唐滿富

（中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000）

1 工程概況

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)西部，井田面積280.03 km2，礦井資源儲量50.582 9 億t，可采儲量32.750 6 億t，礦井設(shè)計生產(chǎn)總規(guī)模1500 萬t/a。大海則煤礦201 工作面主采2 號煤層，埋深547.95～654.95 m，煤層平均厚度6.32 m，煤層平均傾角1°。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，厚度1.2～3.4 m；底板以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，厚度1.4～2.8 m。2020 年根據(jù)集團(tuán)公司安排，結(jié)合大海則煤礦工程項(xiàng)目建設(shè)情況，設(shè)計開發(fā)了適應(yīng)大海則煤礦煤層地質(zhì)條件的高可靠性、高性能的智能化快速掘錨成套裝備[1-2]，并在201 工作面進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

2 智能化快速掘錨成套裝備及核心技術(shù)研究

2.1 智能化快速掘錨成套裝備及技術(shù)參數(shù)

按照大海則煤礦201 綜放工作面巷道生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計了智能化掘錨一體機(jī)、液壓錨桿鉆車、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)等關(guān)鍵快速掘錨成套設(shè)備，解決掘進(jìn)、錨護(hù)、運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)作業(yè)問題。各設(shè)備主要參數(shù)如下：

（1）掘錨一體機(jī)

掘錨一體機(jī)技術(shù)參數(shù)：總功率≥500 kW；電源電壓1140 V；生產(chǎn)能力≥20 t/min；截割高度3.5～4.5 m；截割寬度5.1～5.6 m/6.0～6.5 m；鉆機(jī)數(shù)量8 個（4頂+2 幫+2 探水鉆機(jī)）；行走方式為靜液壓驅(qū)動，濕式駐車制動；離地間隙≥210 mm；質(zhì)量≤90 t。

（2）液壓錨桿鉆車（兩臺，分為1 號、2 號）

液壓錨桿鉆車的技術(shù)參數(shù)：總功率≥270 kW；電源電壓1140 V；適應(yīng)傾角為行走時縱向17°、橫向4°，截割時縱向12°、橫向4°；鉆機(jī)數(shù)量7（1 號車：3 頂+4 幫）/5（2 號車：3 頂+2 幫）；行走方式為靜液壓驅(qū)動，濕式駐車制動；離地間隙≥150 mm；質(zhì)量≤70 t。

（3）帶式轉(zhuǎn)載機(jī)

帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的技術(shù)參數(shù)：總功率≥55 kW；電源電壓1140 V；帶寬≥1000 mm；帶速≥3.5 m/s；輸送能力≥1400 t/h；質(zhì)量25 t；輸送距離≥70 m；搭接距離≥60 m；輸送帶張緊行程≥1200 mm；輸送帶張緊方式為油缸張緊；行走方式為尾部與錨桿鉆車連接，與錨桿鉆車隨動。

2.2 智能化快速掘成進(jìn)套裝備核心技術(shù)分析

（1）掘錨同步、平行作業(yè)，多套鉆機(jī)協(xié)同順序作業(yè)

截割機(jī)構(gòu)伸縮一個截距一次截割全斷面成型，截割的同時掘錨機(jī)（配備第一排4 頂錨鉆機(jī)，第二排2 幫錨鉆機(jī)）第一排頂錨鉆機(jī)、第二排幫錨鉆機(jī)同時工作。在一個截割循環(huán)時間內(nèi)，同時打4 個頂錨桿和2 個幫錨桿；在第二個截割循環(huán)時間內(nèi)，第一臺錨桿鉆車（配備第一排4 頂錨鉆機(jī)，第二排3幫錨鉆機(jī)）、第二臺錨桿鉆車（配備第一排3 頂錨鉆機(jī)，第二排2 幫錨鉆機(jī)）可完成剩下的錨桿支護(hù)。通過掘錨平行作業(yè)，多套鉆機(jī)協(xié)同順序作業(yè)，2 個掘進(jìn)循環(huán)時間可以完成巷道一個斷面至少16 根錨桿的鉆錨作業(yè)，大幅提高了掘進(jìn)效率。

（2）大扭矩超前鉆機(jī)

該成套裝備配備2 套大扭矩超前鉆機(jī)，最大進(jìn)給力可達(dá)30 kN，鉆孔效率高，操作便捷；可配備95、65 鉆頭，一組120 m 深度前探孔8 h 即可完成，一個月可節(jié)省3～5 d 用于巷道掘進(jìn)，有效節(jié)省掘進(jìn)前探時間，提高掘進(jìn)速度。

（3）精準(zhǔn)高效的智能導(dǎo)向系統(tǒng)

智能快掘成套裝備導(dǎo)向系統(tǒng)采用防爆陀螺定向系統(tǒng)+全站儀，配合礦方激光導(dǎo)向設(shè)備，可以實(shí)時數(shù)字導(dǎo)向，自動方向糾偏，巷道掘進(jìn)方向四面誤差可以控制在30 mm 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)巷道“兩平兩直”高標(biāo)準(zhǔn)化要求。智能導(dǎo)向系統(tǒng)可減少工程測量人員煩瑣的測量和矯正工作，效率提高50%以上，增加了掘進(jìn)時間，提高了掘進(jìn)進(jìn)尺。

（4）截割機(jī)構(gòu)實(shí)時位置虛擬在線技術(shù)

智能快掘成套裝備在截割機(jī)構(gòu)開發(fā)方面，首次引進(jìn)實(shí)時在線虛擬技術(shù)，將截割機(jī)構(gòu)動作軌跡實(shí)時映像在顯示屏上，可以實(shí)現(xiàn)程序控制數(shù)字截割及實(shí)時人工干預(yù)。該智能技術(shù)的應(yīng)用，使快掘成套裝備的智能化自動截割成為現(xiàn)實(shí)。

（5）錨桿鉆機(jī)自動控制技術(shù)

智能化快掘成套裝備上錨桿鉆機(jī)均可實(shí)現(xiàn)遙控操作，配備的鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索兩用，所有錨桿鉆機(jī)都具有多個自由度，可實(shí)現(xiàn)截面錨桿位置全覆蓋，靈活快捷、定位精準(zhǔn)。在控制方式上，通過程序科學(xué)控制鉆錨順序，依次自動打鉆、自動推進(jìn)及回退，可以實(shí)現(xiàn)一人同時控制多臺錨桿鉆機(jī)的錨鉆工作，有效減少現(xiàn)場施工人數(shù)。

（6）成套裝備的智能連鎖控制技術(shù)

① 實(shí)現(xiàn)成套裝備的順序控制：啟動時，轉(zhuǎn)載機(jī)→2 號錨桿鉆車→1 號錨桿鉆車→掘錨機(jī)；停止時，為掘錨機(jī)→1 號錨桿結(jié)車→2 號錨桿鉆車→轉(zhuǎn)載機(jī)。順序控制可有效減少煤料堆積，保障系統(tǒng)正常工作。

② 任一臺設(shè)備出現(xiàn)故障或操作任一急停按鈕時，能及時保證整套設(shè)備全部停止，有效防止安全事故和設(shè)備損壞。

（7）完備的故障自診斷和在線監(jiān)測系統(tǒng)

通過智能控制技術(shù)將所有設(shè)備控制單元進(jìn)行協(xié)同控制和集中控制，通過可視化顯示界面直觀地顯示出來，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)實(shí)時在線監(jiān)測，同時對各控制環(huán)節(jié)信號及時對比分析和階段存儲。出現(xiàn)故障后，通過數(shù)據(jù)自動分析對比，可及時自動診斷故障位置、故障類型，并通過屏幕和語音提示，快速進(jìn)行反饋，便于及時排查和解決。

3 智能化快速掘錨成套裝備設(shè)備性能與結(jié)構(gòu)研究

3.1 截割機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度與截割速度的匹配性研究

截割機(jī)構(gòu)在進(jìn)給和截割過程中，進(jìn)給速度和滾筒轉(zhuǎn)速必須有一個科學(xué)合理的匹配速度，截割才能平穩(wěn)，才能保證掘錨機(jī)上鉆錨工作的平行進(jìn)行。經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析研究，結(jié)合煤層硬度情況，通過優(yōu)選不同長度截齒、調(diào)整掘錨機(jī)伸縮油缸伸縮速度，最后獲得了合理的匹配速度。

3.2 錨桿鉆機(jī)優(yōu)化布置的研究

在試驗(yàn)過程中，鉆機(jī)數(shù)量增加后，相互之間空間狹小，鉆機(jī)自由度受到限制，對人員操作也存在一定影響，掘進(jìn)效率提高有限。經(jīng)過分析后，將頂錨桿鉆機(jī)4 個調(diào)整為2 個，增加X、Y 方向上的移動行程，同時將多余的空間改為操作平臺，大幅改善工人的操作靈活性，配合遙控和錨桿鉆機(jī)智能化順序控制，4 個人減少到1 個人，效率還提升了20%。

3.3 運(yùn)輸系統(tǒng)各設(shè)備之間的銜接技術(shù)研究

運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠高效能保證快速掘進(jìn)。成套裝備運(yùn)輸系統(tǒng)的銜接主要是通過刮板輸送機(jī)搭接轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，工作順序采用程序加人工干預(yù)進(jìn)行順序梯次行進(jìn)。掘錨機(jī)、錨桿鉆車、轉(zhuǎn)載機(jī)之間要保證至少一個半截割循環(huán)的搭接尺寸才能保證煤料運(yùn)輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行，要保證后續(xù)設(shè)備運(yùn)輸能力不小于前一臺設(shè)備，同時要考慮底板的平整性，要保證后一臺設(shè)備在左右傾斜2°、前后傾斜5°的特殊情況下，接煤斗不出現(xiàn)撒煤和漏煤的情況。因此對接煤斗的設(shè)計、設(shè)備之間的銜接速度、運(yùn)輸設(shè)備之間的運(yùn)輸量匹配等進(jìn)行了深入的研究和分析，有效地保證了運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.4 智能化快速掘錨成套裝備除塵研究

該煤礦井下巷道除塵方式主要有：主機(jī)配套內(nèi)外噴霧、長壓短抽濕式水幕除塵。該項(xiàng)目裝備前期配備內(nèi)外噴霧+機(jī)載濕式除塵系統(tǒng)，除塵效率能達(dá)到60%。存在問題主要表現(xiàn)在：（1）成套裝備配套設(shè)備較多，內(nèi)、外噴霧對水量需求較大，大量水排放在巷道迎頭，造成設(shè)備行走困難。（2）內(nèi)外噴霧水壓力不高，無法形成水霧，內(nèi)外噴霧除塵效果不佳。（3）掘錨機(jī)機(jī)載濕式除塵器無法后接風(fēng)筒，直接排風(fēng)，帶水霧高壓風(fēng)的排風(fēng)口正對后部鉆車，造成鉆車錨鉆作業(yè)無法正常進(jìn)行。

經(jīng)過深入分析研究和市場調(diào)研，引入了泡沫除塵系統(tǒng)。泡沫除塵系統(tǒng)采用外噴霧形式，節(jié)省空間，用水量少，除塵效率達(dá)到98%以上。同時，控制內(nèi)噴霧水量，僅滿足冷卻設(shè)備需要即可。改進(jìn)后除塵效果明顯改善，也解決了巷道迎頭積水現(xiàn)象，為掘錨平行作業(yè)提供了重要的環(huán)境保障。

4 結(jié)論

煤礦智能化快速掘錨成套裝備集掘錨同步、超前探放、智能導(dǎo)向、一次成巷、負(fù)壓除塵、數(shù)字截割、數(shù)據(jù)交互、遠(yuǎn)程操控八大功能于一體，真正實(shí)現(xiàn)掘、支、運(yùn)同步作業(yè)。該裝備自2021 年4 月下線，在大海則煤礦201 工作面應(yīng)用以來，平均月進(jìn)尺超過1200 m，最高單日進(jìn)尺91.5 m，最高月進(jìn)尺2020 m。該快速掘錨成套裝備在大海則煤礦201 工作面的成功應(yīng)用，大幅度提高了掘進(jìn)生產(chǎn)效益，保證了礦井生產(chǎn)安全。