礦用噴漿機械手的設計與應用

賈湛勝

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團王家?guī)X煤業(yè)公司設計生產能力為500 萬t/a，主要開采4 號煤、7 號煤、9 號煤，其中4 號煤平均厚度7.6 m。18103 工作面膠帶運輸巷設計長度1934 m，矩形斷面設計，掘進寬度×掘進高度=5.4 m×3.6 m，斷面積為19.44 m2，平均坡度為2°。巷道支護采用先錨網(wǎng)（索）掘進、后撤除、再集中噴漿的方法。從王家?guī)X煤業(yè)以往巷道情況來看，掘進錨網(wǎng)（索）支護后，人工噴漿支護施工未能及時進行，造成巷道支護強度低，出現(xiàn)漏頂片幫現(xiàn)象，大幅度增加了巷道后期的維護成本。針對人工噴漿施工效率低下，影響到噴漿支護作業(yè)的情況，基于機械化換人的理念，設計了礦用噴漿機械手設備來代替人工噴漿作業(yè)[1-6]。礦用噴漿機械手設備的應用可改善作業(yè)環(huán)境，保障噴砼質量穩(wěn)定，提高施工效率，提高噴漿人員的安全性。

2 礦用噴漿機械手的設計

2.1 結構分析

礦用噴漿機械手的結構如圖1，主要由行走機構、穩(wěn)定機構、大臂伸縮機構、大臂回轉機構、噴射機構、液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。整機運行狀態(tài)外形尺寸長×寬×高=3430 mm×2260 mm×2170 mm，可以適應巷道斷面15～50 m2，工作范圍寬×高=7 m×7 m。液壓泵站額定工作壓力為20 MPa，整機采用履帶底盤，馬達驅動，適于在惡劣地面環(huán)境移動。

圖1 礦用噴漿機械手結構示意圖

（1）行走機構。采用兩臺低速大扭矩液壓馬達驅動鏈輪帶動履帶行走，保證了行走機構的可靠和穩(wěn)定，行走速度為0～9 m/min。

（2）穩(wěn)定機構。為保證噴漿作業(yè)時設備的穩(wěn)定性，在設備前部左右兩側各增加一組穩(wěn)定靴，通過兩根油缸實現(xiàn)升降，噴漿作業(yè)時支撐在底板上，需要行走時將其抬起，保證了設備工作的穩(wěn)定性。

（3）大臂伸縮機構。由兩級伸縮油缸和伸縮簡組成，設備穩(wěn)定后進行0～2 m 伸縮量。

（4）大臂回轉機構。采用液壓馬達驅動回轉支撐軸承方式進行，實現(xiàn)左右各60°角的擺動，能實現(xiàn)在不用移動設備的情況下對巷道兩側的近距離噴射，保證噴射質量。在回轉機構與伸縮臂中間設有一個伸縮油缸，與大臂立柱形成一個四連桿機構，可以實現(xiàn)對≤6 m 高的巷道進行噴漿作業(yè)。

（5）噴射機構。噴射機構由三根旋轉馬達組成，一級旋轉油缸實現(xiàn)噴頭的左右旋轉，二級旋轉油缸實現(xiàn)噴頭前后旋轉，三級旋轉油缸是一個偏心軸馬達，實現(xiàn)噴頭的畫圈運動（模擬人工抱噴頭時的動作），保證噴漿的均勻度。噴射頭處設有一個三岔口（輸料口、進水口、速凝劑口）。

（6）液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由一臺7.5 kW 的防爆電機驅動一臺主油泵（柱塞式變量泵，流量：13 mL/rad，額定壓力：20 MPa）和一臺副泵（齒輪泵）作為動力源，通過供油切換閥組合多路換向閥，將壓力油分別送給各執(zhí)行機構，完成各部件的動作。

（7）操作系統(tǒng)。由一組七聯(lián)閥組和一組兩聯(lián)閥組組成，七聯(lián)閥組控制左右行走、大臂回轉、大臂伸縮、噴頭噴射等動作，兩聯(lián)閥組主要控制穩(wěn)定靴的升降和噴頭三級馬達的畫圈運動。

（8）電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)設計簡單，由一臺7.5 kW 防爆電機和一臺QZ-301140 真空磁力器構成，能實現(xiàn)電機的啟停及各種保護和報警功能。設備兩側各設有一個急停接鈕，保證在緊急情況下能夠及時停機；主操作平臺左側設有一個兩聯(lián)啟停按鈕，供操作人員遠距離啟停設備；本機大臂上設有照明燈兩盞，能夠隨大臂的轉動而轉動，保證行走和噴射時的照明需要；本機還設有瓦斯斷電裝置，當瓦斯超限時能自動停止本機電源。

2.2 關鍵技術分析

（1）實現(xiàn)了機械化替人的重大突破，工人的勞動強度降低，施工效率得到了提升。

（2）采用履帶式行走機構，解決了人工移動設備的問題，采用多級伸縮臂式，能夠實現(xiàn)對巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實現(xiàn)回轉、大臂變幅、伸縮等功能，能夠對巷道頂及兩幫進行不同方位的噴射作業(yè)。

（3）噴頭畫圈機構采用偏心輪，實現(xiàn)噴頭的偏心擺動運動，動力由旋轉馬達提供，實現(xiàn)了噴頭不間斷圓弧噴射，保證了噴漿質量。

（4）利用了機、電、液一體化的優(yōu)勢，實現(xiàn)了機械化減人提效的目的，提高了施工效率和施工質量，同時施工過程中的安全得到了有效管控。

2.3 先進性及創(chuàng)新性分析

（1）采用履帶式行走機構，解決了人工移動設備的問題；采用多級伸縮臂式，能夠實現(xiàn)對巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實現(xiàn)回轉、大臂變幅、伸縮等功能，能夠對道頂及兩幫進行不同方位的噴射作業(yè)，大幅降低了工人的勞動強度。

（2）噴頭畫圈機構采用偏心輪，實現(xiàn)噴頭的偏心擺動運動（畫圓），動力由旋轉油缸提供，實現(xiàn)了噴頭不間斷圓弧噴射（替代人工搖擺），保證了噴漿質量，同時也提高了施工的效率，成功實現(xiàn)了機械化換人。

3 現(xiàn)場施工應用及效果分析

3.1 現(xiàn)場施工應用

將設計的礦用噴漿機械手配套“濕式混凝土噴射機+煤礦用帶式上料機”，構建機械化遠距離噴漿配套裝備，在18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業(yè)中進行了實踐應用。

工藝流程為：攪拌均勻的物料用防爆膠輪車運至煤礦用帶式上料機料倉內；工作時，將料倉內的噴漿料連續(xù)、均勻地輸送至濕式混凝土噴射機料斗內，在迎頭使用礦用噴漿機械手代替人工夾持噴槍進行自動化噴漿作業(yè)。此時，操作人員可在距離噴料口10 m 以外的位置進行遙控操作。

3.2 效果分析

18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業(yè)中應用礦用噴漿機械手施工后，效果理想，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）作業(yè)環(huán)境得到了改善。操作人員距離噴料口10 m 以外，降低了操作人員與噴漿料的直接接觸機會，有利于作業(yè)人員的職業(yè)健康。

（2）保證了噴砼質量穩(wěn)定。機械手噴砼可保證噴射角度、距離，避免人工噴射的盲區(qū)、盲點等造成噴漿料回彈高的問題。

（3）提高了施工效率，降低了材料的浪費。噴漿效率是人工噴漿的1.39 倍。

（4）噴漿人員的安全性更高。操作人員遠離噴漿出料口，噴漿料的回彈和頂板及兩幫的活矸、活煤等掉落或反彈回來后不會打到操作人員身上，確保了人員安全。

（5）對4 m 以上高巷道的噴漿更加方便，不需要搭設臨時作業(yè)平臺，通過機械臂的自動伸縮功能即可達到合適的噴漿位置，提高了噴漿料的上墻率。

4 效益分析

噴漿機械手使用前，噴漿作業(yè)一直采用人工抱噴頭的工作模式。操作人員勞動強度大，不得不間斷休息，其工作效率低，且很容易患塵肺、腰肌勞損等職業(yè)病。原人工噴漿隊平均每班噴漿15 m3計算，人工工效為2.25 m3/h。礦用噴漿機械手應用后，每班的噴漿量可增加到25 m3，人工工效為3.13 m3/h，施工效率是人工的1.39 倍，綜合工效提升67%。

礦用噴漿機械手制作成本一次性投入約32 萬元，日常運行成本每年約8 萬元（噴漿管和配件費用）。使用礦用噴漿機械手后每班的噴漿量25 m3，按照噴漿單價0.11 萬元/ m3計算，每班經(jīng)濟效益=（使用后每班噴漿方量-使用前每班噴漿方量）×噴漿單價=（25-15）×1100=1.1 萬元。按照噴漿隊每天兩班工作制計算，每天經(jīng)濟效益=1.1×2=2.2萬元，全年可多結工程款=2.2×365=803 萬元。因此，每年可增經(jīng)濟效益約763 萬元。