第一节   国内外锚喷支护机具发展概况

一、国内外锚杆钻机发展概况

1．国外锚杆钻机发展概况
    二十世纪四十年代，国外已将锚杆支护技术应用于巷道支护工程。锚杆钻机作为锚杆支护的主要施工机具，从锚杆支护技术诞生的第一天起，就成为该项技术发展的重点。经过六十多年的研究与攻关，锚杆钻机已从当初的功能单一、技术含量低、可靠性、安全性差、体积笨重发展到今天的功能齐全、性能优良、可靠性、安全性好、自动化水平高的新型钻机。
    40年代，国外在锚杆支护施工中采用普通凿岩机械钻凿锚杆孔，人工安装锚杆，用扳手拧紧螺母。到50年代初，美国、瑞典等西方国家已广泛应用伸缩式气动凿岩机钻凿顶板锚杆孔，同时，美国已研制成功钻车式锚杆钻机并在支护工程中推广使用。国外仅用了10年左右时间就实现了锚杆支护的机械化。50年代末，随着锚杆支护理论及设计方法的不断完善，英国等国家率先将锚杆支护技术应用于煤矿巷道支护。为适应煤矿巷道断面积较小的特点，英国、波兰等国研制开发了单体电动回转式锚杆钻机（维克托型、伯伍德型）、单体液压回转式锚杆钻机。
    70年代，为适应大断面巷道锚杆支护快速施工，美国英格索兰、法国赛克马、瑞典阿特拉斯等凿岩设备公司陆续推出了功能多、机械化程度高的台车式锚杆钻装机，该类钻机既能钻锚杆孔，又能安装锚杆，基本实现了锚杆孔施工、锚杆安装的机械化。80年代至90年代，澳大利亚克莱姆公司、阿明科公司、法福来公司、眼镜王蛇采矿设备公司轻型支腿式气动锚杆钻机研制成功并在澳大利亚、英国、中国、波兰、印度等国的煤矿得到广泛应用，该型锚杆钻机切削岩石的动力采用齿轮式风马达或柱塞式风马达，推进支腿用高强度玻璃纤维和炭素纤维缠绕而成。具有动力单一（压气）、重量轻（40～50kg），输出转矩大的特点，不仅用于锚杆、锚索孔的施工，还可用于搅拌树脂锚杆和拧紧螺母，是当前世界单体锚杆钻机的主要机型。
    90年代，当澳大利亚各大采矿设备公司推出轻型单体锚杆钻机的同时，美国的杰弗里公司、乔伊公司、英国的安德森公司、奥地利的奥钢铁公司等又相继研制了与连续式采煤机、掘进机相配套的机载式锚杆钻装机，如图8-1、图8-2所示，实现了采掘和锚杆支护的平行作业。新一代的锚杆钻装机不仅采用了新设计、新材料、新工艺，而且应用了计算机控制技术，使锚杆施工实现了高度的机械化、智能化，锚杆钻机的性能更先进，使用更方便，施工更安全。
        
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          1-截割臂 2-边帮锚杆钻机 3-顶板锚杆钻机 4-转载机
               图8-1  MRH-S220M掘进机及机载锚杆钻机
        
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         1-截割臂 2-机载锚杆钻机 3-S220M掘进机
          图8-2  LH-1300掘进机及机载锚杆钻机
    国外六十多年的锚杆钻装设备的发展历程可概括以下几个特点：
　　（1）国外锚杆钻机的发展始终与锚杆支护理论的不断完善与发展紧密相联，相互依存，相互促进。
　　（2）国外锚杆钻机的研究十分注重新材料、新工艺、新技术的应用，开发的每一代产品都能代表当时的世界领先水平。
　　（3）国外锚杆钻机的研究与开发十分注重国情，且品种多、功能全、可靠性好、适应性强。

2．我国锚杆钻机的发展概况

    我国将锚杆支护技术应用于巷道支护比国外落后了10多年，我国煤炭系统于1955年开始试用锚杆支护巷道围岩。60年代，锚杆支护开始进入采区。由于支护理论、设计方法、支护材料、施工机具、监测手段等还不够完善，影响了煤矿巷道锚杆支护技术的发展及锚杆钻机的研究与开发。60年代，煤科总院上海分院在引进英国维克托电动锚杆钻机的基础上，研制了FB－1、4FB、6FB系列电动锚杆钻机（俗称猴子爬杆钻机）（如图8-3所示），该系列钻机采用1.2kW煤电钻作动力，推进机构采用丝杆-螺母-齿轮-齿条形式、干式钻孔，袋式捕尘器捕尘。大同矿务局也参照维克托钻机研制了EZ－1.2型电动放顶钻机。该类钻机由于转矩小，传动可靠性差、干式钻孔粉尘大、机体笨重、安全性差等原因未被推广使用。
        
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        1-防爆电机 2-减速器 3-钻杆 4-袋式捕尘器 5-钻头 6-支撑杆 7-手把
          图8-3  FB－1电动锚杆钻机结构简图
    70年代，锚喷支护技术在煤矿井巷支护中得到进一步发展，1977年～1978年两年，锚喷支护井巷2200km，超过1956年至1976年20年锚喷支护井巷的总和（1800km），锚喷支护技术的发展推动了锚杆钻机的研究与开发。70年代初，天水风动工具厂、沈阳风动工具厂、浙江衡州煤机厂分别研制成功7655型、ZY－24型、YT－24型支腿式气动凿岩机（见图8-4）。在岩巷施工中，该型钻机既能钻凿迎头炮孔，又能钻凿巷道周边锚杆孔和部分顶部锚杆孔，而且钻机重量轻、动力单一、钻孔速度快。但由于凿岩机结构设计缺陷，不能垂直打顶部锚杆孔。“八五”～“九五”期间，针对7655存在的上述问题，浙江衡州煤机厂研制了7665MZ、ZY24M系列双级气腿式凿岩机，该系列钻机不仅实现全方位钻孔，而且解决了长期以来困扰矿山巷道锚杆孔与顶板面垂直度难以达标的问题。同时，7665MZ突破了凿岩机只能反转的惯例，实现了正转，配以附具可以搅拌和安装树脂锚杆。该机不仅可用于岩巷，也可用于煤巷锚杆施工，实现了巷道掘进支护作业机具单一化。
        
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        1-钎子   2-凿岩机   3-连接轴   4-气腿
          图8-4 气腿凿岩机推进及支承原理示意图
    70年代初，我国煤矿8～14m2的岩巷砂浆锚杆使用率达到40%，1974年～1976年，煤科总院北京建井研究所研制了我国第一台能安装砂浆锚杆的锚杆钻车——MGJ－1型（见图8-5）。该钻车采用2kW电动回转钻钻孔，行走由液压马达驱动。钻车既能钻锚杆孔，又能安装砂桨锚杆。1979年～1981年，建井所在MGJ－1型钻车的基础上研制了CGM40型全液压锚杆钻车，该机采用YYG10型液压回转钻钻孔，效率较MGJ－1型提高了20%。1980年，煤科总院南京研究所在引进、消化瑞典阿里马克公司生产的BV系列钻机的基础上，研制了适于4.7～8㎡巷道的YMJ－1型小断面岩巷锚杆钻车（见图8-6）
。该机采用YGP－28型风动凿岩机钻孔，与铲斗式装岩机配套使用，紧跟迎头钻全方位锚杆孔。1982年～1983年，浙江温州煤机厂研制了适于4.7～8㎡巷道使用的YM－26型液压锚杆钻车。MGJ－1型、CGM40型、YMJ－1型、YM－26型锚杆钻机具有钻孔速度快、机械化水平较高、操作安全、可靠等特点，但体积较大，主要用于岩巷锚杆施工并与铲斗式装岩机或侧卸式装岩机配套使用。1983年以后，我国煤矿掘进巷道装岩配套设备大力推广使用只进不退的电动耙斗装岩机，台车式钻机无法进入掘进工作面作业，使台车式锚杆钻机的使用受到一定的限制。
        
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        图8-5  MGJ－1型锚杆钻车结构简图
        
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        图8-6  YMJ－1型小断面岩巷锚杆钻车
　　80年代初，随着锚喷支护技术的不断成熟，特别是快凝水泥锚固剂、树脂锚固剂的研制成功及推广应用，为煤巷锚杆支护技术的推广提供了条件。但当时真正用于钻凿煤巷顶板、边帮锚杆孔的钻机仍为空白。研制适应于煤巷锚杆支护的钻孔机具成为当时攻关的重点。
　　1982年～1984年，煤科总院南京研究所与苏州煤矿机械厂研制了我国第一代MZ－Ⅰ型、MZ－Ⅱ型单体导轨式液压锚杆钻机。1987年，煤科总院上海分院在MZ－Ⅱ型基础上研制了MZ－Ⅲ型。为实现单体液压锚杆钻机轻型化，1985年至今，煤科总院南京研究所、江苏建湖工矿机具厂、江苏江阴矿山器材厂、石家庄中煤支护设备厂、河北正定煤机厂又相继推出了QYM型、MYT100型、MYT115型支腿式液压锚杆钻机。
　　1989年～1998年，煤科总院南京研究所在研制单体液压锚杆钻机的同时，又相继开发了HMD15、HMD22、SDZ22、MDT3F型系列电动锚杆钻机及ZDR20型软岩电动锚杆钻机，煤科总院上海分院研制了MDS－3型电动锚杆钻机。电动锚杆钻机动力单一、效率高、无污染。液压锚杆钻机转矩大、转速和转矩可调，机械特性好。单体液压锚杆钻机、单体电动锚杆钻机的研制成功，为煤巷锚杆支护技术的推广发挥了积极作用。
　　80年代初，澳大利亚气动单体回转式锚杆钻机研制成功并开始在澳大利亚、英国煤矿广为应用。1986年，原煤炭部从澳大利亚阿明科（ALMINCO）公司、阿特拉斯分公司引进FMC系列（齿轮式气马达）、ZQM、M10系列（叶片式气马达）三种型号的气动锚杆钻机并定点石家庄煤机厂、华东机械厂、浙江衡州煤机厂仿制并国产化。由于性能及可靠性等方面存在一些问题，加之当时煤矿煤巷无压风管路，致使该产品到1995年也未得到推广应用。
　　1995年，原煤炭部将推广煤巷锚网支护技术列为“九五”煤炭工业科技攻关的重点。据统计，1996年～1998年，国有重点煤矿分别从澳大利亚克莱姆公司、法福来公司、阿明科公司、眼镜王蛇公司引进齿轮式、柱塞式气动锚杆钻机1000多台，且取得良好的使用效果。但澳大利亚气动锚杆钻机价格高（6～7万元/台），且零部件供应不及时，影响了钻机的正常使用。1998年以来，我国煤矿科研院所与江阴矿山器材厂、石家庄中煤支护设备厂、石家庄煤机厂、圣奥支护设备有限公司合作，在吸收国外先进技术的基础上，研究开发了MQT -50、MQT-55、MQT-70、MQT-85、MQT-90、MQT-110、MQT-120系列气动顶板锚杆、锚索钻机，MQB－45、MQB－35、MBQT－50系列帮锚杆钻机，现国产钻机年产已达7000多台，基本满足国内市场的需求，其价格仅为国外钻机的1/3，性能达到90年代国际水平，澳大利亚产品也相继退出中国市场。国产系列气动锚杆钻机的批量生产，促进了我国煤矿煤巷锚网支护技术的跨越式发展。
    “七五”以来，国有重点煤矿综掘机械化水平不断提高，但采用锚杆支护的综掘巷道月进尺始终在300m左右。其原因是，采用锚网支护的综掘巷道大都是用单体气动或单体液压锚杆钻机与掘进机配套，这种配套方法机械化程度低、劳动强度大、安全性差、速度慢。“八五”以来，煤科总院上海分院、煤科总院南京研究所都进行了掘进机机载式锚杆钻机的研究、试验，取得了部分成果，积累了不少经验，但由于多方面的因素，至今仍未推广应用。煤科总院南京研究所研制的JMZ型、MYJ型机载锚杆钻机见图8-7； 图8- 8。
        
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         掘锚联合机组组成：A-掘进机 B-机载锚杆钻机 C-联合组件  
         机载锚杆钻机组成：   1-滑道   2-滑台   3-主臂   4-钻架
            图8-7   JMZ机载锚杆钻机及配套示意
        
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         A-掘进机  B-机载锚杆钻装机  C-联接组件  a-滑道  b-滑台  c-钻臂  d-钻架
            图8-8   MYJ机载锚杆钻机及配套示意
      40多年来，我国锚杆钻机从无到有，从单一品种到多品种，从单一动力到多种动力，基本形成了具有我国特色的锚杆钻机系列产品。回顾我国锚杆钻机产品的发展历程（见表8-1），有以下特点：
　　1）国产锚杆钻机研究开发与我国锚杆支护技术同步发展。
　　2）我国锚杆钻机的开发大部分是在引进国外产品，消化、吸收国外技术的基础上研制的。
3）国产锚杆钻机技术含量、新材料应用、加工工艺、可靠性都与国外同类产品有一定差距。
4）国产单体锚杆钻机的发展速度较快，台车型、机载型、掘锚一体化机组发展较慢。

表8-1　我国锚杆钻机研制历程汇总

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二、国内外混凝土喷射机发展概况

1、国外混凝土喷射机的发展概况

    喷射混凝土技术在煤矿井巷工程中的应用是煤矿井巷支护技术、设计理念和施工方法的一次重要变革。20世纪初，美国、德国开始应用喷射水泥、砂浆支护巷道。1907年，美国科学家卡尔·阿克明发明了世界上第一台单罐式混凝土喷射机，1915年，美国S·W特勃罗尔设计了第一台双罐式砼喷射机（见图8-9）。上世纪50年代，瑞士阿里瓦（Aliva）公司研制了世界上第一台直筒转子式干式混凝土喷射机。60年代，美国里德公司发明了“U”型料腔转子式干式喷射机。随着喷射混凝土技术的发展，为从根本上降低干式喷射、潮式喷射时的粉尘和回弹，提高喷射混凝土质量，70年代美国的理德公司、艾姆科公司、瑞士阿里瓦、德国的USI公司、瑞典斯特比雷托公司、日本三井三池公司开始研制湿式喷射机，有活塞泵式、螺杆泵式、挤压泵式等型式。80年代，国外已逐渐淘汰干式、潮式喷射机，开始推广应用各种型式的湿式混凝土喷射机。特别是90年代，国外大量推广应用集上料、搅拌、输送、速凝剂及钢纤维自动添加、机械手喷射功能为一体的混凝土喷射机组。

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    图8-9  国外第一台双罐式混凝土喷射机结构示意图

　　国外混凝土喷射机经历了近百年的发展，已从结构简单、功能单一、喷射质量差的罐式喷射机发展为具有上料、配料、搅拌、外加剂添加与输送、喷射为一体，具有智能控制水平的湿式混凝土喷射机组。

2、我国混凝土喷射机的发展概况

    我国混凝土喷射技术起步较晚，二十世纪60年代，我国开始从国外引进混凝土喷射技术并在岩巷进行试验。1965年，我国研制出第一台喷浆机——冶建（65）双罐式（见图8-10）。二十世纪60年代，我国引进瑞士阿里瓦公司Aliva-300型转子式干喷机，进而研制成功转子Ⅰ型（直通式）干喷机。二十世纪70年代～80年代，我国引进美国里德公司转子型（上出料）喷射机，在此基础上研制成功转子Ⅱ型（U型料腔）干式喷射机及转子Ⅳ型轻型干式喷射机。二十世纪80年代～90年代，我国煤炭、冶金及地下工程巷道大力推广光爆锚喷支护技术。同时，将降低粉尘、减少回弹、提高喷射混凝土强度列为“七五”科技攻关项目之一。“七五”至“八五”期间，我国研制开发了多种型号的潮喷机、湿喷机。1989年，煤科总院南京研究所研制成功防粘料U型料腔及第一台潮式混凝土喷射机HPC－Ⅴ型。1981年～1992年煤科总院南京研究所研制成功挤压泵式湿式混凝土喷射机，1992年河南煤研所研制成功PZ－5型（直通料腔）潮喷机。“八五”至“九五”期间，煤科总院南京研究所研制了具有上料、搅拌、输送、喷射为一体的潮式混凝土喷射机及混凝土喷射后配套装置——液压抓斗上料机（见图8-11）。“九五”期间，成都岩峰公司研制成功TK－961型转子式湿式混凝土喷射机，2002年，煤科总院南京研究所又研制成功HPC6型潮式混凝土喷射机。
    
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    图8-10  国内第一台双罐式混凝土喷射机结构简图

    
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    图8-11 液压抓斗上料机
    40多年来，我国混凝土喷射机在引进国外产品及技术的基础上，结合国情，先后研制开发了四大类十多种结构形式的混凝土喷射机，为我国喷射混凝土技术的发展发挥了巨大的作用。

二节 锚杆钻机
一、锚杆钻机的分类

　　国内外锚杆钻机的型式、品种很多，针对国内外锚杆支护设备状况，按照不同结构、不同动力、不同破岩方式，对锚杆钻机进行分类。
　　按结构型式分，有单体式、钻车式和机载式三大类；单体式又可分导轨式和支腿式两种。
　　按动力形式分，有电动、液压和气动三大类。
　　按破岩方式分，有回转式、冲击式、冲击—回转式及回转—冲击式四大类。

二、锚杆钻机破岩机理

      目前，国内外锚杆钻机的破岩方式不外乎二种：一种为旋转切削破岩，该破岩方式一般应用于岩石坚硬性系数f≤8的岩层；另一种为冲击—旋转破岩，该破岩方式一般应用于岩石坚硬系数f≥8的围岩。
1.回转式钻机破岩机理
      回转式钻机破岩是采用多刃切削钻头回转切削岩石，在岩石上形成圆形岩孔。旋转切削破岩必须具备以下条件：
      ①钻机具有一定的转矩，以克服钻头切削时的阻力矩；
      ②钻机具有一定的输出转速，带动钻杆、钻头旋转；
      ③对钻机要施加一定的轴向推力，即对钻头施加一定的正压力，实现钻头切削的进给。
2.冲击—回转式钻机破岩机理
      冲击—回转式钻机的破岩机理为：凿岩钎头在冲击应力波的作用下，以一定的冲击频率将钎头刃面下的局部岩体表面凿碎，钎头作冲击运动的同时作回转运动，使钎头在孔中360°范围内凿碎岩石。7655、ZY24支腿式气动凿岩机就属于冲击—回转式钻机。
冲击—回转破岩必须具备以下条件：
      ①凿岩机具有一定的冲击功，冲击频率；
      ②凿岩机输出轴在作冲击直线运动的同时能实现360°旋转；
      ③给凿岩机施加一定的轴向推力。
      从破岩机理可见，两种破岩方式截然不同。旋转式破岩一般用于煤巷半煤岩巷顶板较软的巷道中钻锚杆孔（一般岩石坚固性系数f﹤8），而冲击—旋转式破岩则用于顶板岩石较硬的岩石巷道中凿孔（一般岩石坚固性系数f≥8）。

三、回转式锚杆钻机钻削性能分析

      煤矿煤巷锚杆支护一般采用旋转式锚杆钻机钻孔。回转式锚杆钻机的工作特性就是指钻机在转矩、推力、转速作用下，钻削破岩的性能及适应负载强度变化的能力。多年的实践证明：钻机性能的好坏，直接影响到钻孔速度、钻孔质量。当岩石条件一定时，钻机钻孔速度的快慢，主要取决于钻机的输出转矩、转速、推进力的大小以及三者之间的匹配关系。
1.转矩和转速的关系
      旋转切削破岩时，钻机必须克服旋转阻力才能够完成钻孔。岩石的抗压强度越大，旋转破岩所需的转矩也越大。因此，转矩是保证钻机钻孔的基本性能参数。由岩石破碎学可知，岩石是不均质介质，特别是煤矿岩层性质多变，且节理发育，钻机在钻削破碎岩层的过程中，阻力矩是极不稳定的。根据对煤矿井下岩石钻孔时的实际测量和试验室试验，其阻力矩的峰值一般为额定值的2.5倍（见图8-12），也就是说，钻机必须具有一定的过载能力，如果钻机的过载能力不足以克服最大阻力矩时，将导致钻机“卡钻”。因此，转矩是钻机的一个很关键的性能指标。试验表明，在保证一定的转矩条件下，适当提高转速可以提高钻进速度，但转矩和转速保持良好的匹配关系是提高钻机钻进速度的关键。不同动力形式的锚杆钻机，其转矩—转速特性各不同。当钻机阻力矩变化而转速基本不变，这种转矩—转速特性称为“硬特性”；当钻机阻力矩变化，转速随之变化，这种转矩—转速特性则称之为“软特性”，在机械中通常将这种转矩-转速特性叫做“机械特性”。现就回转式电动、液压、气动锚杆钻机的机械特性进行分析，以便正确的选择锚杆钻机。

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图8-12 岩孔钻进阻力矩变化曲线

1.1电动锚杆钻机的机械特性
      电动锚杆钻机是以电动机为动力，其转矩为：

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式中：T —— 锚杆钻机额定转矩，N·m；
　　　TD —— 电动机转矩，N·m；
　　　 i —— 减速箱传动比；
　　   η —— 传动效率。
由上式可知，当电动机的功率和传动比确定以后，电动锚杆钻机钻孔时，在一定的推力作用下，输出转矩接近额定转矩，而转速变化不大，因此电动锚杆钻机的输出转矩与转速呈“硬特性”关系（见图8-13）。在合适的岩石条件下有较好的钻进效果。若岩石阻力超过锚杆钻机最大转矩时,钻机往往会卡钻停止回转.为避免电动锚杆钻机的转矩—转速“硬特性”给钻削岩石带来的不利影响，在设计电动锚杆钻机时，一般将过载转矩设计为大于额定转矩的2.5倍，计算公式见（8-2）

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图8-13  电动锚杆钻机转矩-转速特性曲线
即:

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式中：TM* —— 锚杆钻机最大转矩倍数;
　　　TM   —— 锚杆钻机最大转矩;
　　　 T  —— 锚杆钻机额定转矩。
      目前，国产电动锚杆钻机最大转矩倍数TM* ≥ 3.5倍，完全满足岩石坚硬性系数f﹤8岩层中钻孔。
1.2液压锚杆钻机的机械特性
      液压锚杆钻机是以具有一定工作压力的工作液为动力，驱动液压马达带动回转机构钻削锚杆孔。液压锚杆钻机的输出转矩主要取决于液压系统工作压力，而工作压力的大小主要取决于负载的阻力，转速取决于流量大小。计算公式见（8-3）；（8-4）。

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式中：Tz  —— 锚杆钻机转矩，N·m；
　　　△p —— 液压马达进出口压力差，MPa；
        q0  —— 液压马达排量，mL/r；
         i  —— 回转机构传动比；
        ηm   —— 液压马达机械效率；
         ηc   —— 回转机构机械效率。

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　式中：　nz —— 锚杆钻机转速，r/min；
　　　　　　Q —— 工作液流量，L/min；
　　　　　　q0 —— 液压马达排量，mL/r；
　　　　　　ηv—— 液压马达容积效率；
　　　　　　 i —— 回转机械传动比。
      根据液压传动的工作原理分析，当额定工作压力确定后，液压锚杆钻机钻削破岩时，其系统实际工作压力随负载阻力的变化而变化。当岩石强度增大，钻机工作阻力增大，工作压力随之增加。钻机的输出转矩及推力增加，破岩的能力提高，使液压锚杆钻机保持良好的钻削岩石的性能。当钻进阻力过大，系统工作压力超过额定压力时，液压系统中的溢流阀将自动卸压，保证钻机不会因过载而损坏。从(图8-14)可见，液压锚杆钻机转矩—转速为软特性。其转矩、推力、转速能随工作负载的变化，实现较合理的匹配，使液压锚杆钻机始终保持良好的钻削性能和较快的钻进速度。