的控制系统基于PLC系统，并由电气、液压、气动控制系统三部分组成。在现场总线上传输控制系统的信号，既能对钻孔与锚固工作进行自动化的控制，又能对其进行故障的检测。按照 PLC编程，电磁阀组可以采集接近开关、位置传感器、进给油缸压力传感器、进给油缸流量传感器等信号，从而并对相应的电磁阀进行控制，以实现所需的动作，确保每个操作都正确，从而实现自动化控制系统的完全和有效地工作。目前，MCGS的配置主要是在 Windows系统中实现数据采集、处理等方面的应用，主要包括实时数据采集、报警处理、曲线表示图、动画显示、流程控制、仿真模拟等作用。

八、结束语

与传统技术相比，锚杆自动化控制技术精简了作业人员，降低了人工成本，提升了煤矿企业的效益。此外，在实现支护自动化后，大大降低了工作人员的劳动强度，有效保障了矿井支护工作的安全。因而，该技术在煤矿支护作业中正逐渐得以普及。

参考文献

[1]王静.锚杆支护钻孔自动定深机构的设计[J].煤矿机械,2018,39(12):7-9.

[2]李振洋.钻装锚一体机在煤矿大断面岩巷掘进中的应用.建筑技术科学,2019-12.