王佃武

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西省太原市，030006)

1 引言

目前，煤礦多采用綜掘機(jī)+錨桿機(jī)交叉換位交替作業(yè)的方式進(jìn)行掘進(jìn)，存在隊伍多、人員多、效率低、速度慢、安全性差等問題，綜掘機(jī)掘進(jìn)完成后，操作人員將錨桿機(jī)搬到空頂區(qū)域，在整個錨護(hù)過程中，操作人員在空頂下進(jìn)行錨桿支護(hù)存在較大的安全隱患，而且一臺錨桿鉆機(jī)一般需要2～3人進(jìn)行操作，單個掘進(jìn)工作面一般需要大約3臺錨桿鉆機(jī)，因此在空頂區(qū)域大約有9～10人在空頂區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，容易造成群死群傷，與煤巷掘進(jìn)“少人、高效、自動、智能”的技術(shù)發(fā)展要求差距較大，而且礦井產(chǎn)能增加后上述問題會更加突出。

針對上述情況，中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司和神東煤炭集團(tuán)合作開發(fā)了世界首套高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由掘錨機(jī)組、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、十臂錨桿鉆機(jī)、可彎曲帶式輸送機(jī)、邁步式自移機(jī)尾組成，該系統(tǒng)包含了采掘、支護(hù)和運(yùn)輸以及工作面的通風(fēng)供水等主要工序，實現(xiàn)了多臺設(shè)備間的協(xié)同控制。該系統(tǒng)于2014年7月開始在神東大柳塔煤礦進(jìn)行巷道掘進(jìn)，截止到2015年8月，該系統(tǒng)共掘進(jìn)巷道20000 m,平均月進(jìn)尺2400 m，每班最高進(jìn)尺85 m，每天最高進(jìn)尺158 m，月最高進(jìn)尺3088 m。然而，由于其工作面的特殊地質(zhì)條件，掘錨機(jī)的錨桿支護(hù)能力并未在該套快速掘進(jìn)系統(tǒng)中體現(xiàn)出來，因此中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司針對普通的地質(zhì)條件又開發(fā)設(shè)計出了一種掘錨機(jī)配套錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、可彎曲帶式輸送機(jī)組和邁步式自移機(jī)尾的三位一體的新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)。

2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的研制

2.1 新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)的布置

新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)主要由掘錨機(jī)組、錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組、可彎曲帶式輸送機(jī)組、邁步式自移機(jī)尾等部分組成，該系統(tǒng)重點(diǎn)解決支護(hù)和運(yùn)輸?shù)男蕟栴}，實現(xiàn)掘錨平行作業(yè)、分段支護(hù)以及連續(xù)運(yùn)輸，并綜合考慮通風(fēng)、供電、排水、輔助等運(yùn)輸環(huán)節(jié)，提高總體工效，將平均進(jìn)尺水平提高到大約1000 m/月。其中，掘錨機(jī)采用全寬截割部，截割推進(jìn)利用滑移機(jī)構(gòu)，具有推進(jìn)力大并保證截割時設(shè)備本體不移動特點(diǎn)，實現(xiàn)本機(jī)截割。掘錨機(jī)上布置4臺頂錨桿鉆機(jī)和2臺側(cè)幫錨桿鉆機(jī)，負(fù)責(zé)進(jìn)行巷道頂板的錨桿支護(hù)及側(cè)幫錨桿支護(hù)。由于掘錨機(jī)受到空間限制和結(jié)構(gòu)限制，整機(jī)只能布置2臺側(cè)幫錨桿鉆機(jī)，因此在系統(tǒng)中需要布置1臺具備打側(cè)幫錨桿鉆機(jī)功能的錨桿機(jī)，同時還需具備破碎、轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸功能的錨桿支護(hù)設(shè)備，尾部搭接可彎曲帶式輸送機(jī)組將煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)至巷道帶式輸送機(jī)組上，實現(xiàn)煤流連續(xù)運(yùn)輸，可彎曲帶式輸送機(jī)組與邁步式自移機(jī)尾采用重疊式搭接方式配套使用，在剛性架設(shè)計有銷排軌道，自移動力站通過銷齒驅(qū)動可牽引可彎曲帶式輸送機(jī)組實現(xiàn)退機(jī)作業(yè)。新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的布置方式

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組主要由主機(jī)架、左右履帶架、受料部、卸料部、破碎裝置和錨桿鉆機(jī)組成。該機(jī)組的輸送機(jī)構(gòu)布置在中間，前端布置該機(jī)組的受料部，后端布置卸料部，中間依靠刮板鏈實現(xiàn)物料的轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸，同時在輸送機(jī)構(gòu)的中部布置破碎裝置，主要是對掘錨機(jī)切割下來并運(yùn)輸至錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)中的物料進(jìn)行破碎。運(yùn)輸裝置中的刮板輸送機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，可以根據(jù)具體的實際運(yùn)錨情況調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度?？紤]該機(jī)組在系統(tǒng)中的支護(hù)方式主要是進(jìn)行側(cè)幫錨桿的支護(hù)，因此在該機(jī)組的兩側(cè)布置2臺錨桿鉆機(jī)，并在側(cè)幫錨桿鉆機(jī)上排布2套側(cè)幫提升機(jī)構(gòu)，滿足不同高度條件下的側(cè)幫錨桿支護(hù)，從而滿足巷道的支護(hù)要求。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組組成結(jié)果示意圖如圖2所示。

1-掘錨機(jī)組；2-錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組；3-可彎曲帶式輸送機(jī)組；4-邁步式自移機(jī)尾圖1 新型快速掘進(jìn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組組成結(jié)果示意圖

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的主機(jī)架采用分體設(shè)計，即主機(jī)架由左履帶架、中間架、右履帶架3個部分組成，在左、右履帶架中分別布置2套內(nèi)置式的行走減速器和液壓行走馬達(dá)，依靠整機(jī)液壓泵站為行走系統(tǒng)提供的高壓油提供行走動力，同時液壓系統(tǒng)還為該機(jī)組的錨鉆系統(tǒng)提供動力油源，因此在該機(jī)組液壓系統(tǒng)中設(shè)置1組換向閥，當(dāng)該機(jī)組行走時為行走系統(tǒng)提供必需的動力油源，當(dāng)該機(jī)組進(jìn)行錨鉆操作時為整機(jī)錨鉆系統(tǒng)提供動力油源。該機(jī)組中除輸送和破碎功能以外全部依靠液壓系統(tǒng)提供動力，作為該機(jī)組中唯一的動力油源，需要核實該機(jī)組的液壓動力源能否滿足整機(jī)正常工作時的動力需求。

3 主要技術(shù)參數(shù)及參數(shù)計算

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組外形尺寸中長度為9100 mm，寬度為3100 mm，高度為2200 mm，該機(jī)組的總重約為42 t。該機(jī)組的最大行走速度為10 m/min，鉆架中鉆箱轉(zhuǎn)速為500+50 r/min，鉆箱的最大進(jìn)給速度為10 m/min，接地比壓為0.14 MPa，泵站功率為90 kW。

3.1 接地比壓的計算

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組設(shè)備的重心在水平地面上的投影與履帶接地區(qū)段的幾何中心相重合，在計算該機(jī)組的接地比壓時可按式(1)進(jìn)行計算：

(1)

式中：Pa——履帶平均接地比壓,kPa；

G——機(jī)器工作重力與垂直外載荷所構(gòu)成的合力，kN；

b——履帶接地寬度，m；

L——履帶接地區(qū)段長度，m。

3.2 泵站功率的計算

在計算該機(jī)組的泵站功率時可按式(2)進(jìn)行計算：

(2)

式中：N——泵站功率，kW；

P——系統(tǒng)壓力，MPa；

Q——系統(tǒng)最大流量，L/min。

液壓泵的輸出排量為190 ml/r,考慮到泵站的效率,電機(jī)功率一般為所需功率的1.05～1.25倍，查有關(guān)電機(jī)手冊，所選電機(jī)的功率為125 kW時比較適合。

3.3 輸送能力的計算

輸送機(jī)構(gòu)布置在錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的中間，其中輸送鏈道的寬度為0.87 m，輸送鏈道的槽高為0.25 m，輸送機(jī)構(gòu)的刮板鏈長度為28 m，其中松散煤的密度可估算為830 kg/m3，輸送機(jī)構(gòu)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，輸送機(jī)構(gòu)減速器的速比為18.56，輸送鏈輪的直徑為0.2466 m，通過計算可得輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸能力為W=1200 t/h。

3.4 主要結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核

按照錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的工作情況及參數(shù)邊界條件，對該機(jī)組中的機(jī)架、受料部進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 主機(jī)架應(yīng)力

圖4 料斗應(yīng)力

由圖3和圖4可知，主機(jī)架的最大應(yīng)力為147.07 MPa，受料部的最大應(yīng)力為364 MPa，因此在進(jìn)行部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計時都采用高強(qiáng)度材料。

3.5 設(shè)備的主要特點(diǎn)

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組集物料轉(zhuǎn)載、物料運(yùn)輸和錨桿支護(hù)于一體，該機(jī)組采用分體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能于一體，并能夠?qū)崿F(xiàn)井下組裝。該機(jī)組中的各個部件均可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，并實現(xiàn)破碎和運(yùn)輸?shù)淖詣訂⑼＃瑢崿F(xiàn)減人增效。該機(jī)組的錨鉆系統(tǒng)中布置有電液控制技術(shù)，操作人員操作按鈕進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)，大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。

4 應(yīng)用情況與改進(jìn)

2018年10月，錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組在陜西匯森煤業(yè)開發(fā)有限公司涼水井煤礦4-2煤層與掘錨機(jī)配套使用，在422盤區(qū)的42205回風(fēng)巷和42206運(yùn)輸巷中進(jìn)行了作業(yè)，截至2019年3月，掘進(jìn)巷道近6000 m，平均月進(jìn)尺1000 m，每天最高進(jìn)尺60 m。

在使用過程中，存在的主要問題是錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組與可彎曲帶式輸送機(jī)之間的搭接問題，此處漏煤問題比較嚴(yán)重，經(jīng)常需要安排專人進(jìn)行漏煤的清理。在后續(xù)的改進(jìn)過程中，需要在錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的尾部增加膠皮護(hù)罩，導(dǎo)向煤流運(yùn)輸方向，降低錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的落煤高度，減少煤塊的灑落，降低操作人員的勞動強(qiáng)度。

5 結(jié)語

錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組的研制成功為實現(xiàn)快速掘進(jìn)系統(tǒng)提供了必要的設(shè)備支持，解決了傳統(tǒng)工藝中錨桿支護(hù)無法快速進(jìn)行支護(hù)的問題，同時發(fā)揮了設(shè)備一機(jī)多能的作用，提高了煤巷的掘進(jìn)速度和掘進(jìn)效率，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面的高產(chǎn)高效和掘進(jìn)工作面的減人增效。錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組先后應(yīng)用于陽煤集團(tuán)和黃陵礦業(yè)集團(tuán)，得到了大范圍的推廣和應(yīng)用，為國內(nèi)煤巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)的研究提供了新技術(shù)和新理念的技術(shù)支持。