煤礦用硬巖巷道智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)設(shè)計

楊 磊

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045400）

0 引言

對于煤礦井下綜采工作面巷道的掘進(jìn)作業(yè)，通常有掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)以及鉆孔爆破兩種方案，其中掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)對煤巷等巖性較軟巷道掘進(jìn)效果較好，而對堅硬巖性巷道掘進(jìn)時，掘進(jìn)效率偏低、速度較慢，而且當(dāng)掘進(jìn)作業(yè)環(huán)境惡劣時很容易引發(fā)安全事故。對于這類巷道采用鉆孔爆破法進(jìn)行作業(yè)時，由于國內(nèi)鑿巖臺車性能差、穩(wěn)定性不高，而人工抱鉆打眼效率低且危險性大。為降低掘進(jìn)作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，提高硬巖巷道掘進(jìn)效率，杜絕安全隱患，本文研制設(shè)計出一套智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，用于提高堅硬巖性巷道的機(jī)械化作業(yè)水平以及巷道掘進(jìn)效率。

1 智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成包括行走機(jī)構(gòu)、扒斗機(jī)構(gòu)、鏟板、錨固機(jī)構(gòu)、鉆臂操控臺、輸送機(jī)構(gòu)以及液壓機(jī)構(gòu)等，具體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。該鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)適用于普氏系數(shù)＞6、巷道傾角小于15°、巷道掘進(jìn)斷面20～35 m2的巖巷掘進(jìn)過程，可實現(xiàn)對所需掘進(jìn)巷道進(jìn)行鉆孔錨固、掘進(jìn)運(yùn)料等一體化成巷作業(yè)。智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)通過電氣系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的聯(lián)動控制，可高效實現(xiàn)巷道鉆孔、巖體運(yùn)輸、斷面錨固支護(hù)作業(yè)，同時可實現(xiàn)鉆臂的自主定位、斷面快速錨固以及巖體自動搬運(yùn)輸送等智能化作業(yè)。

圖1 智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)截割部鉆進(jìn)作業(yè)鉆頭用于巷道鉆孔，鉆臂操控臺以及液壓機(jī)構(gòu)只夠用于操控鉆頭并提供動力；鏟板以及扒斗運(yùn)料裝置用于搬運(yùn)破碎巖塊；行走裝置及后支撐裝置用于掘進(jìn)機(jī)牽引運(yùn)行，牽引動力由電氣機(jī)構(gòu)提供；錨固裝置膠管托架用于錨固成巷后的圍巖。

2 智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

對該智能化鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用主要包括一體化掘進(jìn)作業(yè)設(shè)計、扒斗輸送裝置設(shè)計、掘進(jìn)鉆臂定位設(shè)計以及掘進(jìn)機(jī)牽引定位設(shè)計四個方面。

2.1 一體化鉆裝錨掘進(jìn)設(shè)計

對于鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)采用模塊化以及Top-Down融合設(shè)計理念，實現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時的鉆孔、冒落巖塊運(yùn)輸、錨固作業(yè)的一體化成巷效果。該鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)安裝4 個臂進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，全部附帶定位系統(tǒng)，其中2 個鉆孔臂負(fù)責(zé)對巷道進(jìn)行爆破鉆孔施工作業(yè)，另外2 個負(fù)責(zé)對錨固錨桿或錨索鉆孔作業(yè)，方便后續(xù)對成巷的快速錨固。爆破冒落下的巖塊碎石可通過鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)前部鏟板以及扒斗裝置進(jìn)行裝載作業(yè)，并通過輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。

2.2 扒斗輸送裝置設(shè)計

扒斗輸送裝置主要用于對剝落爆破下的巖體進(jìn)行裝運(yùn)，為提高扒斗裝置的裝運(yùn)效率，降低扒斗裝置因巖塊沖擊造成的故障損壞，在其升降液壓回路上運(yùn)用了基于負(fù)載變量的敏感控制閥，可以實現(xiàn)扒斗裝置的升降液壓回路承受壓力峰值35 MPa 之內(nèi)，降低了液壓油缸的沖擊負(fù)荷，保障了扒斗裝置的穩(wěn)定運(yùn)行效果。同時在鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)的挖掘作業(yè)、鉆孔作業(yè)以及支護(hù)作業(yè)上，采用多聯(lián)多路閥進(jìn)行控制，通過獨(dú)立設(shè)置液壓回路對錨固裝置、扒斗輸送裝置以及鉆臂裝置進(jìn)行柔性控制，即提高了各裝置的運(yùn)行效率，同時增強(qiáng)了鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)的整體系統(tǒng)流暢性，也確保了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行[1]。

2.3 掘進(jìn)鉆臂定位設(shè)計

基于堅硬巖體下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時掘進(jìn)鉆頭容易產(chǎn)生偏差的現(xiàn)狀，研發(fā)設(shè)計出一種鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)鉆臂自動定位系統(tǒng)，該自動定位系統(tǒng)包括傳感監(jiān)測、液壓系統(tǒng)以及控制器三部分。其中，傳感監(jiān)測部分主要是傾角傳感器以及位移傳感器，通過布設(shè)于鉆臂位置對鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)過程中鉆臂的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動情況以及位移情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測；液壓系統(tǒng)主要用于對鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)驅(qū)動，通過PLC 控制器進(jìn)行控制；控制器模塊即將傳感監(jiān)測部分的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總判斷，并將執(zhí)行命令下達(dá)至液壓系統(tǒng)，從而操控鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)鉆臂進(jìn)行換向調(diào)節(jié)等操作。

2.4 掘進(jìn)機(jī)牽引定位設(shè)計

除了對鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)鉆頭進(jìn)行精確定位之外，還需對掘進(jìn)機(jī)在巷道中運(yùn)行軌跡進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制，具體如圖2 所示。對鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)牽引過程進(jìn)行定位主要包括對該設(shè)備運(yùn)行過程中的加速度值、傾角值以及水平偏距值進(jìn)行監(jiān)測控制，分別通過布設(shè)相應(yīng)的傳感器裝置對運(yùn)移姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并以此來確定鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)在巷道中的實際運(yùn)行軌跡?？刂破髟诮邮盏姐@裝錨掘進(jìn)機(jī)的實際運(yùn)行軌跡后，通過與設(shè)定參數(shù)值進(jìn)行對比，從而向液壓、電氣控制系統(tǒng)等執(zhí)行元件下達(dá)指令來對鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行牽引控制，實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的換向調(diào)節(jié)作業(yè)[2]。

圖2 掘進(jìn)機(jī)牽引部定位設(shè)計

3 鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將設(shè)計完成的鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于現(xiàn)場回風(fēng)巷道掘進(jìn)作業(yè)進(jìn)行初步測試，發(fā)現(xiàn)該掘進(jìn)機(jī)存在以下問題，并進(jìn)行了針對性優(yōu)化。

1）鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)布設(shè)的2 臺輸送機(jī)之間的間距較小，從而使得上部輸送機(jī)承受較大負(fù)載時對下部輸送機(jī)造成一定的擠壓現(xiàn)象。同時抬起鏟板進(jìn)行裝料時，下部輸送機(jī)很容易被上部輸送機(jī)溜槽壓到影響裝運(yùn)效果，大塊巖塊又容易在下部運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生堵塞?；谏鲜鲈颍瑸楸苊廨斔蜋C(jī)之間的堆料堵塞現(xiàn)象，將兩輸送機(jī)之間的間距進(jìn)行擴(kuò)大，抬高上部輸送機(jī)500 mm，長度增加400 mm，增強(qiáng)物料輸送效果。

2）在進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計過程中，初始支護(hù)鉆機(jī)操作平臺狹窄，鉆機(jī)輔助平臺也很小，無法確保錨桿、托盤以及錨固劑等錨固設(shè)計的安全高效安裝作業(yè)。通過將原有護(hù)欄改造為支護(hù)操作平臺，完成錨固作業(yè)后將該平臺收起作為護(hù)欄使用，節(jié)省了錨固裝置占據(jù)空間，同時增加了支護(hù)平臺強(qiáng)度，具體改進(jìn)方式如圖3所示[3]。

圖3 優(yōu)化后的錨固作業(yè)平臺

3）在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時，支護(hù)鉆機(jī)的油管由于位置布設(shè)不當(dāng)經(jīng)常與后巖壁出現(xiàn)剮蹭，在長時間作業(yè)過程中極易造成油管破損。為確保鉆機(jī)油管的穩(wěn)定性，防止長期剮蹭，將油管進(jìn)行了固定并更換了鉆機(jī)油管方向，具體布設(shè)方式如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后支護(hù)鉆機(jī)油管布設(shè)方式

4 實際應(yīng)用效果分析

通過將設(shè)計完成的硬巖巷道鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行實際應(yīng)用，得出以下結(jié)論：應(yīng)用該掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)，施工過程僅需30～32 人即可完成，相比傳統(tǒng)掘進(jìn)施工作業(yè)可減少20 人，降低了勞動量及用工成本；該鉆裝錨一體化掘進(jìn)機(jī)可進(jìn)尺將近100 m/月，掘進(jìn)效率遠(yuǎn)高于普通掘進(jìn)機(jī)，同時斷面效果較好，無須后續(xù)支護(hù)作業(yè)；利用鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)施工，可大幅節(jié)省掘進(jìn)作業(yè)時占據(jù)空間，安全系數(shù)較高，布設(shè)電纜等線路簡單，即便于井下作業(yè)人員施工行走，也便于設(shè)備維修作業(yè)；采用鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)時，由于該掘進(jìn)機(jī)具備一定的自動定位以及軌跡糾偏能力，可實現(xiàn)對鉆頭軌跡的自適應(yīng)修正以及掘進(jìn)機(jī)牽引過程的自適應(yīng)控制；同時對該鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行人工操控時操控人員可位于巖壁較遠(yuǎn)位置進(jìn)行控制，安全系數(shù)較高、勞動量小；該鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)配置有扒斗裝置以及輸送機(jī)，可實現(xiàn)剝落巖塊的自動輸送效果，同時還附帶有錨固裝置可對成型巷道進(jìn)行錨固支護(hù)，實現(xiàn)了掘錨一體化成巷，施工效率較高。

5 結(jié)語

煤礦用硬巖巷道鉆裝錨掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計，使堅硬巖性巷道下應(yīng)用傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率低、安全系數(shù)較差的問題得到了有效解決。掘進(jìn)錨固一體化設(shè)計，也提高了掘進(jìn)巷道施工效率，對條件類似下的硬巖巷道掘進(jìn)施工具有重要借鑒意義。