高志強 ，郭治富

（1.煤炭科學研究總院, 北京 100013；2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006）

0 引 言

錨桿支護是目前應用最為廣泛的一種巷道支護方式[1]，錨桿安裝主要裝備有單體式錨桿鉆機[2]、錨桿臺車[3]、掘錨一體機[4]和單軌吊錨護機組[5]等。近年來，錨桿支護施工裝備雖然從性能、效率和適應性等方面都得到了提升，但是掘支失衡問題依然非常嚴重，錨桿支護仍是制約巷道快速掘進的瓶頸問題[6]。隨著傳感器技術(shù)與執(zhí)行機構(gòu)的不斷發(fā)展進步，煤礦機械裝備的智能化和自動化具備了堅實的技術(shù)基礎[7-8]。2019 年國家礦山安全監(jiān)察局公布的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》中，將鉆錨機器人列為重點研發(fā)內(nèi)容，要求研發(fā)由錨桿機、錨桿倉及智能控制系統(tǒng)組成的鉆錨機器人，實現(xiàn)錨桿間排距自動定位、機單元自動或遙控行走、鉆孔、填裝錨固劑、錨桿裝卸、鎖緊錨桿等功能，以滿足井下巷道的快速支護要求。自動錨桿鉆架作為鉆錨機器人完成鉆孔、裝填、錨固以及儲存錨桿（錨桿倉）的核心部件，其性能直接決定了錨桿支護質(zhì)量、支護效率和作業(yè)安全性。盡管國內(nèi)外主要采礦設備制造商、研究機構(gòu)和高校在自動錨桿鉆架領域開展了大量研究工作，國外廠家已有成熟產(chǎn)品問世，但由于技術(shù)保密等原因，自動錨桿鉆架技術(shù)信息片段僅散見于企業(yè)官方網(wǎng)站宣傳材料、專利和論文等資料中，尚未有系統(tǒng)描述自動錨桿鉆架技術(shù)完整知識體系的文獻。因此，為滿足煤礦井下對自動錨桿支護裝備的迫切需求，加速推進國自動錨桿技術(shù)的發(fā)展，非常有必要對自動錨桿鉆架技術(shù)路線進行全面梳理，分析各類型自動錨桿鉆架的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)水平及適用工況，提出適用于煤礦巷道的自動錨桿鉆架的技術(shù)發(fā)展方向。

對國內(nèi)外自動錨桿鉆架的布局型式與特點、鉆架結(jié)構(gòu)各組成部分的型式和工作原理進行梳理和綜述，并指出自動錨桿鉆架技術(shù)研究重點和發(fā)展趨勢，助力自動錨桿鉆架實現(xiàn)鉆取錨桿孔-裝填錨固劑-錨固錨桿連續(xù)自動作業(yè)，達到“機械化換人、自動化減人”的目標，最終推動掘進工作面無人化建設。

1 自動錨桿鉆架的布局型式與特點

1.1 國外自動錨桿鉆架的布局型式與特點

國外自動錨桿鉆架按照總體布局型式，主要分為3 類：轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式。

轉(zhuǎn)塔式自動錨桿鉆架包含鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置和錨桿倉等，并環(huán)形布置于回轉(zhuǎn)軸上，依靠液壓缸動作完成3 種裝置的工作位置切換。鉆孔裝置和錨固裝置分別具有獨立的推進梁；錨固劑注入裝置大多布置于鉆孔裝置和錨固裝置之間。錨桿倉安裝于錨固裝置的推進梁側(cè)面。

國外大多數(shù)廠商生產(chǎn)的自動錨桿鉆架采用轉(zhuǎn)塔式布局。典型代表產(chǎn)品有：瑞典Sandvik 生產(chǎn)的錨桿鉆架（圖1a）具有模塊化結(jié)構(gòu)，配有高性能的BH 錨桿支護頭和RD 鑿巖機，鉆孔功率14 kW，回轉(zhuǎn)扭矩340 N·m，錨桿倉存放8 根錨桿，可以完成1.5～3.0 m 的錨桿安裝工作[9]。秘魯Resemin 錨桿鉆架（圖1b）搭載Montabert HC 鉆箱，鉆孔功率達到14 kW，回轉(zhuǎn)扭矩415 N·m，錨桿倉可以存放12 根錨桿，鉆架上錨固劑裝填裝置連接在鉆孔裝置一側(cè)，不需要單獨的移動機構(gòu)[10]。美國J.H Fletcher 錨桿鉆架（圖1c）鉆孔轉(zhuǎn)速最高可達560 r/min，回轉(zhuǎn)扭矩450 N·m，其獨特的優(yōu)勢在于鉆桿除塵技術(shù)，通過在鉆箱中設計除塵孔，配合風機實現(xiàn)鉆孔除塵[11]。波蘭Mine Master 生產(chǎn)的搭載于鉆車上的錨桿鉆架（圖1d），其鉆孔功率高達29 kw，錨桿倉可以存放16 根錨桿，搭載的鉆箱可以滿足深孔加工的需要，并可以通過藍牙控制面板遠程控制[12]。

圖1 轉(zhuǎn)塔式錨桿鉆架Fig.1 Turret bolting frame

切換式自動錨桿鉆架包含鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置和錨桿倉等。鉆孔裝置和錨固裝置共用同一個推進梁，通過安裝在推進梁下端的切換裝置，實現(xiàn)鉆孔裝置和錨固裝置工作位置的切換。錨固劑注入裝置通常連接在推進梁頂端，錨桿倉安裝在推進梁側(cè)面。典型產(chǎn)品有瑞典Altas 公司生產(chǎn)的Boltec 系列錨桿鉆車上搭載的MBU 錨桿裝置（圖2），鉆孔功率11 kW，回轉(zhuǎn)扭矩250 N·m，錨桿倉存放10 根錨桿，可以完成1.5～6 m 的錨桿安裝工作，實現(xiàn)了錨固裝置模塊化設計，通過不同配置可適應水漲式、管縫式、機械式和樹脂式錨桿的安裝作業(yè)[13]。

圖2 切換式錨桿鉆架Fig.2 Switch bolting frame

自鉆式自動錨桿鉆架主要完成自鉆錨桿的安裝工作，與上述鉆架錨護工藝不同，自鉆錨桿鉆架錨護工藝為鉆孔-裝填錨固劑-釋放鉆具，只需要一個鉆箱和推進梁即可完成作業(yè)，結(jié)構(gòu)形式較上述兩種更為簡單。澳大利亞Rambor 公司設計的SPILING RIG 為“One Step Bolt”錨桿鉆架（圖3a）一般應用在軟巖中，適配2.5 m 的自鉆錨桿，不具備自移動機構(gòu)，可以安裝在掘進設備上，也可以安裝在刮板機電纜槽上[14]。德國RAG 公司開發(fā)了一種適用于硬巖的具有沖擊錘鉆功能的“Two Step Bolt”自鉆錨桿鉆架（圖3b），可以適應200 MPa 的巖石，使用液態(tài)錨固藥劑且多種藥劑單獨存放，在鉆孔完成后，由注射適配器混合經(jīng)過自鉆錨桿注入到鉆孔中[15]。

圖3 自鉆式錨桿鉆架Fig.3 Self-drilling bolting frame

1.2 國內(nèi)自動錨桿鉆架的布局型式與特點

國內(nèi)的自動錨桿鉆架布局型式除轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式外，還有其他型式。中鐵隧道局集團有限公司開發(fā)的錨桿安裝裝置采用轉(zhuǎn)塔式[16]（圖4a），錨桿倉存放9 根錨桿，適用于中空錨桿和砂漿錨桿的安裝。同時鉆架為了適應隧道錨護的需要，在鉆孔工位一側(cè)設置了釬桿倉，可以加長鉆桿，鉆孔深度達5.5 m。浙江志高機械股份有限公司設計的三工位擺動機構(gòu)[17]也采用轉(zhuǎn)塔式（圖4b），鉆孔功率20 kW，鉆孔深度3.44 m，錨桿倉存放10 根錨桿，配有信息化監(jiān)控讀取系統(tǒng)可以監(jiān)控漿液水灰比和單孔注漿量。

圖4 國內(nèi)投入試驗運行鉆架Fig.4 Domestic put into test of bolting frame

中國煤炭科工集團太原研究院開發(fā)的雙鉆箱切換式錨桿鉆架[18]采用切換式（圖4c），鉆孔回轉(zhuǎn)扭矩為315 N·m，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，適用于2.1～5.1 m中厚煤層巷道錨桿錨護。廊坊景隆重工設計的自動鉆架[19]（圖4d）也采用切換式，鉆孔回轉(zhuǎn)扭矩300 N·m，轉(zhuǎn)速可達550 r/min，適用于B19/B22 鉆桿，成孔深度為2.23 m，其鉆孔鉆箱由液壓馬達直接驅(qū)動，無需另設減速裝置。

2015 年三一重型裝備有限公司山玉波等[20]發(fā)明了一種錨桿機構(gòu)（圖5a），該機構(gòu)鉆孔裝置和錨固裝置為同一套裝置，由鉆箱和推進梁組成。推進梁側(cè)面安裝有機械手，另一側(cè)安裝錨固劑注入裝置。鉆孔完成后，依靠機械手取下鉆桿，另一側(cè)錨固劑裝填機構(gòu)通過伸縮缸移動至鉆桿位置。但這個鉆架在錨桿安裝時需要人工將錨桿放置到推進鉆頭，自動化程度不高。

圖5 國內(nèi)鉆架新方案Fig.5 Domestic new design of bolting frame

2019 年尚東森等[21]發(fā)明一種煤礦鉆錨機器人自動鉆進與錨固裝置（圖5b），該裝置提出了一種新的布局方式，包括錨桿庫、錨桿輸送機構(gòu)、錨桿倉和鉆錨裝置。在鉆錨裝置兩側(cè)布置4 個機械手，完成鉆桿和錨桿的交換工作，底端連接一個液壓缸，完成鉆錨裝置的推進作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于增加了錨桿庫，減少了人工裝填錨桿倉次數(shù)，自動化程度提高。

2021 年姜鵬飛等[22]發(fā)明了一種錨桿施工裝置（圖5c），包括鉆孔、錨注和錨桿倉多功能執(zhí)行部件，錨桿倉固定于一側(cè)，由轉(zhuǎn)盤帶動鉆孔和錨注箱切換位置。這種裝置與國外自鉆式自動錨桿鉆架相似，但仍有不同。相同點在于都是用錨桿充當鉆桿完成鉆孔鉆取工作，不同點一方面增加了錨桿倉裝置，另一方面將混流器置于錨桿內(nèi)部，因此錨固劑在錨桿中混流反應后注入鉆孔，解決了注藥通道堵塞問題。

1.3 國內(nèi)外自動錨桿鉆架布局型式的對比分析

國外的3 種布局型式的自動錨桿鉆架性能優(yōu)異，但仍有不足。轉(zhuǎn)塔式自動錨桿鉆架使用兩個推進梁造成鉆架質(zhì)量過大；切換式自動錨桿鉆架在鉆孔作業(yè)結(jié)束后切換到注藥工位時，推進梁下端鉆孔鉆箱不動，上端夾鉗帶動鉆桿轉(zhuǎn)動一定角度，以此給錨固劑裝填機構(gòu)留出作業(yè)空間，使得鉆桿在此時處于偏彎狀態(tài)，長時間的使用，會造成鉆桿彎折，影響鉆孔的直線度；自鉆式自動錨桿鉆架工序較少，可以節(jié)省錨桿安裝時間，但是自鉆錨桿價格昂貴，錨護成本高昂。

國內(nèi)自動錨桿鉆架研究起步晚，已量產(chǎn)應用的機型少，國內(nèi)外各種布局型式的自動錨桿鉆架對比見表1。①在自動化方面，國內(nèi)切換式以及其他布局型式自動錨桿鉆架較國外有所欠缺，不具備鉆孔、注藥和錨固一體化作業(yè)能力，自動化程度較低；②在驅(qū)動元件數(shù)量方面，國內(nèi)的各布局型式的自動錨桿鉆架驅(qū)動部件數(shù)量多，較國外增加了1～2 倍，在某些功能實現(xiàn)上使用精密部件，如機械手，使得鉆架的故障率上升，不僅造成了停產(chǎn)停工，還增加了設備的使用成本。

表1 自動錨桿鉆架布局型式統(tǒng)計Table 1 Statistics of utomatic bolting frame layout

2 自動錨桿鉆架結(jié)構(gòu)

自動錨桿鉆架結(jié)構(gòu)一般由鉆孔裝置、錨固劑注入裝置、錨固裝置、錨桿倉等部分組成。

2.1 鉆孔裝置

鉆孔裝置主要用來鉆取錨桿孔，一般由鉆孔鉆具、推進機構(gòu)和導向機構(gòu)等組成。在錨孔鉆取過程中，鉆孔鉆具帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，推進機構(gòu)帶動鉆孔鉆具隨導向機構(gòu)移動。

2.1.1 鉆孔鉆具

目前常用的錨桿鉆孔方式有旋轉(zhuǎn)切削式[23]、沖擊式[24]。對應鉆具有：①旋轉(zhuǎn)切削鉆箱。張林慧等[25]設計了一種適用于干式和濕式除塵的鉆箱，鉆套連接鉆桿布置于左側(cè)，擺線馬達驅(qū)動布置于右側(cè)，通過齒輪實現(xiàn)二者之間傳動（圖6a）；美國Fletcher（圖6b）和廊坊景隆重工（圖6c）的鉆箱相似，整體分為上下兩部分，上部分頂端連接鉆桿，側(cè)面連接管道用于除塵，下部分為驅(qū)動液壓馬達；②沖擊式鑿巖機。釬頭連接鉆桿，利用鑿巖機活塞快速沖擊釬尾的能量實現(xiàn)破巖鉆孔，常用于巖石硬度較高的巷道支護。Sandvik 使用自主研發(fā)的RD 系列鑿巖機（圖7a），Atlas 使用COP RR 鑿巖機（圖7b），Resemin 使用Montabert HC 鑿巖機（圖7c）。

圖6 旋轉(zhuǎn)切削鉆箱Fig.6 Rotary cutting drilling

圖7 沖擊式鑿巖機Fig.7 Impact drilling

2.1.2 推進機構(gòu)

推進機構(gòu)主要實現(xiàn)：①鉆架支撐與煤壁接觸，穩(wěn)定鉆架；②鉆具進給。對于前者，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中一般采用液壓缸實現(xiàn)。對于后者，有多種實現(xiàn)的形式。將上述國內(nèi)外14 個自動錨桿鉆架推進方式進行統(tǒng)計，如圖8 所示（Sandvik 有2 種推進方式）。

圖8 推進方式統(tǒng)計Fig.8 Statistical of propulsion mode

在鋼絲繩+液壓馬達的形式中（圖9），鋼絲繩撓度較差且易受腐蝕斷裂失效，這種推進方式在Sandvik 生產(chǎn)的初代產(chǎn)品DS311 上采用，在其后續(xù)推出的升級產(chǎn)品DS411，DS511 中已棄用，使用液壓馬達+鏈條傳動。

圖9 鋼絲繩+液壓馬達Fig.9 Wire rope + hydraulic motor

在全液壓缸的形式中（圖10），為了解決單個液壓缸推進行程長的問題，2021 年石家莊煤礦機械有限責任公司魏蒼棟[26]提出了一種伸縮式雙層滑架結(jié)構(gòu)，在推進油缸下方設置一個補償油缸來增加鉆孔深度。

圖10 全液壓缸Fig.10 Hydraulic cylinder

在液壓缸+鏈條的形式中（圖11），液壓缸兩側(cè)布置鏈傳動系統(tǒng)，鏈條和液壓缸可以分別帶動鉆頭前進一段距離完成錨護作業(yè)，這種形式結(jié)構(gòu)緊湊，通常用于機載錨桿鉆機中，但是這種形式需要對液壓缸二次加工以滿足傳動需要，產(chǎn)品平替性受到影響，損壞維修不便。

圖11 液壓缸+鏈條Fig.11 Hydraulic cylinder + chain

在液壓馬達+齒輪齒條的形式中（圖12），以液壓馬達作為驅(qū)動元件，通過齒輪齒條將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，齒輪安裝在鉆箱下端，齒條在推進梁制作時加工成形，這種形式傳動精度高，但是效率損失大，不易保養(yǎng)磨損嚴重。

圖12 液壓馬達+齒輪齒條Fig.12 Hydraulic motor + rack and pinion

在液壓馬達+鏈條的形式中（圖13），液壓馬達使用擺線液壓馬達，不需要任何變速機構(gòu)，擺線液壓馬達直接驅(qū)動鏈條帶動鉆箱前進，且鏈條重量輕，控制方便。在Blote88 中，擺線馬達布置與推進梁下側(cè)，需要兩塊連接板安裝在推進梁來固定擺線馬達，4 個鏈輪來完成傳動作業(yè)，而且鏈傳動路徑從推進梁上側(cè)到下側(cè)，需要在推進梁上開鑿多個孔，這種布置方式不僅增加了裝配零部件，還導致推進梁的強度受到影響。在DS411 錨桿鉆架中，擺線馬達布置于推進梁側(cè)面，與兩個鏈輪配合完成傳動作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡單有 效。

圖13 液壓馬達+鏈條Fig.13 Hydraulic motor + chain

2.1.3 導向機構(gòu)

導向機構(gòu)是推進機構(gòu)和鉆箱的載體，需要足夠的強度和穩(wěn)定性。在隧道等非煤礦山中，眾多錨桿設備使用鋁合金材質(zhì)推進梁，除了重量輕且強度高，鋁合金推進梁另一優(yōu)勢表現(xiàn)在可以按照模具拉伸出各種截面形狀（圖14），這些截面形狀的邊緣呈三角狀，在推進時可以自動的將鉆箱對中，保證了鉆孔的直線度和垂直度。

圖14 鋁合金推進梁Fig.14 Aluminum alloy propulsion beam

在煤礦井下錨桿支護中，考慮到防爆需求，錨桿支護設備一般采用鋼材質(zhì)導向裝置。結(jié)構(gòu)形式有圓柱導向、燕尾槽導向和矩形槽導向。圓柱導向由兩組導向柱組成，每組導向柱包含兩根對稱布置的導向柱，其中一組導向柱連接鉆具，一組導向柱連接框架組件，形成兩組移動副[27]（圖15a）；燕尾槽導向由內(nèi)外燕尾形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，滑架前后端為外燕尾形，鉆具通過設有內(nèi)燕尾形的連接板安裝在滑架上，滑架通過設有內(nèi)燕尾形的壓板連接于固定支撐柱上，實現(xiàn)二者獨立移動[28]（圖15b）；矩形導向是將支撐導軌截面加工成對稱雙矩形狀（圖15c），鉆具和導軌之間設有耐磨鑄鐵滑塊，以減輕磨損[29]。

圖15 鋼結(jié)構(gòu)推進梁Fig.15 Steel structure propulsion beam

2.2 錨固劑注入裝置

2.2.1 錨固劑注入方式

根據(jù)錨固劑注入動力不同，錨固劑注入方式上可以分為氣動推送、機械推送和AB 料泵送。

氣動推送。在鉆架上布置輸送管，在車體一側(cè)設計藥卷倉，由氣泵將錨固劑推入鉆孔。Altas 在車體一側(cè)設計有封閉式藥卷倉（圖16a），浙江志高機械股份有限公司在車體旁設置敞口式藥卷倉（圖16b）。這種推送方式效果易受氣源壓力影響，既要防止氣壓較小導致錨固劑卡留在輸送管或者無法到達孔底的情況，又要防止氣壓較大導致保證錨固劑受損破裂。

圖16 氣動推送Fig.16 Pneumatic injecting

機械推送。2001 年美國Michaei Malkoski 設計發(fā)明了一種機械結(jié)構(gòu)用來推動雙料錨固劑中的鋼絞線或者其他材料進入錨孔（圖17a），該裝置設計有測量裝置，可以記錄進入錨孔材料長度[30]。2019 年中國煤炭科工集團太原研究院有限公司設計發(fā)明了推送樹脂錨固劑機構(gòu)[31]（圖17b），采用鋼絲繩索前端固定頂推環(huán)作為推送的執(zhí)行部件，在等待作業(yè)時，鋼絲繩索纏繞在柔索滾筒上，作業(yè)時，三對輸送輪在馬達的驅(qū)動下帶動鋼絲繩索在塑料管道中推進錨固劑到達鉆孔底，這一結(jié)構(gòu)對鋼絲繩索材料有較高要求，既需要有足夠的頂推力，又需要有一定的韌性。2021年陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司和中國礦業(yè)大學設計了一種鏈式安裝錨固劑裝置[32]（圖17c），剛性鏈一端連接錨固劑，另一端連接外部電機輸出端。工作時，由外部電機帶動剛性鏈伸出推動錨固劑到達鉆孔底部，同時為了配合剛性鏈推動需使用鋼材料的輸送管。

圖17 機械推送Fig.17 Mechanical injecting

AB 料泵送。氣動和機械式主要用來對錨固藥卷的推送安裝，AB 料泵送式從錨固劑上創(chuàng)新變革使用液態(tài)藥劑。錨護工作前，將樹脂藥劑和催化劑分別安裝在A、B 兩個料筒中，由液壓泵輸送到注射適配器混合攪拌后注入錨孔，這種方式主要用于自鉆錨桿或中空錨桿的安裝作業(yè)（圖18），國內(nèi)中煤科工開采研究院有限公司在這種方式上也有研究，詳見圖5c。

圖18 AB 料泵送系統(tǒng)Fig.18 AB Material pumping system

2.2.2 錨固劑防墜輔具

為方便自動錨桿鉆架安裝錨固劑，眾多科研單位設計了錨固劑輔具。

2017 年郭志富等設計了多款防墜結(jié)構(gòu)，有彈力支撐式[33]（圖19a）、塑性卡阻式[34]（圖19b）和傘狀式[35]（圖19c）的樹脂錨固劑；此外還有多種防墜輔具（圖19d），其原理都是依靠輔具結(jié)構(gòu)與錨孔內(nèi)壁摩擦防墜。廊坊景隆重工設計了一個塑料套筒將錨固劑連接到錨桿前端，由錨桿將錨固劑推入，從工藝上解決了錨固劑在孔中墜落的問題[36]。

圖19 錨固劑防墜結(jié)構(gòu)Fig.19 Anchoring agent anti-fall structure

2.3 錨固裝置

錨固裝置主要用來緊固錨桿。在該裝置上，一般包括錨箱、推進機構(gòu)、錨桿夾鉗。錨固過程中，錨箱帶動錨桿旋轉(zhuǎn)攪拌錨固劑并擰緊錨桿，推進機構(gòu)帶動錨箱沿導向機構(gòu)移動。推進機構(gòu)與鉆孔裝置推進機構(gòu)相同，不作贅述。

2.3.1 錨 箱

錨箱有2 種類型。一種是使用小功率的鑿巖機作為錨箱（圖7），西班牙Resemin 設計的錨桿鉆架上，錨固鉆箱使用Montabert HC 28，扭矩為480 N·m，轉(zhuǎn)速為300 r/min。Atlas 使用COP RR11 液壓鑿巖機，功率為14 kW；另一類是使用鉆箱作為錨箱，Sandvik 針對性的設計了用于自動錨桿鉆架上使用的多功能鉆箱RD314（圖20a），該鉆箱通過改變前端接口實現(xiàn)鉆錨功能切換，其扭矩最高達420 N·m，轉(zhuǎn)速為530 r/min；廊坊景隆重工發(fā)明了一種錨桿攪拌器[37]（圖20b），增加了一個液壓缸帶動攪拌軸伸縮運動，解決了錨箱長度不可調(diào)整的問題；中煤科工開采研究院有限公司設計了一種集鉆、注、錨于一體裝置（圖20c），通過外齒輪實現(xiàn)傳動[38]，適用于自鉆式錨桿鉆架。

圖20 錨箱Fig.20 Bolting box

2.3.2 錨桿夾鉗

錨桿夾鉗一般安裝在錨固工位推進梁頂端，保證錨桿安裝時穩(wěn)定。

Atlas 自動錨桿鉆架中，錨桿夾鉗由兩部分拼接組成，且兩部分各有半圓狀缺口用來放置錨桿。兩部分由左右布置的兩個液壓缸分別驅(qū)動，依靠兩個液壓缸的伸出和縮回實現(xiàn)錨桿夾鉗的開合[39]（圖21a）。Joy Global Underground Mining LLC 公司發(fā)明了一種錨桿夾持機構(gòu)，該機構(gòu)由電動控制，兩組螺線管和線圈內(nèi)置于凹槽側(cè)面對稱布置，通過兩個螺線管的伸縮實現(xiàn)錨桿的夾緊和釋放[40]（圖21b）。Resemin公司生產(chǎn)的Small Bolter 77 自動錨桿鉆架應用了一種錨桿夾鉗，其設計比較精妙。它具有兩個卡爪，在與錨桿接觸部分連接半圓狀接觸片避免錨桿與夾鉗直接接觸劇烈摩擦。卡爪的動作原理是四連桿機構(gòu)，由液壓缸的伸縮移動帶動卡爪開合，并在開合的極限位置設有限位銷，以此來約束卡爪開合范圍（圖21c）。

圖21 錨桿夾鉗Fig.21 Bolt clamping mechanism

2.4 錨桿倉

錨桿倉在鉆架中的作用主要是批量存儲錨桿。此外，錨桿倉還需要具備錨桿抓取功能，一根錨桿安裝完畢后，另一根錨桿應及時進入作業(yè)等待區(qū)。

2.4.1 錨桿倉結(jié)構(gòu)

錨桿倉根據(jù)驅(qū)動形式可以分為4 種：轉(zhuǎn)盤式、鏈條式、推移式、流水線供給式。

1）轉(zhuǎn)盤式。錨桿倉中有一根中心軸，中心軸靠上和靠下位置各有一個儲桿盤，儲桿盤上開有凹槽用來儲存錨桿，中心軸通過旋轉(zhuǎn)帶動錨桿從等待區(qū)進入作業(yè)區(qū)。中心軸的旋轉(zhuǎn)一般通過馬達實現(xiàn)，在2020年中鐵隧道局集團有限公司發(fā)明的一種隧道錨桿安裝設備中，其錨桿倉（圖22a）采用伺服電機作為中心軸旋轉(zhuǎn)動力源，當伺服電機旋轉(zhuǎn)一周時帶動中心軸和儲桿盤旋轉(zhuǎn)一個分度，旋轉(zhuǎn)控制更為精確，但是伺服電機價格昂貴，增加了設備成本，2021 年中煤科工開采研究院發(fā)明的轉(zhuǎn)盤式錨桿倉中（圖22b），通過2個液壓缸實現(xiàn)錨桿的移出動作，簡化了機械結(jié)構(gòu)[41]。

圖22 轉(zhuǎn)盤式錨桿倉Fig.22 Cylinder bolt cartridge

2）鏈條式。2017 年郭志富等（圖23a）[42]和2020 年韓菲等（圖23b）設計生產(chǎn)的錨桿鉆架上使用鏈條式錨桿倉，這種錨桿倉通過兩條鏈傳動機構(gòu)上下布置實現(xiàn)錨桿在錨桿倉中的運動，鏈條外鏈節(jié)上帶有U 型卡或者橡膠彈簧安裝固定錨桿。兩者區(qū)別在于前者兩主動鏈輪固定在一根主動軸上，液壓馬達通過帶動主動軸轉(zhuǎn)動直接驅(qū)動上下鏈條運動，后者兩從動鏈輪固定在一根軸上，液壓馬達通過帶動上鏈傳動機構(gòu)主動輪轉(zhuǎn)動從而驅(qū)動上下鏈條運動。

圖23 鏈條式錨桿倉Fig.23 Cuboid bolt cartridge

3）推移式。美國Fletcher J.H 公司設計了一種推移式錨桿倉。該錨桿倉設置由上、下兩個通道供錨桿移動，且上通道短于下通道，整體輪廓呈梯形，適于頂部狹窄作業(yè)環(huán)境。偏置擺臂通過兩個螺栓固定在上通道附近，用來推動錨桿沿著通道移動[43]（圖24）。

圖24 推移式錨桿倉Fig.24 Push bolt cartridge

4）流水線供給式。錨桿倉中錨桿使用完后，需要人工將錨桿填滿錨桿倉，這一工序在大部分錨桿鉆架中尚未解決。澳大利亞伍倫貢大學設計了集錨桿儲存?zhèn)}、錨桿墊片儲存?zhèn)}、錨桿輸送軌道、墊片安裝于一體的錨桿自動補給裝置[44]，錨桿經(jīng)過輸送軌道后，墊片盒彈出一個墊片與之連接，之后再送到鉆機安裝（圖25a）。在2019 年尚東森等[21]設計的鉆錨機器人中提出了一種方案，設計有錨桿庫（圖25b）。錨桿庫采用內(nèi)置一個傾斜斜面，在傾斜斜面底端開有出桿口，每次只允許一根錨桿通過，出桿口外有鏈條傳送機構(gòu)。當錨桿倉中無錨桿后，控制錨桿倉到鏈傳動機構(gòu)末端，錨桿在重力作用下從出桿口滾出，通過鏈傳動機構(gòu)將錨桿運送到錨桿倉。

圖25 流水線供給式錨桿倉Fig.25 Pipeline feed bolt cartridge

2.4.2 錨桿抓取機構(gòu)

錨桿抓取機構(gòu)用來將錨桿從錨桿倉中取出到錨固裝置。目前多數(shù)自動錨桿鉆架中實現(xiàn)這一功能是使用機械手。機械手需要完成的動作有夾緊/松開和移動/復位，為了完成以上動作，需要至少2 個驅(qū)動裝置，同時為配合運動需增加傳感器和控制系統(tǒng)。國外轉(zhuǎn)塔式自動錨桿鉆架中，采用機械機構(gòu)實現(xiàn)這一功能（圖26）。在錨固裝置推進梁上部和中部固定2個錨桿抓取機構(gòu)，頂端有銷軸連接，可以沿著推進梁方向轉(zhuǎn)動，側(cè)端連接復位彈簧。當進行錨護作業(yè)時，錨桿倉中的錨桿移動到錨桿抓取機構(gòu)凹槽上，通過錨護裝置旋轉(zhuǎn)將錨桿從錨桿倉中帶出，同時在錨固裝置中起到穩(wěn)固錨桿的作用。這一機構(gòu)使得鉆架更為緊湊，減少了大量驅(qū)動和控制部件的使用。

圖26 錨桿抓取機構(gòu)Fig.26 Bolt centralizer

3 自動錨桿鉆架研究方向

目前國內(nèi)外自動錨桿鉆架技術(shù)研究方興未艾，通過分析國內(nèi)外自動錨桿鉆架的研究現(xiàn)狀，結(jié)合煤炭行業(yè)現(xiàn)有錨桿支護技術(shù)現(xiàn)狀，自動錨桿鉆架研究主要存在以下問題：傳感器和驅(qū)動元件方面，缺乏符合煤礦防爆要求的高精度傳感器、電液伺服閥和大功率伺服電機；鉆架自動控制方面，鉆孔狀態(tài)實時監(jiān)測與煤巖硬度識別技術(shù)成熟度低，鉆孔位置識別、故障診斷與錨固效果評判等功能缺失；錨護材料適配性方面，晉陜蒙、魯西、兩淮等主要礦區(qū)錨護材料如鉆桿、錨桿、錨固劑等結(jié)構(gòu)參數(shù)差別較大；巷道適應性方面，非煤礦山與煤礦之間、各煤礦礦區(qū)之間的巷道尺寸和支護工藝差別較大；錨桿支護新工藝方面，現(xiàn)有樹脂錨桿支護工序較多、平均錨固時間較長；物聯(lián)網(wǎng)融合方面，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和統(tǒng)一的接入接口。針對以上問題，提出以下自動錨桿鉆架的未來研究方向。

1）自動錨桿鉆架傳感器與驅(qū)動元件研究。研發(fā)符合煤礦井下防爆要求的高精度高分辨率的位移、角度傳感器，電液比例伺服閥和大功率伺服電機及驅(qū)動器等元部件。

2）自動錨桿鉆架智能控制技術(shù)研究。進行自動錨桿鉆架煤巖硬度識別、鉆孔狀態(tài)實時監(jiān)測與特征識別、錨固位置識別、錨桿錨固效果即時檢測、遠程交互控制和健康診斷等新技術(shù)研究。

3）自動錨桿鉆架與鉆具適用性研究。對鉆具關鍵零部件優(yōu)化改進：推進梁材料優(yōu)化改進、鉆箱優(yōu)化改進、錨桿攪拌端優(yōu)化改進、液壓馬達優(yōu)化改進，通過模塊化元部件設計滿足錨固材料適配性需求。

4）自動錨桿鉆架模塊化和系列化研究。針對國內(nèi)巷道尺寸規(guī)格和錨桿支護工藝需求，合理規(guī)劃自動錨桿鉆架規(guī)格參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)，通過自動錨桿鉆架模塊化和系列化設計，以適應不同規(guī)格巷道錨桿支護需求。

5）錨桿支護新工藝研究。目前國內(nèi)自動錨桿鉆架沿用人工錨護工藝工序，國外“One Step Bolt”和“Two Step Bolt”錨護工藝已成熟應用，針對國內(nèi)煤礦巷道支護需求，開展巷道高壓錨注-噴漿協(xié)同支護等支護新工藝研究。

6）自動錨桿鉆架與5G+物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)研究。開展自動錨桿鉆架5G+物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)研究，提高鉆-注-錨各個環(huán)節(jié)裝置性能，實現(xiàn)協(xié)同一體化作業(yè)，達到無人化快速錨桿支護目標。

4 結(jié) 語

1）分類歸納了國外轉(zhuǎn)塔式、切換式、自鉆式3 種自動錨桿鉆架的布局型式和特點，總結(jié)了我國自動錨桿鉆架的布局型式和性能參數(shù)，指出了現(xiàn)階段我國自動錨桿鉆架自動化程度較低和驅(qū)動元件數(shù)量較多的現(xiàn)狀。

2）梳理了自動錨桿鉆架組成部分鉆孔裝置、錨固劑裝填裝置、錨固裝置和錨桿倉四個裝置不同的實現(xiàn)方式，并具體闡述了各種實現(xiàn)方式的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。

3）分析了煤炭行業(yè)自動錨桿鉆架研究現(xiàn)狀，歸納了自動錨桿鉆架在傳感器和驅(qū)動元件、自動控制、錨護材料適配性、巷道適應性等方面存在的問題，提出了6 個自動錨桿鉆架重點研究方向。