煤矿井下巷道掘进与支护技术及装备

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关键词：摇臂式掘进机；掘锚平行作业；运锚机

引言

“十二五”期间，我国开展了巷道快速掘进技术的研究工作，在掘进技术与装备方面取得了一定的进步，但是综掘工作面机械化程度远低于综采工作面，采掘失衡严重，仍存在掘进速度慢、自动化程度低等问题，不能实现掘锚平行作业。掘进工艺复杂，生产效率低，工人劳动强度大，作业人员多；装备集成度低，配套设备复杂；锚护作业时间占总掘进循环50％以上，掘锚一体化程度低，制约了掘进机效能的发挥；发展重点集中于单台套设备，综掘工作面掘、探、锚同步作业技术与装备的研究还比较少，因此当前掘进装备不能完全满足煤炭安全高效生产的需求。

1掘进与支护同步作业工艺

传统的掘进巷道作业线以悬臂式掘进机为主，掘进和锚护交替作业，无法形成有效的流水线作业，掘锚不能平行作业。本文提出了以摇臂式掘进机为龙头，配套料斗式运锚机、带式可调速转载机、自适应迈步自移机尾、除尘系统，有机组成、相互配合、相互衔接的作业线，如图1所示。摇臂式掘进机在截割煤岩壁的同时，利用机载的2台液压锚杆钻机进行顶锚杆支护，而且固定在机身的临时支护装置可对顶板起到一定的支护作用，由于截割部可以伸缩，因此掘进机的各个工序互不干涉。摇臂式掘进机后面配套运锚机，运锚机可以对摇臂式掘进机未打的所有锚杆及锚索进行补打，同时进行物料的转运。由料斗式运锚机输送物料到带式转载机，转载机的高度可进行自动调节，可适应不同的坡度，且在摇臂式掘进机截割、摆动过程中左右随动，转载机的料斗可以左右伸缩，以防止漏料。迈步式自移机尾具有自动移动功能，移动距离可实现自动控制，可提高收放输送带的效率；输送系统各组成设备具有协同运动功能和根据截割量的大小自适应调整运输速度的功能。除尘系统安装在迈步自移机尾上，对整个巷道的粉尘进行处理。另外通过提高锚杆的支护强度，降低锚杆支护密度，提高支护效率，进而加快单机成巷速度。

2掘进与支护成套装备

（1）摇臂式掘进机摇臂式掘进机由截割部、铲板、刮板输送机、滑移机架、机身稳定机构、锚杆机、临时支护、除尘风筒等组成，如图2所示。该机最大的优点是在截割机构进刀截割的同时，在滑移机架的作用下，集成在机身上的液压锚杆钻机可进行不同位置锚杆的打设。钻机可以进行升降、左右移动和旋转动作，进行迎头不同位置锚杆的打设。机身布置锚杆钻机的操作平台，操作维护方便。机身顶部的除尘风筒可将工作面产生的粉尘通过后部的除尘系统吸走，降低了粉尘对锚杆机作业工人视线的影响。掘进作业过程中，机组振动比较大，出现截割振动与锚杆钻机打孔振动的相互干扰问题。如果干扰严重，锚杆钻机将无法正常工作，为了避免工作过程中振动太大，在设备的前、后方设置稳定机构，承受设备截割和锚杆打孔、安装作业时产生的振动力和反力。此外，在截割较大宽度巷道时，固定宽度的装载机构将无法一次完成物料的装运工作，需要在锚杆支护完成后调动机器完成剩余物料的装运，造成效率下降，因此设计了新型扇形伸缩铲板机构。该铲板机构在作业时将伸缩装置打开，形成与巷道同宽的铲板，达到物料一次性装载转运；当机组调动时，伸缩装置缩回，方便调车行走。

（2）料斗式运锚机料斗式运锚机主要由钻臂工作机构、料斗、机架、钻架、左行走机构、右行走机构、升降作业平台、电气系统、液压系统、水系统、锚杆仓组、刮板输送机组成，如图3所示。主要用途为补打摇臂式掘进机未打的锚杆和物料转运。钻臂工作机构能够对掘进巷道提供快速有效的锚护，主要由钻机、升降体、滑轨、钻机横移油缸、横梁、升降基体、钻机回转油缸、联接基座、钻机升降油缸、旋转结构组成，通过联接基座安装在料斗式运锚机前部，工作时，根据钻机锚护位置的不同，通过滑轨伸缩实现钻机的横向移动，通过旋转结构来实现钻机的旋转运动，通过升降体实现钻机的上下升降功能。钻机横移、回转和升降由油缸协同动作，实现钻机工作位置的调整，满足巷道截面不同位置安装锚杆的需要。

（3）带式可调速转载机及自适应迈步自移机尾带式可调速转载机搭接在料斗式运锚机和自适应迈步自移机尾之间，主要由行走小车、机头部、大跨度机架和机尾部组成。通过大跨距桥接实现大搭接行程，以减少生产中延伸输送带的次数，从而提高巷道的掘进速度。巷道掘进过程中，断层较多时，底板的纵向起伏、急剧变坡工况较多，带式转载机在整体被拉移过程中，为避免刚性架迈步自移机尾和刚性架最高点与顶板干涉碰撞，影响转载机的机身姿态，采取红外测距识别系统测量与迈步机尾的距离，自动调节刚性架的高度，实现机身姿态智能控制。转载装置采用电动滚筒驱动输送带的方式对物料进行转运，实现节能高效的物料运输；控制系统采用变频调速，与锚杆转载机组刮板启停、运量进行耦合，实现转载功能智能调速、绿色节能。自适应迈步自移机尾具有长距离整体快速迈步移动、同步举升轨迹自适应等功能，可满足掘进工作面移动机尾1次/d的要求，能减少复杂地质条件下辅助作业时间，提高巷道掘进速度。

3掘进与支护同步作业自动化技术

摇臂式掘进机重量重、外形尺寸大，整机除具有悬臂式掘进机功能外，还具有机载钻臂、临时支护系统以及除尘系统，各部分的控制子系统组成成套装备的自动控制系统。电控系统和操作系统是摇臂式掘进机电控系统的核心，控制系统采用防护等级为IP67的专用控制器，环境适应性强、性能稳定可靠、维修方便。采用小体积操作箱，操作灵活、安全可靠。电控箱和操作箱采用RS485通信方式实现数据的实时传输，电控箱显示屏与操作箱液晶屏配合显示整机的状态信息和故障信息。整个电控系统具有保护参数设置、故障诊断、故障记忆、故障查询和遥控操作等功能。

（1）自主导航技术从掘进机环境识别、掘进精准导控和智能纠偏等多角度出发，规划巷道环境下的摇臂式掘进机路径。采用精确位姿参数、关键控制参数、核心环境参数智能感知方法，搭建关键参数测量的精准测控及标定系统，综合利用掘进机机载超声测障、激光测距、红外测边界、雷达测断面等参数测量方法构建感知平台，实现掘进机空间位姿、掘进中线感知与建模。利用倾斜巷道内复杂底板掘进机自主纠偏原理及实现方法，设计动态多目标进化优化方法，求解建立的控制系统模型，生成满足履带调整约束的纠偏策略及控制参数，提出基于多缸同步控制的掘进机俯仰位姿非连续控制方法，进行位姿参数、决策参数、控制参数为依据的掘进过程精准导控实验验证及远程操控。

（2）自适应截割技术自适应截割技术采用截割岩石动载荷特征提取及识别技术、截割工况识别和智能决策技术、截割转速交流变频调速控制技术、负载压力反馈截割牵引调速控制等技术。利用神经网络、专家系统等人工智能决策手段，使摇臂式掘进机可以根据实际地质条件自适应调整截割速度，使截割机构的工作状态与当前煤岩硬度相匹配，同时优化截割作业过程，达到有效降低截齿消耗及提高截割效率。在液压系统、电气控制系统、运动部件上安装了大量的传感器，实时监测机器状态。

（3）工况检测及故障诊断技术通过微型电子计算机进行数据采集、处理显示、传输控制、健康监控、故障诊断查找等。各种传感器信号通过可编程逻辑控制器处理，控制和显示各种运行工况，并在发生故障的情况下使电控箱内的开关装置动作，关断各电动机。能实现推进方向和断面监控、电机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断等机电一体化功能。电控系统有完善的保护和监控装置，还可以分析掘进机的常见故障，并建立一套基于振动量的故障诊断和预知维修局域网系统，实现对轴、传动齿轮箱等关键零部件的振动加速度、转速等信号进行实时采集与监测，定时给出运行状态报表和趋势分析，在发生异常时报警并存储故障数据。此外，作为重要组成部分的液压系统、钻锚系统、喷雾及除尘系统的工况监测与故障诊断也可建立相应的维修决策专家系统。

4结语

针对煤矿巷道掘进速度慢、不能实现掘锚平行作业、自动化程度低等问题，提出了以摇臂式掘进机为龙头的掘进与支护同步作业工艺，将摇臂式掘进机的掘装功能与钻机的锚护功能有机结合在一起，并配套料斗式运锚机、带式可调速转载机、自适应迈步自移机尾、除尘系统，形成一套效率高、相互配合、连续均衡生产、完整的快速掘进系统，实现掘锚平行作业及自动控制，为煤矿巷道快速掘进的研究与应用提供一定的技术与装备支持。

参考文献：

［1］王虹.我国综合机械化掘进技术发展40a［J］.煤炭学报，2010,35(11):1815-1820.

［2］王学成.我国煤矿巷道快速掘进技术与装备发展现状［J］.煤矿机械,2017,38(6):1-3.

［3］闫魏锋,石亮.我国煤巷掘进技术与装备发展现状［J］.煤矿机械，2018，39(12):1-3.

作者：马昭 单位：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司