掘錨機(jī)掘進(jìn)配套運輸系統(tǒng)研究

呂 謀，顧書豪

(1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719315；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

在國家發(fā)改委、能源局等部委關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的意見指導(dǎo)下，通過“機(jī)械化換人、機(jī)器人作業(yè)、自動化減人”提高了采煤工作面的回采能力和安全水平，然而巷道快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展相對緩慢，采掘失衡的矛盾越來越突出[1，2]。安全高效掘錨平行技術(shù)裝備是國內(nèi)外學(xué)者和裝備制造廠家長期研究的課題，其中掘錨機(jī)的成功研發(fā)實現(xiàn)了掘進(jìn)、錨護(hù)的平行作業(yè)和100%機(jī)械化作業(yè)，降低了作業(yè)勞動強(qiáng)度和風(fēng)險，提高了單進(jìn)水平，在巷道掘進(jìn)方面得到了快速應(yīng)用，鐵建重工開發(fā)的“護(hù)盾式掘錨機(jī)”實現(xiàn)了月進(jìn)尺3000m以上的成績，刷新了快速掘進(jìn)的記錄。掘錨平行技術(shù)必將在煤礦生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[3-7]。

“煤矸運輸”作為巷道掘進(jìn)的主要工序，也是制約掘錨一體化技術(shù)水平的關(guān)鍵因素，能否在頂、幫錨桿(索)支護(hù)過程中安全高效的同步完成煤矸運輸是提高巷道掘進(jìn)速度的關(guān)鍵[8-10]。目前，在掘錨機(jī)掘進(jìn)過程中，有兩種配套的運輸方案，即：連續(xù)運輸和間斷運輸。本文從掘錨機(jī)的作業(yè)流程入手，在安全性、運輸效率、人工成本和設(shè)備使用等方面對兩種運輸方案開展詳細(xì)的對比分析，找出兩種運輸方案的優(yōu)缺點和適用條件、范圍，該研究成果可為掘錨機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的配套運輸方式提供強(qiáng)有力的理論支撐和實踐參考。

1 掘錨機(jī)掘進(jìn)作業(yè)流程

掘錨機(jī)作業(yè)流程：首先，掘錨機(jī)就位，包括人員就位、安全檢查、掘錨機(jī)準(zhǔn)備等；其次，固定掘錨機(jī)和連運頭車(梭車)就位同步進(jìn)行；再次，開始割煤，包括升刀、掃頂、進(jìn)刀割煤、拉底等，同時完成頂部錨桿支護(hù)；最后，頂幫錨桿、錨索支護(hù)和煤矸運輸同步進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 掘錨作業(yè)流程

掘錨機(jī)按設(shè)計要求一般一次切割成巷，掘錨機(jī)掘進(jìn)截割時，首先通過上升截割頭將截割頭調(diào)整至巷道垂直高度中部位置，向掘進(jìn)方向行走使掘錨機(jī)截割頭與前方煤壁接觸，然后升起掘錨機(jī)臨時支撐大架和截割臂，啟動運轉(zhuǎn)截割頭與運輸機(jī)，上升截割頭至巷道頂板后，切入煤體1.0m，從上而下截割。當(dāng)割到煤層底板時，收截割頭，截割底煤，使巷道底板平整，裝完余煤，再次將截割頭調(diào)整至巷道中部，當(dāng)頂幫全部支護(hù)完成后再進(jìn)行下一個循環(huán)。掘錨機(jī)完成從巷道中部至頂板再至底板最后到中部，這一過程就是一個截割循環(huán)，如圖2所示。

圖2 掘錨機(jī)割煤流程

2 掘錨機(jī)掘進(jìn)配套運輸系統(tǒng)

巷道掘進(jìn)過程主要由準(zhǔn)備、割煤、支護(hù)和運輸?shù)炔襟E組成，在支護(hù)的同時需要同步完成運輸工作，因此快速掘進(jìn)配套運輸系統(tǒng)是制約掘進(jìn)速度的關(guān)鍵因素之一。通常掘錨快速掘進(jìn)配套運輸系統(tǒng)包括連續(xù)的運輸方式和間斷的運輸方式。

2.1 間斷運輸方式

間斷運輸方式如圖3所示。在間斷運輸方式中，掘錨機(jī)配套設(shè)備包括掘錨機(jī)、連運一號車(破碎機(jī))、梭車、帶式運輸機(jī)，具體型號見表1。這些掘錨機(jī)生產(chǎn)的配套機(jī)械設(shè)備，在巷道的快速掘進(jìn)中，可以互相補給，從而充分發(fā)揮掘錨機(jī)的性能。

圖3 間斷運輸方式

表1 間斷運輸機(jī)械設(shè)備

2.2 連續(xù)運輸方式

連續(xù)輸運方式如圖4所示。在連續(xù)運輸方式中，掘錨機(jī)的配套設(shè)備主要包括掘錨機(jī)、連運頭車、橋式(帶式)轉(zhuǎn)載機(jī)以及帶式運輸機(jī)，具體型號見表2。連續(xù)運輸方式極大地提高了巷道掘進(jìn)工作的效率和安全系數(shù)。

圖4 連續(xù)輸運方式

表2 連續(xù)運輸機(jī)械設(shè)備

3 兩種配套運輸系統(tǒng)綜合分析

3.1 配套設(shè)備對比分析

連續(xù)運輸和間斷運輸?shù)呐涮走\輸設(shè)備中，掘錨機(jī)和帶式輸送機(jī)相同，配套設(shè)備的主要差異存在于掘進(jìn)完成后的煤矸運輸方式。兩種不同的運輸方式采用的運輸設(shè)備存在差異。間斷運輸采用連運一號車和梭車的組合運輸方式，連運一號車(破碎機(jī))和梭車的主要技術(shù)特征見表3和表4。連續(xù)運輸采用橋式轉(zhuǎn)載機(jī)代替連運一號車和梭車運輸煤矸，其主要技術(shù)特征見表5。

表3 LY2000/980-10型連運一號車技術(shù)特征

表4 10SC32-48AB-5型梭車技術(shù)特征

表5 DZQ100/100/40橋式轉(zhuǎn)載技術(shù)特征

3.2 優(yōu)缺點對比分析

1)安全性對比分析。間斷運輸系統(tǒng)具有以下特點：采用梭車和連運一號車(破碎機(jī))，出煤過程中涉及到梭車裝煤、運輸、卸入連運一號車等步驟，施工步驟多；隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，工作面帶式輸送機(jī)鋪設(shè)、前移不及時，梭車的轉(zhuǎn)運距離將逐漸增大；在雙巷掘進(jìn)過程中，梭車轉(zhuǎn)運需要經(jīng)過兩巷間的聯(lián)絡(luò)巷，存在轉(zhuǎn)運視野盲區(qū)；夜班梭車轉(zhuǎn)運還有可能出現(xiàn)司機(jī)疲勞駕駛的問題。間斷運輸涉及的施工步驟多、轉(zhuǎn)運距離大、存在轉(zhuǎn)運視野盲區(qū)、疲勞駕駛等問題，增大了事故發(fā)生的可能性。而連續(xù)運輸過程中，將梭車和連運車改為橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，煤矸運輸施工步驟少，膠帶鋪設(shè)可在檢修班完成(但是需要每天鋪設(shè))，不受轉(zhuǎn)運距離、疲勞駕駛等因素的影響。因此，在安全性方面，連續(xù)運輸優(yōu)于間斷運輸。

2)運輸效率的對比分析。間斷運輸系統(tǒng)配備的梭車轉(zhuǎn)運掘進(jìn)工作面煤矸，隨著掘錨機(jī)向前行進(jìn)，工作面連運一號車(破碎機(jī))和掘錨機(jī)間隔距離將越來越大，梭車轉(zhuǎn)運距離隨之增長，掘進(jìn)工作面出煤效率將逐步降低。如選擇配套的連續(xù)運輸系統(tǒng)，選用橋式(帶式)轉(zhuǎn)載機(jī)運輸掘進(jìn)工作面煤矸，掘進(jìn)過程中可以實現(xiàn)煤矸不間斷的運輸，從而保證工作面連續(xù)出煤，在支護(hù)的同時完成煤矸運輸。如果僅從工作面煤矸運輸環(huán)節(jié)考慮、研究、分析，應(yīng)優(yōu)先選擇配套連續(xù)運輸系統(tǒng)，巷道掘進(jìn)效率將更高。

3)人工成本對比分析。在間斷運輸系統(tǒng)中，需要配套梭車和連運一號車，生產(chǎn)時梭車和連運一號車均需要相關(guān)的技術(shù)人員操作運行，檢修時需要專業(yè)技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)、保養(yǎng)。相比來說，在連續(xù)運輸技術(shù)中，梭車和連運一號車由橋式轉(zhuǎn)載機(jī)代替，而橋式轉(zhuǎn)載機(jī)直接與帶式運輸機(jī)連接，生產(chǎn)時可以少配一名操作技術(shù)人員，而橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的鋪設(shè)在檢修班完成，需要每天進(jìn)行鋪設(shè)，在此期間增大了檢修班的工作量?？傮w對比來說，連續(xù)運輸?shù)娜斯ば枨蟮陀陂g斷運輸，節(jié)省了人工成本。

4)設(shè)備對比分析。間斷出煤配套系統(tǒng)和連續(xù)出煤配套系統(tǒng)在設(shè)備選擇上，掘錨機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備相同，但是間斷出煤配套系統(tǒng)配備的梭車是將煤矸從掘錨機(jī)轉(zhuǎn)運至破碎機(jī)；而連續(xù)出煤配套系統(tǒng)配備的橋式(帶式)轉(zhuǎn)載機(jī)連運頭車緊跟掘錨機(jī)向前行進(jìn)，橋式(帶式)轉(zhuǎn)載機(jī)由連運頭車牽引可以在工作面主運巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾剛性架上前后移動，完成工作面煤矸運輸，由于少運行一臺設(shè)備梭車，工作面設(shè)備故障率更低，從而有效保證工作面掘進(jìn)效率。

5)設(shè)備配套適用性分析。連續(xù)出煤配套系統(tǒng)受設(shè)備限制，僅適用于單巷掘進(jìn)，且在掘進(jìn)巷道初期需要提前準(zhǔn)備80m以上的巷道安裝系統(tǒng)配套設(shè)備；而間斷出煤配套系統(tǒng)不受此限制，并且可以適用于雙巷甚至三巷掘進(jìn)，在巷道掘進(jìn)初期開口階段可以靈活掘進(jìn)，適用性更強(qiáng)。

6)掘進(jìn)效率分析。影響掘進(jìn)工作面掘進(jìn)效率主要因素包括截割、錨護(hù)、運輸三個方面，其中掘錨平行技術(shù)截割、錨護(hù)可以平行作業(yè)，如果截割比錨護(hù)占用時間多，影響掘進(jìn)效率主要就是割煤時長，此時不同的運輸方式將對掘進(jìn)效率影響較大，相反如果掘進(jìn)過程中支護(hù)比截割占用時間多，影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素是支護(hù)時長，此時不管是選擇連續(xù)運輸系統(tǒng)還是間斷運輸系統(tǒng)，對工作面掘進(jìn)效率、單進(jìn)水平影響不大。

綜上所述，在實際考慮掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配套過程中除了工作面煤矸運輸系統(tǒng)之外，同時必須統(tǒng)籌考慮工作面采場地質(zhì)條件、掘進(jìn)、支護(hù)工藝選擇、工作面設(shè)備配套安裝、瓦斯、企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備配套、安全管理、生產(chǎn)組織等多方面因素，合理選擇工作面設(shè)備配套系統(tǒng)。因此，并不是全部的巷道掘進(jìn)都適用連續(xù)運輸方式，這需要相關(guān)管理人員根據(jù)不同的地質(zhì)條件和設(shè)備配套等實際情況進(jìn)行綜合研究、分析、對比，從而選擇安全上更可靠、經(jīng)濟(jì)上更合理、效率上更高，最適宜的掘錨機(jī)掘進(jìn)工作的配套方案。

4 結(jié) 論

1)掘錨機(jī)的作業(yè)流程包括掘錨機(jī)準(zhǔn)備、固定掘錨機(jī)、割煤、支護(hù)和運輸?shù)妊h(huán)步驟，運輸與頂幫錨桿(索)支護(hù)能否平行作業(yè)是制約快速掘進(jìn)的關(guān)鍵步驟之一。

2)掘錨掘進(jìn)配套運輸系統(tǒng)可以分為連續(xù)輸運和間斷運輸。間斷運輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備有掘錨機(jī)、連運一號車(破碎機(jī))、梭車和帶式運輸機(jī)；連續(xù)運輸?shù)脑O(shè)備包括掘錨機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式運輸機(jī)。

3)連續(xù)運輸在施工安全性、運輸效率、人工成本和設(shè)備等方面均優(yōu)于間斷運輸，但并不是全部的巷道掘進(jìn)都適用連續(xù)運輸方式，其選擇需要綜合考慮地質(zhì)條件、設(shè)備配套安裝、企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備配套、安全管理、生產(chǎn)組織等因素。