氣動錨桿鉆機與液壓錨桿鉆機特性分析及現場應用選擇

卓力通過對氣動錨桿鉆機與液壓錨桿鉆機的特性分析、理論數據對比、工況分析對比及實踐數據對，為煤礦巷道支護錨桿鉆機機具現場應用選擇提供了依據。
氣動錨桿鉆機與液壓錨桿鉆機作為巷道支護的兩種主要鉆孔機具，錨桿鉆機的正確合理選擇，關系到巷道支護效率的有效提高，是煤礦巷道掘進速度提高的關鍵。
    錨桿鉆機特性
    1.1 氣動錨桿鉆機
    使用壓縮空氣作為動力，重量輕，轉速、推進速度隨負載變化而變化，易于管理，維護維修方便。但是功率不大，能量轉化效率低。以目前最常用的型號MQT-130/3.0看，參數為3kw，耗氣量為4m³/min。
    由于使用壓縮性很強的空氣作為動力，使得氣動錨桿鉆機的轉速轉矩特性很軟，轉速從0-700r/min，轉矩從200-0N.m。試驗數據如下：
 

壓力MPa	0.5
轉速r/min	0	100	150	200	240	280	330	380	430	470	520	620	690
轉矩N.m	239	211	170	137	122	106	86	60	58	48	38	29	19
		一級缸筒				二級缸筒				三級缸筒
氣壓		0.5MPa
支腿推力		9.1kN				7.5 kN				5.6 kN

      
    1.2  液壓錨桿鉆機
    液壓錨桿鉆機以不可壓縮的高壓油為動力，體積小，功率大，能量轉化效率高。但重量大，維護維修要求高。由于液壓油是不可壓縮的液體，使得液壓錨桿鉆機的轉速轉矩特性較硬。以市場上最常用的型號MYT-120/320為例，試驗數據如下：
 

壓力MPa	7	11.5	14	15.5	16.5	17	18	19	19.5	20	21
轉速r/min	454	441	430	423	417	413	408	399	396	200	0
轉矩N.m	0	50	80	100	110	120	130	140	150	160	170
				一級缸筒				二級缸筒
壓力				3 MPa				3 MPa
支腿推力				13 kN				7 kN

錨桿鉆機鉆錨桿孔時的影響因素 
    設備因素：馬達輸出轉矩、轉速，支腿推力。
    地質條件：巖石硬度、抱鉆特性、鉆孔深度。
    目前錨桿孔多用直徑為φ27mm的兩翼式旋轉鉆頭，常用鉆桿為B19mm和B22mm的六方鉆桿。以長1.5m的B22mm六方鉆桿為例，其能承受的軸向失穩推力不超過15kN。
    錨桿鉆機鉆孔時，只有達到轉矩、轉速、推力三者合理匹配時，方能得到最高的鉆進效率。一般轉速低于200r/min時，鉆孔效率明顯降低。
工況分析 
    在軟巖（一般巖石硬度小于f6）鉆進中，鉆進阻力不大，推進力也不需要很大。這時氣動錨桿鉆機發揮了氣體彈性大的優勢，在提供足夠的轉矩和支腿推力下，可以實現較高的轉速及較快的推進速度，鉆孔效率高，并且回落時，支腿中的壓縮空氣直接排到大氣中，可以實現支腿的快速回落（5s）。使整個鉆孔過程速度快。液壓錨桿鉆機則不然，由于使用不可壓縮的高壓油為動力介質，并且一般為定量系統，只要負載轉矩不超過錨桿鉆機供油的設定壓力，馬達就會以一個恒定的轉速旋轉，支腿也只能以供油量按照恒定的速度推進（11s）和回落（14s）。這時液壓錨桿鉆機沒有任何速度上的優勢。
    在硬巖（一般巖石硬度大于f8）鉆進中，由于氣動錨桿鉆機的支腿推力小，鉆頭的吃刀量會很小，這時鉆機的轉矩負載會很小，馬達會高速旋轉，大量消耗壓縮空氣。這時不但鉆進速度慢，而且對鉆頭的磨損嚴重，極易消耗鉆頭（有經驗的操作者此時會把供給馬達的風量減少，以便更多的風量提供到支腿中，提高支腿內的氣壓，進而提高支腿推力。否則大量的壓縮空氣就會通過馬達損失掉，致使供風壓力降低，導致支腿的推力更不足）；液壓錨桿鉆機則不然，由于液壓錨桿鉆機的推進力較大，此時，鉆頭的吃刀量會比氣動錨桿鉆機好得多，在加上液壓錨桿鉆機恒定的轉速特性，此時鉆進速度要比氣動錨桿鉆機快得多。當然前提條件是鉆進阻力沒有超過液壓錨桿鉆機的設定值。
    對于有抱鉆傾向的地址條件，一般巖石或煤層會很軟，此時不需要多大的推進力，而需要高轉速、高轉矩的鉆機，并且宜使用麻花鉆。因為高速旋轉的麻花鉆可以將向內塌陷的孔壁刮削掉，并快速排屑，避免孔壁向內塌陷抱鉆。
    鉆孔越深時，由于鉆桿直線度低、鉆屑不易排出，造成鉆桿與孔壁的摩擦力增大，致使轉矩負載增大，要求錨桿鉆機要有足夠的轉矩。
    從動力供給分析，一般有現成的壓風系統時，宜選用氣動錨桿鉆機，否則宜選用液壓錨桿鉆機。當然，也可用移動空壓力配氣動錨桿鉆機，不過由于井下空氣質量不好以及空壓力散熱問題，容易導致空壓機故障，維修不便，成本高。
    實踐試驗數據
    試驗過程使用的氣動錨桿鉆機型號為MQT-130/3.0，試驗過程使用的液壓錨桿鉆機型號為MYT-120/320。
 

	氣動錨桿機	液壓錨桿機		氣動錨桿機	液壓錨桿機	氣動錨桿機	液壓錨桿機
試驗地點	煤礦井下現場			煤礦井下現場		煤礦井下現場
巖石硬度	f3-f4			f6-f7		f10-f11
鉆頭	φ28普通金剛石兩翼鉆頭			φ28加強金剛石兩翼鉆頭		φ28高強金剛石兩翼鉆頭
鉆桿類型	19方鉆桿
鉆孔深度	800mm		8000mm			500mm
鉆孔時間	20s	70s	13min		9min45s	12min30s	1min14s
鉆孔速度	2400mm/min	686 mm/min	615 mm/min		820 mm/min	40 mm/min	405 mm/min

    通過氣動錨桿鉆機和液壓錨桿鉆機試驗臺檢測數據與煤礦井下現場試驗和工廠試驗數據，可以得出同扭矩氣動錨桿鉆機與液壓錨桿鉆機在同地質條件下，巖石硬度f≤6時，氣動錨桿鉆機優勢明顯，在巖石硬度f3時，氣動錨桿鉆機鉆進速度是液壓錨桿鉆機的3.5倍，因此選擇氣動錨桿鉆機鉆孔較適宜。巖石硬度f≥6時，液壓錨桿鉆機的效率較氣動錨桿鉆機開始凸現，在巖石硬度f10時，液壓錨桿鉆機鉆進速度是氣動錨桿鉆機的10倍，因此選擇液壓錨桿鉆機鉆孔較適宜的結論。