煤礦井下移動(dòng)風(fēng)橋裝置的研制*

閆飛

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司, 山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

風(fēng)橋是在煤礦井下進(jìn)、回風(fēng)巷道的交叉地點(diǎn)，將兩股平面交叉的風(fēng)流隔成立體交叉的一種通風(fēng)設(shè)施，以避免風(fēng)流短路，使進(jìn)、回風(fēng)流隔開(kāi)互不干擾，在井下通風(fēng)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。傳統(tǒng)使用的風(fēng)橋是一種固定建筑物，通常修建一座風(fēng)橋需要30～40 d，施工工序復(fù)雜、工程量大、周期較長(zhǎng)，不利于快速形成通風(fēng)系統(tǒng)，而風(fēng)橋服務(wù)到期后只能封閉廢棄，修建風(fēng)橋時(shí)所投入的材料無(wú)法回收利用，造成較大的浪費(fèi)[1-2]。目前對(duì)風(fēng)橋的研究主要集中在風(fēng)橋的施工工藝上，如大斷面風(fēng)橋設(shè)計(jì)施工和復(fù)雜條件下風(fēng)橋施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，沒(méi)有對(duì)修建風(fēng)橋相關(guān)裝備的研究。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制了一種移動(dòng)風(fēng)橋裝置，機(jī)械化替代風(fēng)橋修建中的部分工序，在完成風(fēng)橋施工后可以重復(fù)應(yīng)用到下一座風(fēng)橋的修建。

1 移動(dòng)風(fēng)橋裝置的功能

風(fēng)橋的修建施工會(huì)引起巷道圍巖應(yīng)力的重新分布，在修建時(shí)首先要對(duì)被跨巷道進(jìn)行加固和防護(hù)，這一環(huán)節(jié)是整個(gè)風(fēng)橋的施工過(guò)程中耗時(shí)最長(zhǎng)、工程量最大的工序。特別是如果施工中使用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，在被跨巷道中需要大量的臨時(shí)支護(hù)措施，以保障掘進(jìn)機(jī)安全通過(guò)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。臨時(shí)支護(hù)使用的單體支柱、木垛、工字鋼等擠占巷道空間，會(huì)影響巷道正常風(fēng)流，也對(duì)行人、車(chē)輛的通行造成阻礙，存在較大的安全隱患。

為保證風(fēng)橋施工安全、提高施工效率，需要研制一種移動(dòng)風(fēng)橋裝置應(yīng)用到風(fēng)橋的修建過(guò)程中。移動(dòng)風(fēng)橋裝置在風(fēng)橋修建時(shí)能夠快速到位形成可靠支撐，作為工作平臺(tái)供掘進(jìn)設(shè)備從上方安全通過(guò)，不阻斷所跨巷道正常風(fēng)流。同時(shí)針對(duì)風(fēng)橋修建材料一次性投入、浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，移動(dòng)風(fēng)橋裝置應(yīng)具備自行走功能，在完成風(fēng)橋施工后能夠重復(fù)應(yīng)用到下一座風(fēng)橋的修建中。

2 移動(dòng)風(fēng)橋裝置的設(shè)計(jì)

2.1 支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)跨巷過(guò)程中，移動(dòng)風(fēng)橋裝置作為工作平臺(tái)供掘進(jìn)機(jī)通過(guò)，需要承受掘進(jìn)機(jī)通過(guò)過(guò)程中的壓力。掘進(jìn)機(jī)靜止時(shí)對(duì)風(fēng)橋的壓力為自身重力，在工作時(shí)除自身重力外，還有來(lái)自截割頭的外力，則掘進(jìn)機(jī)對(duì)風(fēng)橋的最大壓力為[3]

Fmax=G1+Fw

(1)

式中，G1為掘進(jìn)機(jī)自身重力，N；Fw為外力施加于履帶上的力，F(xiàn)w=(1.5～2.0)G1。

以常用的EBZ120型掘進(jìn)機(jī)為例，掘進(jìn)機(jī)整機(jī)重量為35 t，取Fw=2.0G1，掘進(jìn)機(jī)對(duì)風(fēng)橋最大壓力為1 080 kN，考慮到掘進(jìn)過(guò)程中留有底煤，移動(dòng)風(fēng)橋裝置工作時(shí)需承受的壓力取整為1 100 kN。為了在形成穩(wěn)定支撐的同時(shí)滿(mǎn)足被跨巷道通風(fēng)以及行人、車(chē)輛的正常通行，在設(shè)計(jì)中采取了以下技術(shù)措施：

1) 底座采用分體式跨騎龍門(mén)結(jié)構(gòu)，根據(jù)井下常用防爆車(chē)輛的外形尺寸，龍門(mén)寬度設(shè)計(jì)為2 800 mm，底座上設(shè)置了過(guò)車(chē)斜橋，以便行人與車(chē)輛正常通行。

2) 頂梁采用積木式拼接形式，能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，適應(yīng)多種巷道斷面。

3) 設(shè)置2根立柱油缸控制頂梁升降，4根伸縮套筒承受來(lái)自頂梁的壓力[4]，套筒外側(cè)有連接桿，使頂梁接頂充分。

4) 頂梁兩側(cè)有伸縮嵌入機(jī)構(gòu)，底座四角處有輔助支撐機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)都裝有倒刺，使移動(dòng)風(fēng)橋裝置與煤壁、底板充分接觸，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.2 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)風(fēng)橋裝置的行走系統(tǒng)要滿(mǎn)足行走時(shí)的牽引力要求，又要具備良好的通過(guò)性和較高的靈活性，在工作時(shí)還要承受掘進(jìn)機(jī)通過(guò)時(shí)的壓力。為滿(mǎn)足以上要求，移動(dòng)風(fēng)橋裝置的行走系統(tǒng)采取了以下技術(shù)措施[5-8]：

1) 履帶行走機(jī)構(gòu)具有承載能力大、接地比壓低的優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)風(fēng)橋裝置選用履帶行走機(jī)構(gòu)，采用左右馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)的方式，將2套結(jié)構(gòu)相同但相互獨(dú)立的履帶行走機(jī)構(gòu)在底座兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，增強(qiáng)對(duì)底板的適應(yīng)性和可靠性，使裝置便于直線(xiàn)行走和轉(zhuǎn)彎。

2) 考慮到整機(jī)的穩(wěn)定性和便于加工、維護(hù)，減少履帶板的壓應(yīng)力，履帶選用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，履帶鏈與履帶架平面接觸，同時(shí)采用大節(jié)距履帶板。

3) 行走減速器采用四級(jí)減速結(jié)構(gòu)型式，第一級(jí)為弧齒錐齒輪傳動(dòng)，第二、三級(jí)為直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，第四級(jí)為行星齒輪傳動(dòng)，齒輪材料選用20Cr2Ni4A，硬齒面齒輪，精度為6級(jí)。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 全部動(dòng)作采用液壓傳動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒功率變量柱塞泵作為動(dòng)力源，控制閥為負(fù)載敏感比例控制閥。比例控制閥將壓力隨時(shí)傳遞給變量柱塞泵，泵根據(jù)各回路負(fù)載情況控制供給系統(tǒng)的壓力和排量，從而控制各執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。行走馬達(dá)選用可自動(dòng)切換排量擋位的行走液壓馬達(dá)，能根據(jù)行走阻力自動(dòng)選擇擋位。

2) 電氣系統(tǒng)采用PLC集中控制模式，驅(qū)動(dòng)繼電器和中間繼電器完成動(dòng)作，具有短路、過(guò)載、缺相、過(guò)熱等保護(hù)功能，可使用有線(xiàn)遠(yuǎn)控或無(wú)線(xiàn)遙控來(lái)操作，一般為無(wú)線(xiàn)遙控。系統(tǒng)采用比例電磁閥和比例放大器，通過(guò)模擬量對(duì)2套履帶行走機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行比例控制，實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的遙控?zé)o極變速。遙控系統(tǒng)基于Modbus協(xié)議，設(shè)計(jì)了內(nèi)置天線(xiàn)遙控器，遙控距離不低于30 m。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

移動(dòng)風(fēng)橋裝置如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)：適用高度為3 500～5 500 mm，適用寬度為4 000～5 500 mm，龍門(mén)寬度為2 800 mm，接地比壓支撐時(shí)為0.56 MPa，行走時(shí)為0.12 MPa，行走驅(qū)動(dòng)方式為左右液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，行走速度為0～15 m/min，整機(jī)質(zhì)量為30 t。

1-伸縮嵌入機(jī)構(gòu)； 2-立柱油缸; 3-底座; 4-伸縮套筒; 5-輔助支撐機(jī)構(gòu); 6-過(guò)車(chē)斜橋; 7-頂梁。

3 移動(dòng)風(fēng)橋的應(yīng)用

在兩條巷道交叉位置進(jìn)行處理后，將移動(dòng)風(fēng)橋裝置布置于被跨巷道中間位置，底座上的輔助支撐裝置伸出，保證裝置整體穩(wěn)定。升起升降立柱，頂梁充分接頂形成支護(hù)，用限位銷(xiāo)軸將伸縮套筒固定，同時(shí)伸縮嵌入機(jī)構(gòu)伸出支撐墻壁，增強(qiáng)裝置支撐的穩(wěn)定性。掘進(jìn)施工時(shí)移動(dòng)風(fēng)橋裝置作為施工平臺(tái)，供掘進(jìn)機(jī)和人員從上部通過(guò)，巷道貫通期間被跨巷道行人、車(chē)輛可經(jīng)斜橋從橋面下通行。掘進(jìn)施工結(jié)束后，鋪設(shè)鋼板、工字鋼和膠墊，澆注厚度300 mm混凝土，完成風(fēng)橋的修建。待上巷道穩(wěn)定成型后，回撤移動(dòng)風(fēng)橋裝置，可用到下一座風(fēng)橋的修建，如圖2所示。

圖2 移動(dòng)風(fēng)橋工藝示意圖

移動(dòng)風(fēng)橋裝置制造出樣機(jī)后于2019年8月在三道溝煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，利用本裝置共用時(shí)20 d完成了一座風(fēng)橋的修建，較以往節(jié)約10 d以上。風(fēng)橋修建過(guò)程中因臨時(shí)支護(hù)工作量大大減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，減少了施工、通風(fēng)安全隱患，同時(shí)減少材料投入約10萬(wàn)元。

4 結(jié)論

移動(dòng)風(fēng)橋裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，替代了復(fù)雜的臨時(shí)支護(hù)工序，提高工作效率、減少安全隱患，為風(fēng)橋施工提供了新的技術(shù)和裝備，對(duì)于礦井快速形成通風(fēng)系統(tǒng)、提高安全環(huán)保管理水平有重要作用。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1) 縮短風(fēng)橋修建時(shí)間10 d以上，利于礦井產(chǎn)能釋放，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2) 明顯減少臨時(shí)支護(hù)工作量，不影響巷道正常風(fēng)流，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少安全隱患。

3) 減少井下廢棄材料的投入，符合綠色開(kāi)采理念，同時(shí)每座風(fēng)橋可節(jié)約材料費(fèi)用約10萬(wàn)元。