煤礦井下巷道掘進與支護技術及裝備

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關鍵詞：搖臂式掘進機；掘錨平行作業；運錨機

引言

“十二五”期間，我國開展了巷道快速掘進技術的研究工作，在掘進技術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，不能實現掘錨平行作業。掘進工藝復雜，生產效率低，工人勞動強度大，作業人員多；裝備集成度低，配套設備復雜；錨護作業時間占總掘進循環50％以上，掘錨一體化程度低，制約了掘進機效能的發揮；發展重點集中于單臺套設備，綜掘工作面掘、探、錨同步作業技術與裝備的研究還比較少，因此當前掘進裝備不能完全滿足煤炭安全高效生產的需求。

1掘進與支護同步作業工藝

傳統的掘進巷道作業線以懸臂式掘進機為主，掘進和錨護交替作業，無法形成有效的流水線作業，掘錨不能平行作業。本文提出了以搖臂式掘進機為龍頭，配套料斗式運錨機、帶式可調速轉載機、自適應邁步自移機尾、除塵系統，有機組成、相互配合、相互銜接的作業線，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，同時進行物料的轉運。由料斗式運錨機輸送物料到帶式轉載機，轉載機的高度可進行自動調節，可適應不同的坡度，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，移動距離可實現自動控制，可提高收放輸送帶的效率；輸送系統各組成設備具有協同運動功能和根據截割量的大小自適應調整運輸速度的功能。除塵系統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、機身穩定機構、錨桿機、臨時支護、除塵風筒等組成，如圖2所示。該機最大的優點是在截割機構進刀截割的同時，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。鉆機可以進行升降、左右移動和旋轉動作，進行迎頭不同位置錨桿的打設。機身布置錨桿鉆機的操作平臺，操作維護方便。機身頂部的除塵風筒可將工作面產生的粉塵通過后部的除塵系統吸走，降低了粉塵對錨桿機作業工人視線的影響。掘進作業過程中，機組振動比較大，出現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，在設備的前、后方設置穩定機構，承受設備截割和錨桿打孔、安裝作業時產生的振動力和反力。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動機器完成剩余物料的裝運，造成效率下降，因此設計了新型扇形伸縮鏟板機構。該鏟板機構在作業時將伸縮裝置打開，形成與巷道同寬的鏟板，達到物料一次性裝載轉運；當機組調動時，伸縮裝置縮回，方便調車行走。

（2）料斗式運錨機料斗式運錨機主要由鉆臂工作機構、料斗、機架、鉆架、左行走機構、右行走機構、升降作業平臺、電氣系統、液壓系統、水系統、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運。鉆臂工作機構能夠對掘進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、鉆機回轉油缸、聯接基座、鉆機升降油缸、旋轉結構組成，通過聯接基座安裝在料斗式運錨機前部，工作時，根據鉆機錨護位置的不同，通過滑軌伸縮實現鉆機的橫向移動，通過旋轉結構來實現鉆機的旋轉運動，通過升降體實現鉆機的上下升降功能。鉆機橫移、回轉和升降由油缸協同動作，實現鉆機工作位置的調整，滿足巷道截面不同位置安裝錨桿的需要。

（3）帶式可調速轉載機及自適應邁步自移機尾帶式可調速轉載機搭接在料斗式運錨機和自適應邁步自移機尾之間，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大搭接行程，以減少生產中延伸輸送帶的次數，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，影響轉載機的機身姿態，采取紅外測距識別系統測量與邁步機尾的距離，自動調節剛性架的高度，實現機身姿態智能控制。轉載裝置采用電動滾筒驅動輸送帶的方式對物料進行轉運，實現節能高效的物料運輸；控制系統采用變頻調速，與錨桿轉載機組刮板啟停、運量進行耦合，實現轉載功能智能調速、綠色節能。自適應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，能減少復雜地質條件下輔助作業時間，提高巷道掘進速度。

3掘進與支護同步作業自動化技術

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、臨時支護系統以及除塵系統，各部分的控制子系統組成成套裝備的自動控制系統。電控系統和操作系統是搖臂式掘進機電控系統的核心，控制系統采用防護等級為IP67的專用控制器，環境適應性強、性能穩定可靠、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通信方式實現數據的實時傳輸，電控箱顯示屏與操作箱液晶屏配合顯示整機的狀態信息和故障信息。整個電控系統具有保護參數設置、故障診斷、故障記憶、故障查詢和遙控操作等功能。

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

（2）自適應截割技術自適應截割技術采用截割巖石動載荷特征提取及識別技術、截割工況識別和智能決策技術、截割轉速交流變頻調速控制技術、負載壓力反饋截割牽引調速控制等技術。利用神經網絡、專家系統等人工智能決策手段，使搖臂式掘進機可以根據實際地質條件自適應調整截割速度，使截割機構的工作狀態與當前煤巖硬度相匹配，同時優化截割作業過程，達到有效降低截齒消耗及提高截割效率。在液壓系統、電氣控制系統、運動部件上安裝了大量的傳感器，實時監測機器狀態。

（3）工況檢測及故障診斷技術通過微型電子計算機進行數據采集、處理顯示、傳輸控制、健康監控、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，并在發生故障的情況下使電控箱內的開關裝置動作，關斷各電動機。能實現推進方向和斷面監控、電機功率自動調節、離機遙控操作及工況監測和故障診斷等機電一體化功能。電控系統有完善的保護和監控裝置，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知維修局域網系統，實現對軸、傳動齒輪箱等關鍵零部件的振動加速度、轉速等信號進行實時采集與監測，定時給出運行狀態報表和趨勢分析，在發生異常時報警并存儲故障數據。此外，作為重要組成部分的液壓系統、鉆錨系統、噴霧及除塵系統的工況監測與故障診斷也可建立相應的維修決策專家系統。

4結語

針對煤礦巷道掘進速度慢、不能實現掘錨平行作業、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合在一起，并配套料斗式運錨機、帶式可調速轉載機、自適應邁步自移機尾、除塵系統，形成一套效率高、相互配合、連續均衡生產、完整的快速掘進系統，實現掘錨平行作業及自動控制，為煤礦巷道快速掘進的研究與應用提供一定的技術與裝備支持。

參考文獻：

［1］王虹.我國綜合機械化掘進技術發展40a［J］.煤炭學報，2010,35(11):1815-1820.

［2］王學成.我國煤礦巷道快速掘進技術與裝備發展現狀［J］.煤礦機械,2017,38(6):1-3.

［3］閆魏鋒,石亮.我國煤巷掘進技術與裝備發展現狀［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