煤礦井下巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)及裝備

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關(guān)鍵詞：搖臂式掘進(jìn)機(jī)；掘錨平行作業(yè)；運(yùn)錨機(jī)

引言

“十二五”期間，我國(guó)開(kāi)展了巷道快速掘進(jìn)技術(shù)的研究工作，在掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面取得了一定的進(jìn)步，但是綜掘工作面機(jī)械化程度遠(yuǎn)低于綜采工作面，采掘失衡嚴(yán)重，仍存在掘進(jìn)速度慢、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。掘進(jìn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)人員多；裝備集成度低，配套設(shè)備復(fù)雜；錨護(hù)作業(yè)時(shí)間占總掘進(jìn)循環(huán)50％以上，掘錨一體化程度低，制約了掘進(jìn)機(jī)效能的發(fā)揮；發(fā)展重點(diǎn)集中于單臺(tái)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(jìn)裝備不能完全滿足煤炭安全高效生產(chǎn)的需求。

1掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)工藝

傳統(tǒng)的掘進(jìn)巷道作業(yè)線以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，掘進(jìn)和錨護(hù)交替作業(yè)，無(wú)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(jìn)機(jī)為龍頭，配套料斗式運(yùn)錨機(jī)、帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)、自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾、除塵系統(tǒng)，有機(jī)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(jìn)機(jī)在截割煤巖壁的同時(shí)，利用機(jī)載的2臺(tái)液壓錨桿鉆機(jī)進(jìn)行頂錨桿支護(hù)，而且固定在機(jī)身的臨時(shí)支護(hù)裝置可對(duì)頂板起到一定的支護(hù)作用，由于截割部可以伸縮，因此掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)工序互不干涉。搖臂式掘進(jìn)機(jī)后面配套運(yùn)錨機(jī)，運(yùn)錨機(jī)可以對(duì)搖臂式掘進(jìn)機(jī)未打的所有錨桿及錨索進(jìn)行補(bǔ)打，同時(shí)進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)運(yùn)。由料斗式運(yùn)錨機(jī)輸送物料到帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)的高度可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同的坡度，且在搖臂式掘進(jìn)機(jī)截割、擺動(dòng)過(guò)程中左右隨動(dòng)，轉(zhuǎn)載機(jī)的料斗可以左右伸縮，以防止漏料。邁步式自移機(jī)尾具有自動(dòng)移動(dòng)功能，移動(dòng)距離可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yùn)動(dòng)功能和根據(jù)截割量的大小自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)輸速度的功能。除塵系統(tǒng)安裝在邁步自移機(jī)尾上，對(duì)整個(gè)巷道的粉塵進(jìn)行處理。另外通過(guò)提高錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，降低錨桿支護(hù)密度，提高支護(hù)效率，進(jìn)而加快單機(jī)成巷速度。

2掘進(jìn)與支護(hù)成套裝備

（1）搖臂式掘進(jìn)機(jī)搖臂式掘進(jìn)機(jī)由截割部、鏟板、刮板輸送機(jī)、滑移機(jī)架、機(jī)身穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、錨桿機(jī)、臨時(shí)支護(hù)、除塵風(fēng)筒等組成，如圖2所示。該機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是在截割機(jī)構(gòu)進(jìn)刀截割的同時(shí)，在滑移機(jī)架的作用下，集成在機(jī)身上的液壓錨桿鉆機(jī)可進(jìn)行不同位置錨桿的打設(shè)。鉆機(jī)可以進(jìn)行升降、左右移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，進(jìn)行迎頭不同位置錨桿的打設(shè)。機(jī)身布置錨桿鉆機(jī)的操作平臺(tái)，操作維護(hù)方便。機(jī)身頂部的除塵風(fēng)筒可將工作面產(chǎn)生的粉塵通過(guò)后部的除塵系統(tǒng)吸走，降低了粉塵對(duì)錨桿機(jī)作業(yè)工人視線的影響。掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)比較大，出現(xiàn)截割振動(dòng)與錨桿鉆機(jī)打孔振動(dòng)的相互干擾問(wèn)題。如果干擾嚴(yán)重，錨桿鉆機(jī)將無(wú)法正常工作，為了避免工作過(guò)程中振動(dòng)太大，在設(shè)備的前、后方設(shè)置穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，承受設(shè)備截割和錨桿打孔、安裝作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)力和反力。此外，在截割較大寬度巷道時(shí)，固定寬度的裝載機(jī)構(gòu)將無(wú)法一次完成物料的裝運(yùn)工作，需要在錨桿支護(hù)完成后調(diào)動(dòng)機(jī)器完成剩余物料的裝運(yùn)，造成效率下降，因此設(shè)計(jì)了新型扇形伸縮鏟板機(jī)構(gòu)。該鏟板機(jī)構(gòu)在作業(yè)時(shí)將伸縮裝置打開(kāi)，形成與巷道同寬的鏟板，達(dá)到物料一次性裝載轉(zhuǎn)運(yùn)；當(dāng)機(jī)組調(diào)動(dòng)時(shí)，伸縮裝置縮回，方便調(diào)車行走。

（2）料斗式運(yùn)錨機(jī)料斗式運(yùn)錨機(jī)主要由鉆臂工作機(jī)構(gòu)、料斗、機(jī)架、鉆架、左行走機(jī)構(gòu)、右行走機(jī)構(gòu)、升降作業(yè)平臺(tái)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、錨桿倉(cāng)組、刮板輸送機(jī)組成，如圖3所示。主要用途為補(bǔ)打搖臂式掘進(jìn)機(jī)未打的錨桿和物料轉(zhuǎn)運(yùn)。鉆臂工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)蜻M(jìn)巷道提供快速有效的錨護(hù)，主要由鉆機(jī)、升降體、滑軌、鉆機(jī)橫移油缸、橫梁、升降基體、鉆機(jī)回轉(zhuǎn)油缸、聯(lián)接基座、鉆機(jī)升降油缸、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)聯(lián)接基座安裝在料斗式運(yùn)錨機(jī)前部，工作時(shí)，根據(jù)鉆機(jī)錨護(hù)位置的不同，通過(guò)滑軌伸縮實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的橫向移動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)升降體實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的上下升降功能。鉆機(jī)橫移、回轉(zhuǎn)和升降由油缸協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)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(jī)及自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)搭接在料斗式運(yùn)錨機(jī)和自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾之間，主要由行走小車、機(jī)頭部、大跨度機(jī)架和機(jī)尾部組成。通過(guò)大跨距橋接實(shí)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(jìn)速度。巷道掘進(jìn)過(guò)程中，斷層較多時(shí)，底板的縱向起伏、急劇變坡工況較多，帶式轉(zhuǎn)載機(jī)在整體被拉移過(guò)程中，為避免剛性架邁步自移機(jī)尾和剛性架最高點(diǎn)與頂板干涉碰撞，影響轉(zhuǎn)載機(jī)的機(jī)身姿態(tài)，采取紅外測(cè)距識(shí)別系統(tǒng)測(cè)量與邁步機(jī)尾的距離，自動(dòng)調(diào)節(jié)剛性架的高度，實(shí)現(xiàn)機(jī)身姿態(tài)智能控制。轉(zhuǎn)載裝置采用電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶的方式對(duì)物料進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的物料運(yùn)輸；控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)速，與錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組刮板啟停、運(yùn)量進(jìn)行耦合，實(shí)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(jī)尾具有長(zhǎng)距離整體快速邁步移動(dòng)、同步舉升軌跡自適應(yīng)等功能，可滿足掘進(jìn)工作面移動(dòng)機(jī)尾1次/d的要求，能減少?gòu)?fù)雜地質(zhì)條件下輔助作業(yè)時(shí)間，提高巷道掘進(jìn)速度。

3掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)自動(dòng)化技術(shù)

搖臂式掘進(jìn)機(jī)重量重、外形尺寸大，整機(jī)除具有懸臂式掘進(jìn)機(jī)功能外，還具有機(jī)載鉆臂、臨時(shí)支護(hù)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(dòng)控制系統(tǒng)。電控系統(tǒng)和操作系統(tǒng)是搖臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)采用防護(hù)等級(jí)為IP67的專用控制器，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，電控箱顯示屏與操作箱液晶屏配合顯示整機(jī)的狀態(tài)信息和故障信息。整個(gè)電控系統(tǒng)具有保護(hù)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(jìn)機(jī)環(huán)境識(shí)別、掘進(jìn)精準(zhǔn)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(jìn)機(jī)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(cè)量的精準(zhǔn)測(cè)控及標(biāo)定系統(tǒng)，綜合利用掘進(jìn)機(jī)機(jī)載超聲測(cè)障、激光測(cè)距、紅外測(cè)邊界、雷達(dá)測(cè)斷面等參數(shù)測(cè)量方法構(gòu)建感知平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)空間位姿、掘進(jìn)中線感知與建模。利用傾斜巷道內(nèi)復(fù)雜底板掘進(jìn)機(jī)自主糾偏原理及實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)多目標(biāo)進(jìn)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(jìn)機(jī)俯仰位姿非連續(xù)控制方法，進(jìn)行位姿參數(shù)、決策參數(shù)、控制參數(shù)為依據(jù)的掘進(jìn)過(guò)程精準(zhǔn)導(dǎo)控實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及遠(yuǎn)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(dòng)載荷特征提取及識(shí)別技術(shù)、截割工況識(shí)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(fù)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(jìn)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件自適應(yīng)調(diào)整截割速度，使截割機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)與當(dāng)前煤巖硬度相匹配，同時(shí)優(yōu)化截割作業(yè)過(guò)程，達(dá)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(yùn)動(dòng)部件上安裝了大量的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器狀態(tài)。

（3）工況檢測(cè)及故障診斷技術(shù)通過(guò)微型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)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(hào)通過(guò)可編程邏輯控制器處理，控制和顯示各種運(yùn)行工況，并在發(fā)生故障的情況下使電控箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)裝置動(dòng)作，關(guān)斷各電動(dòng)機(jī)。能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)方向和斷面監(jiān)控、電機(jī)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、離機(jī)遙控操作及工況監(jiān)測(cè)和故障診斷等機(jī)電一體化功能。電控系統(tǒng)有完善的保護(hù)和監(jiān)控裝置，還可以分析掘進(jìn)機(jī)的常見(jiàn)故障，并建立一套基于振動(dòng)量的故障診斷和預(yù)知維修局域網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸、傳動(dòng)齒輪箱等關(guān)鍵零部件的振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)速等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，定時(shí)給出運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表和趨勢(shì)分析，在發(fā)生異常時(shí)報(bào)警并存儲(chǔ)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(cè)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(yǔ)

針對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)速度慢、不能實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，提出了以搖臂式掘進(jìn)機(jī)為龍頭的掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)工藝，將搖臂式掘進(jìn)機(jī)的掘裝功能與鉆機(jī)的錨護(hù)功能有機(jī)結(jié)合在一起，并配套料斗式運(yùn)錨機(jī)、帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)、自適應(yīng)邁步自移機(jī)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(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)及自動(dòng)控制，為煤礦巷道快速掘進(jìn)的研究與應(yīng)用提供一定的技術(shù)與裝備支持。

參考文獻(xiàn)：

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

作者：馬昭 單位：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司