快速掘進(jìn)裝備九臂掘錨一體機的研究與應(yīng)用

劉 偉

（晉能控股煤業(yè)集團機電管理分公司，山西 大同 037003）

0 引言

煤礦綜采效率的提升，造成了采掘平衡的失調(diào)，使得巷道掘進(jìn)速度成為煤礦高效生產(chǎn)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，巷道掘進(jìn)作業(yè)中的支護時間要占總作業(yè)時間的70%。為進(jìn)一步提高掘進(jìn)效率，對現(xiàn)有掘錨一體機裝備的升級改造、創(chuàng)新勢在必行。在應(yīng)用EJM2×170六臂掘錨一體機的實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，解決錨桿機位置固定、對孔困難、不能進(jìn)行探放水作業(yè)等問題，克服頂板破碎、片幫嚴(yán)重等矛盾，開發(fā)適應(yīng)集團公司石炭系復(fù)雜地質(zhì)條件九臂掘錨一體機，每循環(huán)工序減少1/2，對比改造前掘進(jìn)效率提升1.5 倍，實現(xiàn)了裝備水平的突破[1]。

1 工程概況

某礦井主采石炭系3～5 號煤層合并層，厚度為8.36～29.21 m，平均厚度17.52 m，煤層原始瓦斯含量為1.558～3.232 m3/t，瓦斯壓力為0.090～0.245 MPa，透氣性系數(shù)為1.108×10-4～1.328×10-4m2/（MPa2·d）。礦井相對瓦斯涌出量2.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量71.3～115.27 m3/min。

九臂掘錨一體機在一盤區(qū)回風(fēng)巷試驗使用，煤層厚度12～14 m，平均厚度13 m，含2～5 層夾矸。沿地板掘進(jìn)，巷道斷面尺寸為6.24 m×4.32 m，斷面積為27 m2，運輸順槽設(shè)計長度為1835 m。為加快巷道掘進(jìn)速度、減少支護及輔助作業(yè)時間，采用該機進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)。

2 掘錨一體機適應(yīng)分析及改進(jìn)內(nèi)容

2.1 掘錨一體機適應(yīng)性分析

通過集團公司應(yīng)用及查閱資料發(fā)現(xiàn)，掘錨一體機在我國許多地質(zhì)條件較好的礦區(qū)應(yīng)用廣泛，取得了突出成績，在復(fù)雜地質(zhì)的礦區(qū)未取得突破性的研究成果，使得其可以被廣泛推廣。本次試驗巷道為石炭系復(fù)雜地質(zhì)大斷面煤巷掘進(jìn)，圍巖巖性軟、頂板壓力大，易漏頂片幫。在實際應(yīng)用時，需針對礦井實際條件，對掘錨一體機進(jìn)行優(yōu)化改造[2]。

2.2 掘錨一體機改進(jìn)

九臂掘錨一體機主要對錨固系統(tǒng)、截割與鏟運方面進(jìn)行改造，增加超前探裝置、側(cè)支撐等裝置，如圖1所示。

圖1 九臂掘錨一體機結(jié)構(gòu)

2.2.1 錨固系統(tǒng)

錨桿機群的布置采用三排4-3-2 方式：具有操作平臺，增大作業(yè)空間；每臺單獨控制，一機多孔；多臺錨桿鉆機可同時作業(yè)，以減少支護時間[3]。

2.2.1.1 首排錨桿鉆機

1）首排為4 臺，采用左二右二對稱布置方式，4臺錨桿鉆機都具備前后擺動與左右擺動的功能，前擺滿足頂板破碎情況的及時支護，減小空頂距。外側(cè)錨桿鉆機能夠左右平移完成不同排距的錨桿錨固，滿足垂直錨固要求。內(nèi)側(cè)的錨桿鉆機具有上下滑動、180°旋轉(zhuǎn)功能，既能夠錨固頂板的錨桿與錨索，也能滿足錨固側(cè)幫的錨桿與角錨桿，做到及時支護，縮小空幫距，避免片幫的產(chǎn)生。第一排打頂和側(cè)幫未滑移及滑移后示意圖，如圖2 所示。

圖2 第一排打頂和側(cè)幫未滑移及滑移后示意圖（單位：mm）

2）4 臺錨桿鉆機差動使用，其中兩臺支護頂板完成錨網(wǎng)、鋼帶拖起，其余兩臺進(jìn)行錨固，降低工人的勞動強度。

2.2.1.2 第二排錨桿鉆機

1）次排錨桿鉆機布置3 臺，左右各1 臺，中間1 臺。中間錨桿鉆機具備補打中間錨桿、錨固錨索功能，解決了改造前人工補打中間錨桿、錨索問題。左右布置2 臺錨桿鉆機的具備旋轉(zhuǎn)功能，通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)錨固頂板、側(cè)幫；具有前后160 mm 調(diào)整間距，控制錨桿方便快速鋼帶對孔、找正；具備上下滑移功能，調(diào)整錨固側(cè)幫錨固距離，保證錨固的錨桿與巷道側(cè)幫垂直，保證最大的支護力。第二排打頂和側(cè)幫示意圖，如圖3所示。

圖3 第二排打頂和側(cè)幫示意圖（單位：mm）

2）巷道條件良好可以同時與首排錨固頂板與側(cè)幫，地質(zhì)條件復(fù)雜可以同時與首排錨固側(cè)幫，間接地實現(xiàn)平行作業(yè)、及時錨固，減少片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.1.3 第三排錨桿鉆機

1）第三排錨桿鉆機布置2 臺，左右各1 臺錨固底部側(cè)幫錨桿。具備旋轉(zhuǎn)功能，工作時旋轉(zhuǎn)到指定位置進(jìn)行錨固，截割與往前方運送物料時豎直收起，保證人行通道的通過距離。第三排打側(cè)幫示意圖，如圖4所示。

圖4 最后排打側(cè)幫示意圖（單位：mm）

2）改造前不具備側(cè)幫底部機械錨固的功能，都是人工補打，改造后提高了設(shè)備的機械化水平，降低了勞動強度。

2.2.2 改進(jìn)原有截割與鏟運技術(shù)

1）適當(dāng)增截齒，采用硬巖截齒，增強破巖能力。

2）采用現(xiàn)有截割技術(shù)，左右伸縮300 mm，便于退機。

3）鏟板采用升降形式，便于清理浮煤。

4）擋煤板加固與加裝擋煤塊，減少浮煤。

2.2.3 增加超前探裝置

1）在截割臂上增加探水鉆，滿足一次探100 m 的要求。

2）能夠左右旋轉(zhuǎn)，利用刻度盤進(jìn)行調(diào)整，滿足前探要求。

2.2.4 增加側(cè)支撐

1）左右履帶前后設(shè)置支撐裝置，能夠調(diào)整設(shè)備的左右姿態(tài)。

2）遇到復(fù)雜地質(zhì)條件，通過提升履帶的高度，從而鋪設(shè)防滑物，達(dá)到設(shè)備脫離沉陷的目的。

3 九臂掘錨一體機創(chuàng)新點

1）優(yōu)化支護鉆機：新增3 臺支護鉆機，1 臺專打頂中眼、2 臺專打幫底桿，9 臺鉆機底部增加滑座，可左右、前后平移，實現(xiàn)快速對孔；第一排鉆機還能向前傾斜45°，對頂板進(jìn)行臨時支護。鉆機增加升降和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，實現(xiàn)大范圍、多角度作業(yè)，可支護頂、幫和組合錨索。多臺鉆機可實現(xiàn)平行作業(yè)，鉆機最大輸出扭矩可達(dá)400 N·m，錨桿可一次性預(yù)緊達(dá)標(biāo)，無須人工二次緊固，縮短支護時間，減輕勞動強度，提高支護效率。

2）滿足探水要求：在掘錨機截割臂上增加機載探水鉆機，采用大功率液壓馬達(dá)作為動力，實現(xiàn)就地探水作業(yè)，擺脫了單一獨立探水設(shè)備搬運與拆裝煩瑣問題，操作者可通過上下調(diào)整截割臂和鉆機水平角度，實現(xiàn)全方位探水，滿足“有掘必探”要求，降低工人勞動強度，提高鉆探效率。

3）全面優(yōu)化升級，安全穩(wěn)定運行：機組一運采用了調(diào)速變頻器，提升運載性能，解決運輸不平衡問題；增加掘錨機調(diào)平支撐，解決機身側(cè)傾問題；操作臺局部優(yōu)化，操作、檢修更加便捷；加高電控箱臺，避免電控箱進(jìn)水損壞；增加壓風(fēng)供水自救平臺，提高安全保障；增加區(qū)域照明，工作環(huán)境更明亮更安全。

4 掘錨機應(yīng)用效果分析

4.1 掘進(jìn)效率總結(jié)

該掘進(jìn)工作面于12 月2 日安裝一盤區(qū)回風(fēng)巷60 m 位置，使用九臂掘錨一體機進(jìn)行掘進(jìn)，跨年3 月11 日正式掘進(jìn)完成，巷道施工工期為98 d。

巷道掘進(jìn)效率總結(jié)如下：巷道掘進(jìn)進(jìn)尺由12 月的10.8 m/d 增加到19.8 m/d，平均進(jìn)尺可達(dá)15.4 m/d；地質(zhì)條件復(fù)雜條件下，統(tǒng)計一個循環(huán)的時間為140 min，進(jìn)尺兩排1.8 m，每日進(jìn)尺16～17 排，月進(jìn)尺能夠達(dá)到460 m；巷道地質(zhì)條件穩(wěn)定時，統(tǒng)計一個循環(huán)的時間為70 min，進(jìn)尺兩排1.8 m，每日進(jìn)尺34～35 排，月進(jìn)尺能夠達(dá)到600 m；1 月隨著巷道地質(zhì)條件穩(wěn)定及作業(yè)人員對設(shè)備熟悉程度的提高，掘進(jìn)效率提升顯著，完成掘進(jìn)560 m；2 月平均進(jìn)尺21.6 m/d，最高進(jìn)尺23 m/d，月進(jìn)尺604 m，掘進(jìn)效率顯著，九臂掘錨一體機的應(yīng)用效果較好。

4.2 掘錨機經(jīng)濟效益

通過九臂掘錨一體機在試驗巷道的試用，結(jié)合普通綜掘機巷道掘進(jìn)工藝人員費用成本，對該機成本分析如下：掘進(jìn)效率提升1.5 倍，按照單價8000 元/m、年進(jìn)尺提高2000 m 計算，每年能夠創(chuàng)造經(jīng)濟價值1600 萬元；每班作業(yè)人數(shù)減少4 人，按照人均年工資15 萬元計算，節(jié)約成本60 萬元/年；掘進(jìn)機維護費用降低20%，目前掘進(jìn)機設(shè)備維護費用約300 萬元/年，節(jié)約成本60 萬元/年。九臂掘錨一體機快速掘進(jìn)裝備每年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益1720 萬元，取得了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

以石炭系復(fù)雜地質(zhì)條件煤礦應(yīng)用掘錨一體機進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)為研究背景，研究了九臂掘錨一體機的適應(yīng)性和應(yīng)用效果，主要結(jié)論如下：為適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，對掘錨機的液壓錨桿組群布置方式、截割鏟運技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了探側(cè)支撐及超前探裝置。通過掘進(jìn)效率總結(jié)和經(jīng)濟效益分析，能夠?qū)崿F(xiàn)截割、支護、錨桿安裝同步運行、平行作業(yè)，還可降低掘進(jìn)費用以及不斷提高安全程度和改善勞動條件，確定了九臂掘錨一體機在巷道掘進(jìn)中的顯著應(yīng)用效果。