一種新型全斷面煤巷高效掘進機的研究

齊真軍

（山西西山中煤機械制造有限公司， 山西 太原 030000）

1 項目概況

全斷面掘進機是集破巖、巖渣裝運、洞壁支護等功能于一體的一次開挖成洞的施工設備。全斷面掘進機具有快速、優(yōu)質、安全、有利于環(huán)境保護，降低勞動強度及改善工作環(huán)境等特點，可被廣泛用于煤礦、水電、鐵路、公路，地鐵和城市管網(wǎng)以及車事設施等方面的地下工程施工。

當前全斷面掘進機在煤礦中的應用相對較少，多數(shù)設備處在研發(fā)試驗階段，煤炭科學總院上海研究院有限公司研制的全斷面矩形掘進機類型較多。全斷面掘進機的截割機構可一次實現(xiàn)巷道全斷面的截割和推進。從以往的實踐應用來看，全斷面掘進機在煤礦試驗時存在以下問題：一是整機質量大，難以適應煤礦井下軟弱或坡度較大的底板條件；二是全斷面截割時通常存在一定的截割盲區(qū)；三是全斷面推進阻力非常大，當遇到巖石時，往往存在推進不了的情況；四是全斷面截割機構的方向控制困難，容易造成掘進方向偏差；五是斷面截割時掘進迎頭較為封閉，易造成一氧化碳或瓦斯超限。針對以上問題，上海研究院研制又研制了一種帶主、副刀盤、可一次完成矩形全斷面成巷的快速進裝備——MJJ3800×5800 多刀盤矩形全斷面掘進機，該設備在煤礦試驗時有效解決了上述問題，實踐應用效果理想[1-2]。

2 MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機的設計

MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機是一種全新的煤礦掘設備，其有快速、連續(xù)、一次斷面成型以及采、掘、運，支護一體化等特點，可一次性形成5.8 m×3.8 m 的矩形斷面。該掘進機的工作狀態(tài)為封閉式掘進，掘進與支護平行作業(yè)，作業(yè)安全性好，如圖1 所示。

圖1 MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機

該掘進機由矩形截割刀盤以及傳動系統(tǒng)、掘進方向控制系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)以及測量導向系統(tǒng)、通風、冷卻和除塵等系統(tǒng)組成。

截割系統(tǒng)布置5 個刀盤，采用1 大4 小的布局，中間大刀凸出盤在前可以切削出一個Φ3.8 m 的圓形截面，四角的4 個小刀盤跟進切削，使得切削面形成一個大矩形截面。

掘進機作業(yè)時，其推進依靠4 個1.9 m×1.9 m的矩形截面由水平支撐油缸、撐靴裝置、推進油缸、調向鞍架等組成的支撐系統(tǒng)支撐側幫及頂?shù)装?，以提供足夠的支撐力，同時用連接支架和截割部之間的油缸推進截割部來完成掘進作業(yè)。

方向控制系統(tǒng)通過一套鞍架結構實現(xiàn)。鞍架架在支架平臺上，大梁通過鞍架導向，鞍架再帶動主梁運動，主梁調整前面機頭糾偏的角度。掘進機作業(yè)時，當掘進方向偏離了預設方向或遇到斷層需要轉向時，可通過調節(jié)主梁和鞍架，調整掘講機的掘進方向，以達到控制機器推進方向的目的[3]。

電控系統(tǒng)包括配電系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)、人機界面監(jiān)控系統(tǒng)、多機冗余系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)設計了除掘進機自身所需的動力控制、邏輯控制、監(jiān)測監(jiān)控，通信、照明等以外，還設計了掘進機與后配套系統(tǒng)內相關工藝設備的閉鎖。

液壓系統(tǒng)流量控制精準平穩(wěn)、壓力穩(wěn)定、超調量小、振動周期短、效率高以及發(fā)熱量小。對整機液壓系統(tǒng)進行設計建模與仿真，驗證了合理性與可靠性[4]。

3 設備適用條件與技術特征分析

3.1 適用條件分析

MJ3800×580 型多刀盤矩形全斷面掘進機可以用于各種頂?shù)装鍡l件的煤巖硬度f 小于4 的矩形巷道的掘進，巷道坡度≤5°，掘進斷面5.8 m×3.8 m，掘進與錨桿支護同步進行。

3.2 技術特征分析

1）全斷面矩形掘進。一次掘進5.8 m×3.8 m 掘進斷面，掘進與錨桿支護同步進行，掘進速度快。矩形全斷面煤巷快速掘進機系統(tǒng)的研制，解決了現(xiàn)有煤礦掘進速度慢、掘進人員多、掘進不安全的問題。

2）矩形截割機構。截割部由一個大截割刀盤配四個矩形小截割刀盤組合而成，前后布置達到矩形截割的目的，其中小刀盤本身具有截割、修形，裝載的功能，小刀盤采用行星傳動，一個動力兩個刀盤輸出，前刀盤截割，后刀盤修形、裝載，前后層次布置，交錯截割，防止大塊煤的出現(xiàn)，并提高截割效率。

3）掘錨平行作業(yè)。采用主梁配鞍架的結構實現(xiàn)掘進方向控制，糾偏性能好，同時，又能實截割部與掘進支撐部分的柔性連接，減少振動。掘進機截割部與后平臺之間采用步進的方式行進。每個步距1.5 m，推進過程中后平臺不動。錨桿機組固定在后平臺上，掘進截割的同時進行打錨桿作業(yè)，實現(xiàn)掘進與錨桿支護的平行作業(yè)。

4）整機作業(yè)安全。后平臺是頂梁，底座采用立柱油缸連接，左右撐靴連接固定在下底座上，通過頂梁、底座撐緊頂?shù)装濉⒆笥覔窝尉o側幫來提供機器前進的反力。截割部殼體上有前后隨動掩護梁，可有效控制空頂距，保證正常工作及應急況下人員的安全。在截割部與后平臺之采用實時張緊的掩護網(wǎng)結構[5]，隨時保證截割部與后平臺之間對人員設備的掩護作用。整機人員工作及通道處均有掩護結構，可保證作業(yè)人員的安全。

3.3 技術參數(shù)

MJ3800×580 型多刀盤矩形全斷面掘進機主要技術參數(shù)如表1 所示。

4 工業(yè)性試驗分析

4.1 掘進機的安裝步驟分析

根據(jù)MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機設備的分解情況，根據(jù)施工計劃運輸?shù)皆O備安裝地點并進行組裝。運輸及安裝施工步驟如下：

1）運輸大刀盤放置在始發(fā)酮室裝配區(qū)域前端，運輸中殼體連同大刀盤驅動總成，安裝時首先側翻90°到工作姿態(tài)，再移位放置到裝配區(qū)域前段中部；

2）先水平運輸左殼體總成、掩護梁、小刀盤及驅動到安裝酮室并進行安裝固定，后再運輸右殼體總成進行安裝固定；

3）依次運輸液壓支架底座前段和后段連同后對中油缸到安裝酮室進行安裝，依次運輸左右水平撐靴及附件到安裝酮室進行安裝；

表1 MJ3800×580 型多刀盤矩形全斷面掘進機主要技術參數(shù)

4）運輸導向主梁連同尾托架和鞍架及水平支撐油缸總成到安裝酮室進行安裝，運輸兩電控箱及安裝附件到安裝酮室；

5）殼體前部裝入大刀盤螺栓固定，同時，運輸4套支架立杜油缸，4 套豎直錨桿機組，2 套幫錨桿裝置及錨桿平臺、主推油缸，以及連接固定附件及緊固件到安裝酮室進行安裝。

6）依次運輸液壓支架頂板前段、后段和頂板連接銷軸到安裝酮室進行安裝，運輸頂板掩護梁及附件、液壓支架后部連桿及整套連接銷軸到安裝酮室進行安裝；

7）運輸刮板運輸機所有零部件到安裝酮室進行安裝，運輸液壓、水、電氣系統(tǒng)各零部件到位并安裝、調試好。

4.2 實踐應用效果分析

MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機完成安裝、調試后，對其進行了試用。從當前的試用情況來看，該全斷面快速掘進機的應用使得該煤礦井下煤巷的掘進效率提高了60%，實現(xiàn)了煤巷的快速掘進。同時對該全斷面快速掘進機在工業(yè)性試驗現(xiàn)場的安裝、調試及試用中存在的問題，進行了進一步的完善。MJJ3800×5800 型多刀盤矩形全斷面掘進機的實踐應用項目是成功的，該工業(yè)性試驗為設備的大面積應用積累了經(jīng)驗。