锚杆钻车运行中支护承载结构及围岩受力变形分析

目的针对单轨液压锚杆钻车运行过程中支护承载结构及围岩受力变形难以观测分析的问题。方法利用研发的CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车,结合长城五矿1902S回风巷巷道现场情况综合分析钻车在大断面大倾角巷道动态运行的支护、承载及围岩协同受力变形特征。结果研究表明,钻车运行过程中吊挂板的受力变形在悬吊点处均达到峰值,工字钢在悬吊点的部分位移最小,与钻车直接接触的部分受力最大;锚索中部主要受到拉应力,靠近巷道一侧主要受到剪应力,而巷道两帮的锚杆拉应力主要分布在靠近巷道内部一侧;巷道顶板悬吊点处位移最大,两帮靠近顶板位移高于底板处,而巷道偏向低帮处底板的位移大于高帮处;以单轨液压锚杆钻车为核心的新型配套工艺可以有效控制围岩变形,支护效果良好,比传统以掘锚一体机为中心的机器化工艺掘进效率更高。结论研究明确了CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车在实际应用的可行性,解决了现有掘锚一体机难以在复杂地质条件下大断面煤巷自动化掘进支护的问题,提升了煤巷支护效果掘进效率,为CMMD4-35煤矿用单轨液压锚杆钻车的现场应用提供了理论依据。

悬臂式双级纵移钻锚机有限元强度分析与改进

悬臂式双级纵移钻锚机采用支撑臂与万向臂可快速灵活地打锚杆孔,由于悬臂长、臂端载荷大、结构复杂,存在强度不足的隐患。通过对其工况、所受载荷进行分析,采用SolidWorks和ANSYS软件对其进行了有限元强度分析。结果表明,最大应力发生在悬臂最长且外摆向上打顶部锚杆孔工况下,位于支撑座的大臂下支撑耳应力集中处,次大应力发生在悬臂最长且外摆向上打侧上部锚杆孔工况下,位于联接万向臂和推进器的直角连接板的肋板应力集中处。局部结构改进后进行有限元分析,其结构强度满足设计要求。

基于改进SFS算法的锚杆钻臂参数整定研究

针对锚杆钻臂井下自动控制过程中存在的环境恶劣、地质复杂等特殊工况,需着重考虑PID的参数选取,为此采用随机分形搜索算法(SFS)对PID参数进行整定。由于随机分形搜索算法存在局部搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,在面对机械臂待整定参数多及参数间耦合严重时,其整定效果不佳。因此,引入混沌初始化、正余弦策略、自适应K值选取策略以提高算法的局部搜索能力以及全局搜索速度;采用柯西、差分定向变异策略使算法跳出局部最优。通过标准测试函数测试表明改进后的随机分形搜索算法收敛速度及精度均有一定提高。最后通过锚杆钻臂参数整定仿真实验表明:改进后随机分形搜索算法整定的PID参数总体适应度值提高21%;各关节的量化指标表示改进后随机分形搜索算法跳出了局部最优,提高了整体寻优精度与速度。

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

应用鲸鱼智能优化算法的钻锚机器人控制定位

为了解决钻锚机器人控制定位误差大的问题,提出了应用鲸鱼智能优化的钻锚机器人精确控制定位方法。根据钻锚机器人的运动结构,对各个关节运动范围标定,建立钻锚机器人运动数学模型。分析钻锚机器人前移控制和后移控制误差产生原因,计算前移控制和后移控制的距离差值。基于分数阶微积分控制器控制定位误差,利用鲸鱼智能优化方法寻找最佳控制参数,搜索个体和最优解向量,通过空间维度映射迭代优化获得最优控制定位结果,实现精准控制定位。测试结果证明所提方法能够保证钻锚机器人控制误差迭代速度较快,误差较小,可以进一步提升钻锚和挖掘精度。

掘锚机机载钻机姿态调整分析

探放水作业前后,前探钻机的部署需耗费大量时间。在掘锚机上装载超前钻探设备可减少设备部署时间,提高钻探效率。目前针对集掘、锚、探于一体的掘进机机组的研究大多聚焦于设备的结构设计及液压控制系统设计,对于不同结构间干涉特性的研究相对较少。分析了机载钻机姿态调整过程中的干涉情况,根据姿态调整时的几何位置关系,建立了掘锚机与机载钻机发生干涉时的数学模型,并推导出掘锚机与机载钻机发生干涉时的最大转角计算公式。以掘锚机和机载钻机发生干涉时的最大转角为指标,研究了掘锚机与机载钻机各个尺寸参数对机载钻机各个方向最大转角的影响。结果表明:(1)掘锚机龙骨倾角越大,机载钻机的俯仰调节角度越大,通过调节掘锚机龙骨能有效改变探水钻机工作时仰角的调节范围。(2)龙骨高度的变化对俯仰角的影响均很小,龙骨高度的变化不会影响俯角的变动,而对仰角的影响较大,且呈正比关系;龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度的增大使俯仰角均增大,但对仰角的影响效果不明显。若要改动仰角,可优先考虑改变龙骨高度;若要改动俯角,可优先考虑改变龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度。(3)当掘锚机龙骨护板间距越大,机载钻机的最大水平转角度越大,当增大到一定程度时,最大水平转角度不再受掘锚机龙骨护板间距增大的影响;当掘锚机龙骨护板间距大于某一值时,掘锚机支撑油缸中心距越大,机载钻机的最大水平转角度越大;掘锚机龙骨护板间距对机载钻机最大水平转角度的影响较掘锚机支撑油缸中心距大。(4)当机载钻机钻头后端宽度较小时,不影响最大水平转角;当机载钻机钻头后端宽度增大到某一值时,机载钻机钻头后端宽度越大,最大水平转角越小;当机载钻机钻头后端宽度小于某一值时,机载钻机钻头部分前端宽度越大,最大水平转角越小。实例验证结果表明:增大龙骨倾角、龙骨连接螺栓高度、龙骨高度、龙骨连接绞耳到龙骨尾部长度,并减小机载钻机钻头上缘与机载钻机框架连接绞耳的高度差、龙骨上护板长度,机载钻机的最大俯仰角得到了有效增加。

基于EBZ260M改进的平动式锚杆钻机的模态分析

平动式锚杆钻机是在EBZ260M型锚杆钻机的基础上改进而成,其采用双摆动油缸的设计不仅提高了操作的效率还降低了操作难度。该钻机在工作中工况多变、受力复杂,其动力学性能直接影响设备工作效率和稳定性。通过在典型工况下使用SolidWorks和ANSYS软件进行模态分析,结果表明:力臂长度对锚杆钻机的影响较大,最低的固有频率约为20 Hz,高于其断续工作的最大频率11.983 Hz,不会发生共振。

掘锚机用可升降帮锚杆钻机

介绍了一种可升降的帮锚杆钻机,该钻机包括联接底座、主架体、升降滑块、帮钻机主体、油缸等,主架体设于联接底座上,并与联接底座滑动联接;升降滑块与主架体滑动联接,钻机主体与升降滑块相联。该钻机回转间隙小,摆动精度高,且整体机构更紧凑、占用空间小,灵活性和效率更高。

煤矿双巷连掘工作面智能化锚杆钻车研究与应用

基于现有四臂顶锚杆钻车、六臂帮锚杆顶锚索钻车,对其进行智能化升级改造,研制智能化四臂顶锚杆钻车、智能化六臂帮锚杆顶锚索钻车,并在双巷连掘示范工作面开展试验应用。结果表明:2种钻车实现了顶/帮锚杆、顶锚索支护钻孔施工的电液智能化控制,在局部少量人工辅助下完成顶/帮锚杆支护钻孔、锚固全流程自动化施工,起到了减员、提效作用,为煤炭行业智能化转型提供技术支撑和有益参考。

CMM2-28Y型煤矿用液压锚杆钻车在伯方煤矿中的应用

传统采用气动锚杆钻机进行井下锚网支护的安全性能差、支护效率低、劳动强度大,且其最大扭矩力不能满足顶板锚杆扭矩力要求。为提高掘进工作面锚网支护质量,伯方煤矿在3306回风顺槽成功引进CMM2-28Y型煤矿用液压锚杆钻车,该钻车具有钻进功能全面、安全性好、工作效率高、工人劳动强度低等优点,应用前景广阔。

砂卵石地层自钻式锚杆锚固性能现场试验研究

为研究自钻式锚杆在砂卵石地层中的锚固性能,开展了18根自钻式锚杆的现场拉拔试验,从极限抗拔承载力、荷载-位移曲线及界面平均粘结强度等方面进行了分析。结果表明:砂卵石地层中自钻式锚杆的极限抗拔力随锚固长度的增加而增大,当锚固长度超过一定数值后,对提高锚杆极限抗拔力的能力有所下降;在破坏荷载前,自钻式锚杆的抗拔荷载–位移曲线基本呈线性,且位移量较小,达到破坏荷载时,位移量急剧增大,荷载–位移曲线出现明显拐点;锚固体–卵石界面平均粘结强度均值为0.14 MPa,高于该地区卵石层推荐的qsk值0.11 MPa,且锚固长度约在2~4 m时,界面平均粘结强度整体处于较高值。

锚杆钻机专利分析

【目的】明确锚杆钻机的分类体系,并基于该分类体系对当前高频核心专利演进路线进行分析,以期获得基于锚杆钻机的分类体系下的技术发展路线。【方法】利用CNABS、CNTXT、DWPI、SIPOABS和ENTXT专利数据库,对锚杆钻机近年来相关专利进行数据分析。【结果】欧美国家相关领域发展早,专利布局意识强。国内相关企业有一定的进展。【结论】我国企业应尽快完善相关技术研发和专利布局。

窄机身锚钻机器人静力学特性对锚入深度的影响研究

窄机身锚钻机器人作为行业特有的狭小作业面快速掘进专用设备,其工作主体结构在推进凿岩作业时受到反向推力作用,导致工作平面内的锚入深度受到不同程度的影响。为此研究了窄机身锚钻机器人锚钻作业时的静力学特性,明确了不同锚钻角度下结构的静变形对锚杆锚入深度的影响,用以提高设备的锚钻作业精度与工作效率。

海上浮式风电系统的批钻链式锚群设计方案和施工技术

随着风电安装技术、海洋钻井成孔技术和工艺的进步,海上风电系统逐渐向远海、深海领域延伸,当水深超过50 m,甚至100 m后,考虑到安全性和经济性,海上风电基础由桩基式逐步转向漂浮式。现有大孔径嵌岩成孔、锤桩的桩基式底座已不能实现浮式风电系统锚定,基于此,利用海洋批钻钻井成孔、固井技术与工艺,采用批钻链式锚群,实现海上浮式风电系统的链式锚定。

既有挡土墙加固关键技术研究

本文依托某挡土墙加固工程,结合实施环境、项目实施工期、安全、经济、技术等因素对加固方案进行了综合比选,选用扰动小的拼接螺旋钢桩进行地基加固处理,选择轻型悬臂式挡土墙结构方案,采用自钻锚杆将既有浆砌片石挡土墙与悬臂式挡土墙进行连接,打通泄水孔,加强现场监测,最终确定合理的路基结构形式。本研究为类似挡墙加固工程提供了借鉴案例。

软土深基坑支护工程设计实例分析

某核电厂地处软土地区,深基坑支护设计方案根据场地地质条件及周边环境选用了放坡、桩锚等综合支护体系,确保了基坑的安全、稳定,为该建筑物结构的施工奠定了基础。经现场监测,基坑变形各项指标均在设计的控制标准之内,证明该综合支护结构方案是成功的、可行的。

基于有限元法的煤矿锚杆钻机伸缩轨道拓扑优化

以煤矿锚杆钻机伸缩轨道为研究对象,基于有限元方法开展拓扑优化工作。在对EBZ160型掘进机中使用的锚杆钻机概述的基础上,基于Pro/E和ANSYS软件建立了伸缩轨道的有限元模型。结果发现伸缩轨道的应力和变形均相对较小,安全系数最小值达到了1.696,特别是固定板结构更为显著。以固定板结构为对象,利用ANSYS进行结构拓扑优化。根据结果将固定板中间区域材料去除,使其质量降低40%。优化后的伸缩轨道安全系数最小值为1.3544,能满足使用要求。将优化的锚杆钻机应用到掘进机中,经10个月时间的应用,发现钻机运行稳定性良好。

掘锚一体机尾部侧帮锚钻装置的设计研究

掘锚一体机是快速掘进系统的重要组成装备,但现有常见普通机型的锚钻装置存在支护范围小等缺点。为解决此问题,阐述了尾部侧帮锚钻装置总体设计思路,介绍了锚钻装置的工作过程,结合支护范围进一步介绍了钻机提升机构的组成,同时校核了整机通过性。最后对锚钻装置调试情况进行说明,结合文家坡煤矿井下工业性试验,验证了方案设计的可行性。

基于PID迭代学习的液压锚杆钻机转速控制

井下多数液压锚杆钻机钻速控制主要依靠人工根据经验手动控制,在钻进不同岩层时仍采用固定钻速,影响钻孔质量,作业效率低。根据锚杆钻机电液伺服元件和比例阀的特点,首先利用动力学相关理论方程建立锚杆钻机回转系统模型,由状态变换得到空间表达式;然后根据测量岩层硬度系数估算出在变化围岩条件下锚杆钻机的最优转速;最后设计PID迭代学习控制律,随着迭代次数不断增加,通过反馈跟踪误差不断修正控制器,从而达到快速跟踪的目的。与传统PID控制进行仿真对比,结果表明该控制器响应速度、调节时间和跟踪精度等性能有了显著提升,且鲁棒性更强。

砾石地层中自钻式锚杆锚固特性现场试验与数值仿真

自钻式锚杆为集钻进、注浆、锚固功能为一体的新型锚杆,能够克服卵砾石地层易塌孔及套管施工效率低的难题,拥有施工效率高、综合经济效益良好等优点,具有广阔的工程应用前景。基于洛阳某卵砾石场地现场拉拔试验与ABAQUS数值模拟相结合的方法,探讨了自钻式锚杆在砾石地层中的锚固特性和荷载传递规律。结果表明:自钻式锚杆在砾石地层中的锚固性能优异,能够满足工程需求。锚固体-土体界面平均黏结强度随锚固长度的增加逐渐降低;锚杆轴应力、剪应力和锚固体轴应力沿锚固深度呈指数分布;锚固体剪应力随锚固深度的增加先快速上升后逐渐下降,剪应力峰值随荷载的增加不断增大,但峰值点位置基本不变;随着拉拔荷载增加,锚杆对周围土体应力的径向影响范围增大,而深度方向影响范围维持在一定数值附近。