煤礦井下巷道掘進與支護技術(shù)及裝備

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關(guān)鍵詞：搖臂式掘進機；掘錨平行作業(yè)；運錨機

引言

“十二五”期間，我國開展了巷道快速掘進技術(shù)的研究工作，在掘進技術(shù)與裝備方面取得了一定的進步，但是綜掘工作面機械化程度遠低于綜采工作面，采掘失衡嚴重，仍存在掘進速度慢、自動化程度低等問題，不能實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。掘進工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，工人勞動強度大，作業(yè)人員多；裝備集成度低，配套設(shè)備復(fù)雜；錨護作業(yè)時間占總掘進循環(huán)50％以上，掘錨一體化程度低，制約了掘進機效能的發(fā)揮；發(fā)展重點集中于單臺套設(shè)備，綜掘工作面掘、探、錨同步作業(yè)技術(shù)與裝備的研究還比較少，因此當(dāng)前掘進裝備不能完全滿足煤炭安全高效生產(chǎn)的需求。

1掘進與支護同步作業(yè)工藝

傳統(tǒng)的掘進巷道作業(yè)線以懸臂式掘進機為主，掘進和錨護交替作業(yè)，無法形成有效的流水線作業(yè)，掘錨不能平行作業(yè)。本文提出了以搖臂式掘進機為龍頭，配套料斗式運錨機、帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機、自適應(yīng)邁步自移機尾、除塵系統(tǒng)，有機組成、相互配合、相互銜接的作業(yè)線，如圖1所示。搖臂式掘進機在截割煤巖壁的同時，利用機載的2臺液壓錨桿鉆機進行頂錨桿支護，而且固定在機身的臨時支護裝置可對頂板起到一定的支護作用，由于截割部可以伸縮，因此掘進機的各個工序互不干涉。搖臂式掘進機后面配套運錨機，運錨機可以對搖臂式掘進機未打的所有錨桿及錨索進行補打，同時進行物料的轉(zhuǎn)運。由料斗式運錨機輸送物料到帶式轉(zhuǎn)載機，轉(zhuǎn)載機的高度可進行自動調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同的坡度，且在搖臂式掘進機截割、擺動過程中左右隨動，轉(zhuǎn)載機的料斗可以左右伸縮，以防止漏料。邁步式自移機尾具有自動移動功能，移動距離可實現(xiàn)自動控制，可提高收放輸送帶的效率；輸送系統(tǒng)各組成設(shè)備具有協(xié)同運動功能和根據(jù)截割量的大小自適應(yīng)調(diào)整運輸速度的功能。除塵系統(tǒng)安裝在邁步自移機尾上，對整個巷道的粉塵進行處理。另外通過提高錨桿的支護強度，降低錨桿支護密度，提高支護效率，進而加快單機成巷速度。

2掘進與支護成套裝備

（1）搖臂式掘進機搖臂式掘進機由截割部、鏟板、刮板輸送機、滑移機架、機身穩(wěn)定機構(gòu)、錨桿機、臨時支護、除塵風(fēng)筒等組成，如圖2所示。該機最大的優(yōu)點是在截割機構(gòu)進刀截割的同時，在滑移機架的作用下，集成在機身上的液壓錨桿鉆機可進行不同位置錨桿的打設(shè)。鉆機可以進行升降、左右移動和旋轉(zhuǎn)動作，進行迎頭不同位置錨桿的打設(shè)。機身布置錨桿鉆機的操作平臺，操作維護方便。機身頂部的除塵風(fēng)筒可將工作面產(chǎn)生的粉塵通過后部的除塵系統(tǒng)吸走，降低了粉塵對錨桿機作業(yè)工人視線的影響。掘進作業(yè)過程中，機組振動比較大，出現(xiàn)截割振動與錨桿鉆機打孔振動的相互干擾問題。如果干擾嚴重，錨桿鉆機將無法正常工作，為了避免工作過程中振動太大，在設(shè)備的前、后方設(shè)置穩(wěn)定機構(gòu)，承受設(shè)備截割和錨桿打孔、安裝作業(yè)時產(chǎn)生的振動力和反力。此外，在截割較大寬度巷道時，固定寬度的裝載機構(gòu)將無法一次完成物料的裝運工作，需要在錨桿支護完成后調(diào)動機器完成剩余物料的裝運，造成效率下降，因此設(shè)計了新型扇形伸縮鏟板機構(gòu)。該鏟板機構(gòu)在作業(yè)時將伸縮裝置打開，形成與巷道同寬的鏟板，達到物料一次性裝載轉(zhuǎn)運；當(dāng)機組調(diào)動時，伸縮裝置縮回，方便調(diào)車行走。

（2）料斗式運錨機料斗式運錨機主要由鉆臂工作機構(gòu)、料斗、機架、鉆架、左行走機構(gòu)、右行走機構(gòu)、升降作業(yè)平臺、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、錨桿倉組、刮板輸送機組成，如圖3所示。主要用途為補打搖臂式掘進機未打的錨桿和物料轉(zhuǎn)運。鉆臂工作機構(gòu)能夠?qū)蜻M巷道提供快速有效的錨護，主要由鉆機、升降體、滑軌、鉆機橫移油缸、橫梁、升降基體、鉆機回轉(zhuǎn)油缸、聯(lián)接基座、鉆機升降油缸、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)組成，通過聯(lián)接基座安裝在料斗式運錨機前部，工作時，根據(jù)鉆機錨護位置的不同，通過滑軌伸縮實現(xiàn)鉆機的橫向移動，通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鉆機的旋轉(zhuǎn)運動，通過升降體實現(xiàn)鉆機的上下升降功能。鉆機橫移、回轉(zhuǎn)和升降由油缸協(xié)同動作，實現(xiàn)鉆機工作位置的調(diào)整，滿足巷道截面不同位置安裝錨桿的需要。

（3）帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機及自適應(yīng)邁步自移機尾帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機搭接在料斗式運錨機和自適應(yīng)邁步自移機尾之間，主要由行走小車、機頭部、大跨度機架和機尾部組成。通過大跨距橋接實現(xiàn)大搭接行程，以減少生產(chǎn)中延伸輸送帶的次數(shù)，從而提高巷道的掘進速度。巷道掘進過程中，斷層較多時，底板的縱向起伏、急劇變坡工況較多，帶式轉(zhuǎn)載機在整體被拉移過程中，為避免剛性架邁步自移機尾和剛性架最高點與頂板干涉碰撞，影響轉(zhuǎn)載機的機身姿態(tài)，采取紅外測距識別系統(tǒng)測量與邁步機尾的距離，自動調(diào)節(jié)剛性架的高度，實現(xiàn)機身姿態(tài)智能控制。轉(zhuǎn)載裝置采用電動滾筒驅(qū)動輸送帶的方式對物料進行轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)節(jié)能高效的物料運輸；控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)速，與錨桿轉(zhuǎn)載機組刮板啟停、運量進行耦合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)載功能智能調(diào)速、綠色節(jié)能。自適應(yīng)邁步自移機尾具有長距離整體快速邁步移動、同步舉升軌跡自適應(yīng)等功能，可滿足掘進工作面移動機尾1次/d的要求，能減少復(fù)雜地質(zhì)條件下輔助作業(yè)時間，提高巷道掘進速度。

3掘進與支護同步作業(yè)自動化技術(shù)

搖臂式掘進機重量重、外形尺寸大，整機除具有懸臂式掘進機功能外，還具有機載鉆臂、臨時支護系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)，各部分的控制子系統(tǒng)組成成套裝備的自動控制系統(tǒng)。電控系統(tǒng)和操作系統(tǒng)是搖臂式掘進機電控系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)采用防護等級為IP67的專用控制器，環(huán)境適應(yīng)性強、性能穩(wěn)定可靠、維修方便。采用小體積操作箱，操作靈活、安全可靠。電控箱和操作箱采用RS485通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，電控箱顯示屏與操作箱液晶屏配合顯示整機的狀態(tài)信息和故障信息。整個電控系統(tǒng)具有保護參數(shù)設(shè)置、故障診斷、故障記憶、故障查詢和遙控操作等功能。

（1）自主導(dǎo)航技術(shù)從掘進機環(huán)境識別、掘進精準導(dǎo)控和智能糾偏等多角度出發(fā)，規(guī)劃巷道環(huán)境下的搖臂式掘進機路徑。采用精確位姿參數(shù)、關(guān)鍵控制參數(shù)、核心環(huán)境參數(shù)智能感知方法，搭建關(guān)鍵參數(shù)測量的精準測控及標定系統(tǒng)，綜合利用掘進機機載超聲測障、激光測距、紅外測邊界、雷達測斷面等參數(shù)測量方法構(gòu)建感知平臺，實現(xiàn)掘進機空間位姿、掘進中線感知與建模。利用傾斜巷道內(nèi)復(fù)雜底板掘進機自主糾偏原理及實現(xiàn)方法，設(shè)計動態(tài)多目標進化優(yōu)化方法，求解建立的控制系統(tǒng)模型，生成滿足履帶調(diào)整約束的糾偏策略及控制參數(shù)，提出基于多缸同步控制的掘進機俯仰位姿非連續(xù)控制方法，進行位姿參數(shù)、決策參數(shù)、控制參數(shù)為依據(jù)的掘進過程精準導(dǎo)控實驗驗證及遠程操控。

（2）自適應(yīng)截割技術(shù)自適應(yīng)截割技術(shù)采用截割巖石動載荷特征提取及識別技術(shù)、截割工況識別和智能決策技術(shù)、截割轉(zhuǎn)速交流變頻調(diào)速控制技術(shù)、負載壓力反饋截割牽引調(diào)速控制等技術(shù)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能決策手段，使搖臂式掘進機可以根據(jù)實際地質(zhì)條件自適應(yīng)調(diào)整截割速度，使截割機構(gòu)的工作狀態(tài)與當(dāng)前煤巖硬度相匹配，同時優(yōu)化截割作業(yè)過程，達到有效降低截齒消耗及提高截割效率。在液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、運動部件上安裝了大量的傳感器，實時監(jiān)測機器狀態(tài)。

（3）工況檢測及故障診斷技術(shù)通過微型電子計算機進行數(shù)據(jù)采集、處理顯示、傳輸控制、健康監(jiān)控、故障診斷查找等。各種傳感器信號通過可編程邏輯控制器處理，控制和顯示各種運行工況，并在發(fā)生故障的情況下使電控箱內(nèi)的開關(guān)裝置動作，關(guān)斷各電動機。能實現(xiàn)推進方向和斷面監(jiān)控、電機功率自動調(diào)節(jié)、離機遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷等機電一體化功能。電控系統(tǒng)有完善的保護和監(jiān)控裝置，還可以分析掘進機的常見故障，并建立一套基于振動量的故障診斷和預(yù)知維修局域網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)對軸、傳動齒輪箱等關(guān)鍵零部件的振動加速度、轉(zhuǎn)速等信號進行實時采集與監(jiān)測，定時給出運行狀態(tài)報表和趨勢分析，在發(fā)生異常時報警并存儲故障數(shù)據(jù)。此外，作為重要組成部分的液壓系統(tǒng)、鉆錨系統(tǒng)、噴霧及除塵系統(tǒng)的工況監(jiān)測與故障診斷也可建立相應(yīng)的維修決策專家系統(tǒng)。

4結(jié)語

針對煤礦巷道掘進速度慢、不能實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、自動化程度低等問題，提出了以搖臂式掘進機為龍頭的掘進與支護同步作業(yè)工藝，將搖臂式掘進機的掘裝功能與鉆機的錨護功能有機結(jié)合在一起，并配套料斗式運錨機、帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機、自適應(yīng)邁步自移機尾、除塵系統(tǒng)，形成一套效率高、相互配合、連續(xù)均衡生產(chǎn)、完整的快速掘進系統(tǒng)，實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)及自動控制，為煤礦巷道快速掘進的研究與應(yīng)用提供一定的技術(shù)與裝備支持。

參考文獻：

［1］王虹.我國綜合機械化掘進技術(shù)發(fā)展40a［J］.煤炭學(xué)報，2010,35(11):1815-1820.

［2］王學(xué)成.我國煤礦巷道快速掘進技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.煤礦機械,2017,38(6):1-3.

［3］閆魏鋒,石亮.我國煤巷掘進技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.煤礦機械，2018，39(12):1-3.

作者：馬昭 單位：中國煤炭科工集團太原研究院有限公司