煤矿用气动锚杆钻机评价方法研究

煤矿用气动锚杆钻机评价方法研究

王文学1，2，3

1. 中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，抚顺 113122
2. 煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122
3. 沈阳煤炭科学研究所有限公司，沈阳 110011

摘要：气动锚杆钻机属于安全标志产品管理范围，是煤矿安全生产的重要装备，适用于煤矿井下硬度f≤10的煤岩巷锚杆支护钻孔作业，主要由支腿、操纵臂和回转器三大部分组成，结构简单紧凑、重量轻、使用方便，集钻锚杆孔、安装锚杆、施加初预紧力为一体，适合在岩巷、煤巷、半煤巷进行锚护作业，在煤矿井下得到广泛应用。

关键词：煤矿；锚杆

1 锚杆钻机性能分析

MT/T 688《煤矿用锚杆钻机通用技术条件》对锚杆钻机产品的技术指标和安全性能进行了规定。由于煤矿井下作业存在工作环境粉尘及湿度大、空间狭小等恶劣因素，锚杆钻机产品在满足相关产品质量管控标准的条件下，可综合考虑输出安全特性指标、能效指标以及可靠性能指标等进行综合性能评判。

（1）能效指标分析

回转器是气动锚杆钻机的主要组成部分，主要由马达总成、齿轮箱总成、主轴、消声器等零部件组成，齿轮马达由压缩空气带动回转，马达排出的气体经消声器排入大气。回转器输出锚杆钻机转矩、转速，直接影响锚护作业效率；输出功率综合反映产品的转矩、转速等回转性能。目前，市场上气动锚杆钻机产品质量良莠不齐，大多数产品在设计和使用过程中没有考虑能效性能，而高效绿色节能已成为煤矿机电设备的发展趋势之一和重要考核指标，因此本文引入锚杆钻机能效评价指标，即压缩空气消耗量与输出功率的比值，作为产品能效分析指标。

（2）可靠性能分析

由于煤矿井下使用环境恶劣，气动锚杆钻机使用人员操作水平、能力水平参差不齐；设备出故障后井下亦不便于维修。因此，将抵抗意外事件能力及连续无故障工作能力作为锚杆钻机可靠性能分析的指标，降低使用人员的劳动强度，减少事故发生。

（3）安全特性指标分析

在满足MT/T 688标准对安全性要求的前提下，本文重点分析噪声及机重参数指标。

锚杆钻机以压缩空气为动力，噪声主要是由于气动马达周期性排出的高速气流引起的排气噪声，以及回转机构零部件装配误差等产生的机械噪声；气动锚杆钻机配有消声器，能够降低马达排气噪声，但噪声依然高。噪声是煤矿井下严重职业危害之一，长时间在强噪声下工作会诱发多种疾病，同时可能会由于噪声引起的注意力不集中，导致工伤事故。

锚杆钻机作为单机设备，在煤矿井下主要依靠工人人工搬运，空间狭小昏暗，使用场所地面凹凸不平，极易引起伤害事故。同时，在使用过程中，操作工人直接操作使用，手臂承担钻孔反力矩及工作质量；特别是因地质条件导致钻孔阻力较大或操作不当突然卡钻时，将产生更大的反力矩，因此产品应尽量轻便。

2 锚杆钻机综合性能评价

（1）建立模糊综合评判体系

通过上述分析，建立气动锚杆钻机综合性能评价体系，如图1所示。其中可靠性能指标无法通过直接测量得出数值，因此为兼顾全部评价指标，本文采用模糊综合评判法进行评价，统筹考虑锚杆钻机产品各性能指标。气动锚杆钻机综合评判的一级因子为安全特性、能效指标、可靠性能，二级因子包括噪声、机重、抵抗意外事件能力、连续无故障工作能力。其中，噪声、机重、能效参数值通过直接测量的方式得出；抵抗意外事件能力、连续无故障工作能力通过专家根据工程经验进行量化打分。建立气动锚杆钻机综合性能评判因子权重向量c=[c1,c2，…，cn]。

图1 锚杆钻机综合性能评判体系   

本文将评判因子标准等级划分为A级、B级、C级、D级，与各评判因子的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级评判标准区段值相对应，各因子值隶属函数模型如下：

Ⅰ级隶属函数公式

Ⅱ级隶属函数公式

Ⅲ级隶属函数公式

Ⅳ级隶属函数公式

式中x———各因子具体数值；

γi1、γi2、γi3、γi4———Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级标准值。

将安全特性、能效指标、可靠性能各因子数值分别代入式（1）～式（4），得出模糊关系矩阵R。

（2）综合性能模糊评判

锚杆钻机综合性能评判为二级模糊综合评判，建立隶属度向量

本文引入逻辑权重矩阵C=[7,5,3,1]T，对得到的评判结果向量进行简化处理，得到直观的评判结果，即引入锚杆钻机综合性能等级系数

根据MT/T 688等相关标准，结合专家经验，确定各气动锚杆钻机综合性能等级分级标准，如表1所示，将评判等级标准划分为A级、B级、C级、D级。

表1 等级评判标准

3 工程实例验证

本文以某企业生产的MQT-130/3.2型锚杆钻机对建立的综合性能评判模型进行验证分析。根据《煤矿用锚杆钻机通用技术条件》等相关行业标准规范，以0.5 MPa供气压力下各参数作为验收参数，评判因子取值以及评判模型分级标准取值、因子权重取值如表2、表3所示。经计算得出σ=5.6，对照表1气动锚杆钻机综合性能等级评判标准，判定该产品为B级，与现场使用情况相符合。

表2 各评判因子值及其标准值

表3 评判因子值权重

4 结语

气动锚杆钻机在煤矿井下应用广泛，为对气动锚杆钻机的综合性能进行评价，本文分析提出了安全特性、能效、可靠性能等评价指标，基于模糊综合评判法建立了评价模型，并通过工程实例验证了该模型可作为煤矿用户的选型工具。

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