(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦以井工開采為主，需要在井下開掘大量巷道，巷道作為煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)最基本單元，其安全、可靠的應用是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)。近年來隨著開采強度和深度的增加，巷道圍巖破壞變形的難題尤為突出，嚴重影響煤礦的安全采掘作業(yè)[1，2]?，F(xiàn)階段，針對嚴重的巷道圍巖變形，主要是采用人工修復或裝載機、挖掘機等非專用設(shè)備，即費時費力，又導致修復成型效果差，圍巖損傷等問題。巷道修復設(shè)備是專門用于煤礦巷道圍巖修復治理施工的專用設(shè)備，能有效修復因礦壓或其他原因?qū)е碌淖冃蚊合锘驇r巷，可大幅度提升巷道修復治里施工的機械化水平，進而促進我國煤礦巷道圍巖控制技術(shù)的進一步發(fā)展，確保煤礦安全高效生產(chǎn)，推動煤炭行業(yè)技術(shù)進步。

1 引進國外巷道修復設(shè)備應用現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，國外相關(guān)企業(yè)已經(jīng)展開了巷道修復設(shè)備的技術(shù)研究，主要以德國哈澤瑪格公司(HAZEMAG)、德國戴爾曼哈尼爾礦業(yè)系統(tǒng)有限公司(DH MINING SYETEMS)和美國特雷克斯公司(TEREX)等為代表研制的巷道修復機或臥底機為典型代表[3]，具有自動化程度高、操作簡單及可靠性高等特點。

20世紀80年代，開灤集團引進我國第一臺德國哈澤瑪格公司(HAZEMAG)生產(chǎn)的EL-160S型多功能巷道修復機[4]，如圖1所示。EL-160S型多功能巷道修復機主要由：履帶系統(tǒng)、裝載懸臂、破擊式裝載斗、破碎裝置、液壓系統(tǒng)、充填及除塵裝置和電氣系統(tǒng)組成，在使用過程中，根據(jù)底板矸石軟硬程度，通過快換裝置可將破擊式裝載斗更換為破碎裝置，EL-160S型多功能巷道修復機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 EL-160S型多功能巷道修復機

名稱參數(shù)數(shù)值工作機構(gòu)卸載高度/m2.6鏟斗擺角/(°)2×30鏟斗容量/L300電機額定功率/kW55串泵排量/(L·min-1)70、45、45、15整機爬坡能力/(°)22.5重量/t8.5運輸尺寸/m7.5×1.3×1.1

1987年3月該機在開灤集團唐山礦7043巷道投入使用，使用后效果顯示，EL-160S型多功能巷道修復機適用于修復冒起的巷道底板，可以破碎及清除巖板和脫落的巖塊，可以清除矸石，裝卸至輸送帶或礦車，具有巷道修復施工效率高、工人勞動強度小、作業(yè)環(huán)境好等突出優(yōu)點。

21世紀初，以徐州礦務局、淮南礦務局為代表的國內(nèi)大型礦務局相繼引進德國戴爾曼哈尼爾礦業(yè)系統(tǒng)有限公司(DH MINING SYETEMS)DHL600或DHL800型多功能礦用臥底機，如圖2所示。DHL600和DHL800型臥底機具有機身窄、高度低及解體性好等特點，主要由操控臺、防護棚、機械箱、車體平臺、伸縮懸臂及執(zhí)行機構(gòu)等組成，其中執(zhí)行機構(gòu)又包括：箱式鏟斗、鉆孔/錨固裝置、截割頭、側(cè)卸鏟斗、液壓破碎錘、反鏟機構(gòu)、機械手和工作平臺組成，并且該機還設(shè)計有快速連接裝置，根據(jù)工況不同，可以快速更換執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)裝載、臥底、鉆爆破孔和錨桿支護等施工作業(yè)。以DHL800臥底機(帶側(cè)卸式鏟斗)為例，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖2 DHL800型礦用巷道臥底機

名稱參數(shù)數(shù)值工作機構(gòu)卸載高度/m2.3舉升高度/m3.4裝載寬度/m4.2下降高度/m0.3電機額定功率/kW63整機爬坡能力/(°)20重量/t9.4運輸尺寸/m6.4×7.1×1.2

2013年，DHL800型臥底機在徐州礦務局平?jīng)鲂掳裁旱V5#煤工作面巷道投入使用，由于該巷道屬于極軟巖巷道，臥底機執(zhí)行機構(gòu)只安裝側(cè)卸式鏟斗，通過側(cè)卸式鏟斗將矸石轉(zhuǎn)至運輸帶的方式進行臥底。使用結(jié)果表明，平均每班挖底長度23.53m，每班臥底量143.8m3，人均每班挖底量35.96m3[5]，具有施工效率高、操作簡單，工人勞動強度小等特點。

20世紀90年代，國內(nèi)相繼又引進美國特雷克斯公司(TEREX)生產(chǎn)的ITC120型隧道、礦山扒渣機，該設(shè)備長×寬×高=9500mm×2000mm×2200mm，如圖3所示。ITC120型隧道、礦山扒渣機最為突出的特點是將破碎錘和扒斗通過連桿機構(gòu)進行組合，在液壓油缸的作用下，使其快速切換，完成巖石的破碎和裝載，并且該機設(shè)計有刮板運輸裝置，可直接將巖石轉(zhuǎn)載至扒渣機后方運矸車上，生產(chǎn)效率高。但是，ITC120型隧道、礦山扒渣機，由于結(jié)構(gòu)尺寸大，僅限于隧道及非煤礦山使用，對于煤礦這一特殊領(lǐng)域，未能打開市場，但是其機械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)對于國內(nèi)煤礦用巷道修復設(shè)備的發(fā)展具有借鑒意義。

圖3 ITC120型隧道、礦山扒渣機

進入21世紀以來，德國、美國及瑞典等發(fā)達國家非煤礦山工程設(shè)備發(fā)展迅速，例如蒂森克虜伯集團(ThyssenKrupp)、卡特彼勒公司(Caterpillar，CAT)、及阿特拉斯·科普柯集團(Atlas Copco Group)等大的礦業(yè)集團。由于煤礦主要存在環(huán)境污染、危險程度高和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等各方面原因，引發(fā)相關(guān)國家的礦井已經(jīng)處于限量開采或者關(guān)停狀態(tài)，進而導致國外巷道修復裝備發(fā)展緩慢。 現(xiàn)階段，國外還是以德國哈澤瑪格公司(HAZEMAG)巷道修復裝備為主，該廠家在原設(shè)備基礎(chǔ)上，又進行了進一步設(shè)計研究和加工生產(chǎn)，其功能和可靠性有了一定程度上的提升，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也更加緊湊，而且在關(guān)鍵功能上實現(xiàn)了PLC控制，生產(chǎn)的HMF型多功能修復機和HSL型側(cè)翻斗裝載機[6]，如圖4、圖5所示。

圖4 HMF型多功能修復機

圖5 HSL型側(cè)翻斗裝載機

發(fā)達國家，對于巷道修復治理設(shè)備進行了比較系統(tǒng)全面的研究，研制的巷道修復治理設(shè)備，在減小結(jié)構(gòu)尺寸、提高生產(chǎn)能力的同時，使設(shè)備的功能更加完善和集成，工人勞動強度大大降低，具有良好的巷道修復效果。但是國外煤礦埋藏深度小，地質(zhì)條件簡單，與我國煤礦巷道條件具有極大的差別，并且隨著煤礦開采強度和深度的不斷增加，巷道變形量也在逐倍增長，導致巷道修復工作難度也在增加[7，8]，因此對于巷道修復設(shè)備也提出了更多的功能要求，比如：側(cè)掏皮帶底煤、臥底、刷幫、挑頂、破碎、銑挖、裝載、噴霧及卷纜等。因此，國外設(shè)備目前無法完全滿足國內(nèi)極為復雜的巷道地質(zhì)條件，且國外設(shè)備售價高、配件供應跟不上，導致無法大規(guī)模推廣使用，因此，進一步加快研制適合我國煤礦巷道地質(zhì)條件的巷道修復設(shè)備及其配套施工工藝迫在眉睫。

2 國內(nèi)巷道修復設(shè)備研制及應用現(xiàn)狀

為在我國快速推進煤礦井下巷道修復設(shè)備，2005年，河北工程學院王宏偉、王桂梅等人開始了巷道臥底機的相關(guān)設(shè)計研究，王宏偉提出，采用電機車作為動力地盤、既降低成本，又縮短研制周期，但是難點在于需要設(shè)計破碎工作機構(gòu)(截割機構(gòu))和液壓傳動與控制系統(tǒng)[9]。王桂梅提出借鑒公路銑刨機及其后續(xù)運輸工藝的工作原理，設(shè)計一款巷道臥底機，但是其技術(shù)難點在于設(shè)計銑刨鼓的結(jié)構(gòu)尺寸和破巖工作裝置的研制[10]。王宏偉，王桂梅等人只是提出了巷道修復機的雛形，并沒有實際加工生產(chǎn)和推廣應用，但是，他們卻指出了巷道修復機應有液壓傳動、獨立行走、破碎、裝載及運矸等功能。2011年，三一重型裝備有限公司山玉波、劉峰等人也提出了多功能臥底機設(shè)計的設(shè)想[11]，指出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、速度快、機動性能好的臥底機，該臥底機由臥底機主體、臥底鏟、破碎錘、承重平臺和截割滾筒等部件組成。

2013年，為適應我國煤礦巷道圍巖修復治理特殊要求，中煤科工集團西安研究院有限公司率先組成研發(fā)創(chuàng)新團隊，在吸收、消化再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，用現(xiàn)代設(shè)計分析手段并結(jié)合國內(nèi)煤礦具體條件進行創(chuàng)新設(shè)計，并連續(xù)申請名為“一種集鑿、挖、運、裝于一體的巷道修復機”和“一種機載分體式多角度刮板運輸機”的兩項發(fā)明專利[12，13]，研發(fā)成功的WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復機，(如圖6所示)，主要用于巷道底板修復治理，兼顧側(cè)幫和頂板修復施工。

圖6 WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復機

2014年，樣機在中煤集團禾草溝煤礦50107回風巷進行了歷時20d的工業(yè)性試驗，起底進尺161m，起底寬度3.2m，起底厚度0.4～0.6m[14，15]。累計修復進尺520m，相比較人工起底，采用巷道修復機機械化起底方式，共計節(jié)支成本105.6萬元。

2015年，該修復機又在陜煤集團大佛寺煤礦進行推廣應用，共計起底作業(yè)進尺320m，起底厚度0.3～1.2m，平均起底效率3m/h，就人均方量而言，修復機起底是人工起底的18倍[16]，相比較人工起底共節(jié)支32萬元。試驗結(jié)果表明，WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復機參數(shù)設(shè)計合理，施工安全性高、勞動強度低、作業(yè)環(huán)境好，該機型現(xiàn)已進入批量化生產(chǎn)。

2016年至2018年，WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復機又分別在亭南煤礦、趙莊煤礦和新元煤礦推廣應用，具體應用情況見表3。

表3 修復機在各礦應用情況

圖7 HXYL-120/90(A)多功能修復機

近年來，為適應現(xiàn)代化礦井要求，山西天地煤機裝備有限公司借鑒掘進機結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，研制了一款HXYL-120/90(A)多功能修復機，如圖7所示，依托該修復機申請“變形巷道機械化修復工藝及巷道修復機”發(fā)明專利[17]。HXYL-120/90(A)多功能修復機適應巷道高度3.6～4.8m，裝機功率90kW，輸送能力120m3/h，長×寬×高=9500mm×2600mm×2900mm，整機質(zhì)量36500kg，該機具備破碎、挖裝、運輸、錨護和自行走功能，能在順槽進行臥底、挖掘水溝、破巖和錨桿支護等施工作業(yè)，并采用三節(jié)臂式的工作機構(gòu)，來適應不同巷道高度要求。2015年，該機在淮南礦業(yè)集團朱集東礦進行了首次工業(yè)性試驗[18]，試驗結(jié)果表明，該修復機能夠提高效率、節(jié)省人力和成本、安全性高、液壓破碎錘破巖能力強。但是，由于該修復機整機重量及結(jié)構(gòu)尺寸等原因，對松軟底板或低矮變形巷道適應性不強。

2014年，張家口宣化華泰礦冶機械有限公司在吸收國內(nèi)外同類產(chǎn)品優(yōu)點的基礎(chǔ)上，并結(jié)合用戶實際需求，自主研發(fā)、制造的WPZ-37/600型煤礦用巷道修復機，如圖8所示。在此基礎(chǔ)上申請“一種巷道修復用工作機構(gòu)”發(fā)明專利一項[19]。WPZ-37/600煤礦用巷道修復機工作臂可以沿車身軸線旋轉(zhuǎn)360°，左右擺動±35°(擺動幅度≥5000mm)，上下移動350mm，可以滿足挖掘、側(cè)掏、翻轉(zhuǎn)、破巖、裝車、起吊等各項動作要求，實現(xiàn)挖掘毛水溝、臥底、破巖、清理浮煤、清理帶式輸送機底部、平整巷道及小型配件吊裝等多種功能。與此同時，石家莊煤礦機械有限公司也開發(fā)了一款WPZ-30/400煤礦用巷道修復機，如圖9所示。該修復機工作臂可以沿車身軸線旋轉(zhuǎn)±180°，同時配有前推鏟，可以滿足挖掘、側(cè)掏、翻轉(zhuǎn)、破巖、裝車、起吊等各項動作要求，實現(xiàn)挖掘毛水溝、臥底、破巖、清理浮煤、清理皮帶機底煤、平整巷道及小型配件吊裝等多種功能。

圖8 WPZ-37/600型煤礦用巷道修復機

圖9 WPZ-30/400型煤礦用巷道修復機

2014年，沈陽天安科技有限公司在引進吸收國內(nèi)外相關(guān)巷道修復設(shè)備基礎(chǔ)上，自行研制了一款WPZ-4/80型礦用破碎轉(zhuǎn)載臥底機，如圖10(a)所示。WPZ-4/80型礦用破碎轉(zhuǎn)載臥底機額定功率22kW，最大臥底深度420mm，最大卸載高度1400mm，破碎錘沖擊功率4kW，長×寬×高=4400mm×800mm×1100mm，結(jié)構(gòu)小巧、可快速更換破碎錘、鏟斗、液壓剪及銑挖頭等執(zhí)行機構(gòu)，可對煤礦巷道皮帶下方浮煤進行側(cè)掏作業(yè)，另外，該機最大特點是可進行遙控施工作業(yè)，如圖10(b)所示為無線遙控器，特別是在修復頂板或側(cè)幫時，可最大限度保障施工作業(yè)人員人身安全。

圖10 WPZ-4/80型礦用破碎轉(zhuǎn)載臥底機

現(xiàn)階段，國內(nèi)煤礦巷道修復設(shè)備卻處于“百花齊放”和“百家爭鳴”的狀態(tài)。但是，國內(nèi)修復設(shè)備在設(shè)計制造、加工工藝及自動化水平方面與國際先進技術(shù)水平存在較大差距，特別是在自動化水平，保障操作人員安全性方面，相關(guān)企業(yè)已瞄準市場，正在積極研制。

3 我國煤礦用巷道修復設(shè)備發(fā)展趨勢

目前，針對我國煤礦用巷道修復設(shè)備的應用現(xiàn)狀及所面臨的問題，可以預測修復設(shè)備將從以下三個方面發(fā)展。

3.1 完善巷道修復設(shè)備功能，提高可靠性和穩(wěn)定性

修復設(shè)備在狹窄變形巷道修復過程中會涉及破碎、挖裝、運輸、錨護、自行走、臥底、掏水溝及吊裝等工作，因此，要求修復設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸做到盡可能小的情況下，還要求對修復設(shè)備的功能進行高度集成，一機多用，通過快速更換各種執(zhí)行機構(gòu)，完成不同種類施工作業(yè)。并且還要求修復設(shè)備具有足夠的可靠性和穩(wěn)定性，這兩點主要從以下兩方面進行考慮：①應用數(shù)值仿真分析軟件，簡化機械機構(gòu)，增大零部件安全系數(shù)，提高零部件的可靠性和整機的穩(wěn)定性：②對關(guān)鍵、易損零部件實施過載保護和狀態(tài)檢測，設(shè)計故障診斷等功能，確保修復設(shè)備的正常運行，提高整機穩(wěn)定性。

3.2 提高巷道修復設(shè)備智能控制水平

巷道修復設(shè)備主要在狹窄變形巷道進行修復施工作業(yè)，存在諸多不安全因素，因此，必須提高修復機智能化與自動化水平，進一步完善故障診斷功能。未來發(fā)展趨勢是運用電控系統(tǒng)實現(xiàn)修復機的遙控作業(yè)和離機作業(yè)，并具有故障診斷和監(jiān)測等功能。

3.3 加強巷道修復設(shè)備與修復施工工藝匹配

我國煤礦資源分布廣泛、煤層地質(zhì)條件復雜，巷道條件各不相同，而且修復機在修復施工過程中會與錨桿機、掘進機及膠輪車等相關(guān)設(shè)備交互施工，因此加強修復機與修復施工工藝匹配，才能更好發(fā)揮修復機巷道修復施工作業(yè)能力。

4 結(jié) 語

總的來說，國產(chǎn)修復設(shè)備還處于起步階段，因此對于修復設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)需分段攻關(guān)研究。第一階段：加強煤礦低矮變形巷道圍巖控制治理技術(shù)研究，并采用現(xiàn)代化設(shè)計手段及方法，開發(fā)一機多用的多功能巷道修復機，滿足國內(nèi)大多數(shù)煤巷修復治理施工。第二階段：提升國產(chǎn)巷道修復裝備向自動化、系統(tǒng)化、無人化發(fā)展，集成巷道修復機、刮板運輸機、攪拌站及注漿泵等設(shè)備，實現(xiàn)機群流水化快速修復治理施工作業(yè)，最終，大幅度提升我國煤礦巷道修復治理技術(shù)與裝備，促進國內(nèi)煤礦巷道圍巖控制技術(shù)的進一步發(fā)展，確保煤礦安全高效生產(chǎn)，推動煤礦行業(yè)技術(shù)進步。