宋翠萍

(山西東華機(jī)械有限公司,山西省長(zhǎng)治市,046012)

1 前言

隨著綜采工作面機(jī)械化程度的不斷發(fā)展,煤炭產(chǎn)量的提高,對(duì)巷道掘進(jìn)速度提出了新的要求。在煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中,為了預(yù)防巷道坍塌,必須對(duì)巷道的頂板及側(cè)幫進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。目前,大多數(shù)煤礦采用在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一段后,停止工作,由人工搬運(yùn)錨桿機(jī),并臨時(shí)搭架平臺(tái)對(duì)巷道頂板及側(cè)幫進(jìn)行錨護(hù),從而達(dá)到支護(hù)的目的,這種方法效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,速度慢,基本上是用三分之一的時(shí)間掘進(jìn),用三分之二的時(shí)間錨護(hù),大大影響了巷道的掘進(jìn)速度。由于在沒(méi)有可靠支護(hù)的情況下對(duì)巷道錨護(hù),在錨護(hù)中遇到破碎頂板時(shí),還存在安全隱患,因此這種現(xiàn)狀與現(xiàn)代化高產(chǎn)高效的機(jī)械化煤炭生產(chǎn)極不協(xié)調(diào),為了解決以上問(wèn)題及改變現(xiàn)狀,研制開(kāi)發(fā)了龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)。

圖1 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)外形與巷道采掘設(shè)備位置圖

2008年龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)在趙莊煤礦12043巷道中試用,為適應(yīng)大斷面巷道的特定條件,將龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)設(shè)計(jì)成帶升降工作平臺(tái)的履帶龍門(mén)式(左右液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)),爬坡能力為±16°,自備液壓源為電機(jī)、油箱及油泵。它能跨在掘進(jìn)機(jī)上,對(duì)頂臨時(shí)支護(hù)和頂網(wǎng)后用多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)對(duì)頂幫和側(cè)幫進(jìn)行錨護(hù),提高了錨護(hù)速度,巷道的掘進(jìn)速度是原來(lái)1.5倍,并降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。這樣可縮短輔助時(shí)間,快速進(jìn)行多點(diǎn)錨護(hù),可大大提高生產(chǎn)率。龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)外形尺寸與巷道采掘設(shè)備相互位置如圖1所示。

2 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)

12043掘進(jìn)巷道跨度為6 m,高度5 m,配套掘進(jìn)機(jī)的外形機(jī)高×機(jī)寬為2310 mm×3200 mm(EBZ200型懸臂式半煤巖掘進(jìn)機(jī)),采用先掘后錨、掘退錨進(jìn)、交替互換、及時(shí)進(jìn)行配套設(shè)備相互工作工藝。

2.1 機(jī)架所用油缸的選擇

機(jī)架支撐油缸首先是為鋪網(wǎng)工序?qū)嵤﹦?chuàng)造條件;其次是將錨網(wǎng)托向頂板,為進(jìn)行錨桿支護(hù)工藝向巷道圍巖打錨眼工藝提供方便;三是在實(shí)施對(duì)巷道圍巖進(jìn)行錨護(hù)過(guò)程中,對(duì)施工范圍頂板進(jìn)行定點(diǎn)預(yù)防性支撐維護(hù)。這種短時(shí)間臨時(shí)性的支護(hù)只是一種技術(shù)工藝措施。因此,機(jī)架油缸的參數(shù)選擇建立在巷道圍巖應(yīng)力值小于巖體極限強(qiáng)度值產(chǎn)生彈性變形假設(shè)條件下,進(jìn)行防御性的臨時(shí)支護(hù),為錨網(wǎng)永久性支護(hù)創(chuàng)造了一個(gè)安全環(huán)境。

(1)根據(jù)普氏公式確定錨護(hù)機(jī)上方頂壓:

式中:a——巷道跨度之半,m;

γd——巷道頂板容重,泥巖γd的取值范圍為22.6～25.5 kN/m3;

Pd——頂壓,kN/m2。

取a=3 m,γd=23 kN/m3,則Pd=138 kN/m2。

(2)根據(jù)我國(guó)修正頂壓公式:

f——普氏硬度系數(shù),煤巷取1.1;

a1——壓力拱跨之半,m。

取a=3 m,a1=3 m,γd=23 kN/m3,f=

1.1,則Pd=188.18 kN/m2。

兩項(xiàng)計(jì)算取大值,則Pd=188.18 kN/m2。

(3)龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)的控頂面積:

式中:S——控頂面積,m2;

A——機(jī)架立柱中心寬度,m;

B——機(jī)架立柱中心長(zhǎng)度,m。

取A=3.2 m,B=4.004 m,則S=12.8128 m2。

(4)控頂面積范圍內(nèi)的載荷:

F2=Pd·S

=188.1818×12.8128

=2411.136 kN

(5)短撐頂油缸初撐力的計(jì)算:

式中:D——缸徑,m;

P承——泵壓,MPa;

Fc——油缸初撐力,kN。

取D=0.16 m,P承=20 MPa,則

Fc=402.12 kN

2.2 機(jī)架的強(qiáng)度、變形校核

機(jī)架為門(mén)式結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)架會(huì)受到扭曲變形的影響;設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際尺寸,采用COSMOSXpres設(shè)計(jì)分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度與變形校核。

(1)受力狀況:機(jī)架轉(zhuǎn)彎時(shí),設(shè)機(jī)架一側(cè)不動(dòng),另一側(cè)受切向推力;其大小為履帶對(duì)地面的附著力的一半,即75 kN。

(2)機(jī)架采用的材料為16 Mn;屈服極限為350 MPa;彈性模量2.0×105MPa;泊松比為0.29。

(3)由此產(chǎn)生的最大應(yīng)力為154.5 MPa;最小應(yīng)力為1523 Pa;安全系數(shù)為2.27;最大彈性變形量為30 mm。

3 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

工作平臺(tái)是龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)的主要功能部件,它應(yīng)能支承兩個(gè)輔助頂網(wǎng)千斤頂,又能承載操作人員的重力和鉆孔時(shí)的設(shè)備反力;龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)工作平臺(tái)外緣與巷道壁應(yīng)保持有足夠的空間,工作平臺(tái)在工作狀態(tài)時(shí)又須使平臺(tái)盡量接近巷道壁。

工作平臺(tái)由平臺(tái)組件、頂網(wǎng)組件、懸掛組件、導(dǎo)輪組件等組成。工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)平臺(tái)組件由左右臺(tái)板、左右伸縮板、伸縮板油缸、定位銷(xiāo)及各種蓋板組成。平臺(tái)是主要的承力構(gòu)件,所以采用網(wǎng)架式結(jié)構(gòu)。平臺(tái)的四角有懸掛耳環(huán);平臺(tái)靠立柱的內(nèi)側(cè)有定位銷(xiāo),工作時(shí)將平臺(tái)、立柱連為一體,更加安全可靠;平臺(tái)中部安裝頂網(wǎng)組件;平臺(tái)的上部履蓋用花紋鋼板做成,防止人員工作時(shí)滑倒,蓋板上還開(kāi)有成組分布的孔,便于固定鉆機(jī)尾部頂尖。

圖2 工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)

(2)懸掛組件。平臺(tái)是用懸掛組件與機(jī)架連接的。平臺(tái)的上下升降也是通過(guò)懸掛組件實(shí)現(xiàn)的。懸掛組件由油缸、導(dǎo)向裝置、槽輪、平板鏈等構(gòu)件組成,安裝于立柱之內(nèi)。

(3)頂網(wǎng)組件由油缸、支座、頂桿、頂蓋、隔板等組成。

(4)導(dǎo)輪組件由固定板、導(dǎo)輪、滑塊、調(diào)整螺母、彈簧、外殼等零部件組成。

4 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)行走部

煤礦采掘機(jī)械中使用的行走部多采用履帶行走機(jī)構(gòu)。履帶行走機(jī)構(gòu)采用單獨(dú)驅(qū)動(dòng),具有牽引力大、接地比壓低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、在坡道上易制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),所以,龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)采用履帶行走機(jī)構(gòu)。

履帶行走機(jī)構(gòu)是龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)的支承件,用來(lái)支承整機(jī)的重量和承受在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的力,并完成龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)前后行走、轉(zhuǎn)彎時(shí)的移動(dòng)。我們?cè)O(shè)計(jì)為二履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),履帶沿整機(jī)縱向中心對(duì)稱(chēng)布置,各由20個(gè)高強(qiáng)度螺栓與機(jī)架相連,左右行走機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)。

圖3 左行走機(jī)構(gòu)

履帶行走機(jī)構(gòu)主要包括履帶架、支重輪、張緊器、驅(qū)動(dòng)裝置、履帶板等組成。左行走機(jī)構(gòu)組成圖如圖3所示。

5 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)前后下支撐部

前后支撐由兩個(gè)前支撐油缸、兩個(gè)后支撐油缸及支撐架組成,當(dāng)?shù)孛鏍顩r不好或更換履帶時(shí),可將前后支撐伸出,把整個(gè)機(jī)身抬起,起到支撐作用。下支承部件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 下支承部件

6 龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī)特點(diǎn)

(1)在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中,采用龍門(mén)式自行錨桿鉆機(jī),掘進(jìn)機(jī)可以從龍門(mén)中穿過(guò)。工作中掘進(jìn)機(jī)在前,錨護(hù)機(jī)在后,掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一段距離后,停止工作,然后穿過(guò)錨護(hù)機(jī)的龍門(mén)后退讓出空間,錨護(hù)機(jī)前進(jìn)到位后,啟動(dòng)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行打孔,安裝和固定錨桿,工作完后,立即后退,掘進(jìn)機(jī)再前進(jìn)進(jìn)行掘進(jìn)。

(2)在巷道頂板好的情況下,可以前邊掘進(jìn)后邊錨護(hù),實(shí)現(xiàn)同步作業(yè),速度快、效率高。

(3)為了適應(yīng)高低不同的巷道,使操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下升降來(lái)達(dá)到適合操作的高度。

(4)支護(hù)立柱升降起到頂網(wǎng)及防護(hù)的目的,提高了錨護(hù)環(huán)境的安全性。

(5)在平臺(tái)上留有液壓鉆機(jī)接口,可以外接4～6臺(tái)液壓鉆機(jī),可以進(jìn)行多臺(tái)錨桿鉆機(jī)作業(yè),加快錨護(hù)速度。

[1] 李國(guó)軍.煤礦(礦山)綜采液壓支架設(shè)備選型設(shè)計(jì)、工況分析檢測(cè)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社

[2] 邢?？?蔡坫,劉玉堂.煤礦支護(hù)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社