馬昭

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

0 引言

采掘協(xié)調(diào)一直是煤炭生產(chǎn)過程中關(guān)注的重要問題，特別是采煤綜合自動(dòng)化、信息化發(fā)展以來，采煤工作面推進(jìn)速度不斷加快[1]。而巷道掘進(jìn)速度嚴(yán)重滯后于采煤速度，一般煤礦需要4～5個(gè)掘進(jìn)工作面確保1個(gè)綜采工作面正常生產(chǎn)，導(dǎo)致采掘接替困難。工作面巷道的掘進(jìn)速度成為制約大多數(shù)礦井高產(chǎn)高效的主要因素[2]。一般巷道掘進(jìn)中采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)與人工單體錨桿鉆機(jī)順序作業(yè)，掘后即錨，導(dǎo)致掘錨不能平行作業(yè)。錨桿支護(hù)時(shí)間占到巷道掘進(jìn)時(shí)間的 60%左右，支護(hù)人員占到60%以上，造成掘進(jìn)效率低下。因此，有必要研究滿足掘錨平行作業(yè)和掘錨集成順序作業(yè)的掘錨一體化裝備，從而縮短錨護(hù)作業(yè)循環(huán)時(shí)間，提高掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率和進(jìn)尺率。近些年，國內(nèi)外相繼開發(fā)了適用于煤巷穩(wěn)定頂板的掘錨聯(lián)合機(jī)組及掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)，在快速掘進(jìn)方面應(yīng)用效果良好。因此，發(fā)展掘錨一體化技術(shù)是巷道快速掘進(jìn)的必然要求[3]。

1 掘錨一體化裝備現(xiàn)狀

1.1 掘錨機(jī)組

掘錨聯(lián)合機(jī)組(Bolter-Miner)是20世紀(jì)80年代中、末期為適應(yīng)綜采工作面快速推進(jìn)的要求而研制的一種煤巷快速掘進(jìn)和錨桿支護(hù)新型技術(shù)裝備[4]。1990年奧地利Voest Alpine公司根據(jù)澳大利亞煤礦的經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)出ABM20掘錨機(jī)組，主副機(jī)架能夠相對(duì)滑動(dòng)，解決了掘錨平行作業(yè)問題。該機(jī)安裝4臺(tái)頂板錨桿鉆機(jī)、2臺(tái)幫錨桿鉆機(jī)及臨時(shí)支護(hù)裝置。1992年改型為ABM30掘錨機(jī)組，將截割和裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的能力加大，減少了錨桿鉆機(jī)臺(tái)數(shù)。1992年，英國Anderson公司研制出KBII掘錨機(jī)組，其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)與ABM20掘錨機(jī)組的大致相同。

掘錨一體機(jī)按作業(yè)方式可劃分為兩類：一類是同時(shí)實(shí)現(xiàn)掘錨作業(yè)的掘錨一體機(jī)，代表機(jī)型有ABM20、KBII等系列；另一類是先截割后支護(hù)的掘錨一體機(jī)，如12BMl8、12CMl5等系列掘錨機(jī)。這些掘錨機(jī)機(jī)重約60～70 t，裝機(jī)功率500～580 kW，最大可掘斷面18 m2。其共同的特點(diǎn)是在截割部后面加裝了幾臺(tái)錨桿鉆機(jī)，截割機(jī)構(gòu)和鏟板固定在套筒式滑動(dòng)機(jī)構(gòu)上。割煤時(shí)，截割部和鏟板可以一起向前伸縮進(jìn)給，不需要履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)刀，截割滾筒和錨桿鉆機(jī)可以同時(shí)工作，互不干涉。因此，在截割煤巖時(shí)，錨桿鉆機(jī)可同時(shí)進(jìn)行錨桿的打設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。截割滾筒由3部分組成，其左、右端滾筒均可利用液缸伸縮。裝載部呈“T”型結(jié)構(gòu)，左、右兩臺(tái)集煤刮板機(jī)各自利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)向中央刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效縮短了裝載部長(zhǎng)度，利于錨桿鉆機(jī)更靠近煤壁。機(jī)載4臺(tái)頂板錨桿鉆機(jī)和2臺(tái)側(cè)幫錨桿鉆機(jī)，在掘進(jìn)的時(shí)候同時(shí)可打頂部和幫錨桿，提高了成巷效率。

國內(nèi)對(duì)掘錨機(jī)組的研究仍處于起步階段。2016年中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司(簡(jiǎn)稱太原研究院)研制出EJM340/4-2掘錨一體機(jī)，如圖1所示。該裝備機(jī)重100 t，整機(jī)功率742 kW，截割功率340 kW，截割高度3.2～5.0 m，截割寬度5.7 m，機(jī)載6臺(tái)錨桿鉆臂，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)載破碎、錨索施工過程中的全自動(dòng)鉆孔、側(cè)幫底部錨桿支護(hù)等。在工作時(shí)掘進(jìn)與支護(hù)同時(shí)作業(yè)，采用大功率低轉(zhuǎn)速的截割滾筒，使截割過程中產(chǎn)生的粉塵降至最低。截割頭掏槽和截割都由微機(jī)控制，使截割循環(huán)及電動(dòng)機(jī)工作負(fù)載最優(yōu)化。其具有負(fù)載壓力復(fù)制的負(fù)載敏感比例多路閥，提高了液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度和反饋信號(hào)精度。采用的掘錨機(jī)組超前同步推進(jìn)式臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)，跟隨截割同步前移，將空頂距由1.2 m減至0.4 m，為安全掘進(jìn)提供了保障。

圖1 EJM340/4-2掘錨一體機(jī)

巷道掘進(jìn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。掘錨機(jī)組雖具有6個(gè)鉆臂，但對(duì)提高掘進(jìn)效率有限。近年來，太原研究院開展了掘錨機(jī)為龍頭的煤巷高效快速掘進(jìn)技術(shù)研究，形成了“掘支運(yùn)三位一體煤巷高效掘進(jìn)系統(tǒng)”系列化成套裝備，包括掘錨機(jī)組、履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)、八臂錨桿鉆車、錨桿轉(zhuǎn)載破碎機(jī)組、可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、邁步式自移機(jī)尾等配套設(shè)備。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)有機(jī)整合在一起，有效解決了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)鹊耐竭M(jìn)行等問題，實(shí)現(xiàn)了掘錨運(yùn)連續(xù)平行作業(yè)[5]。在掘錨機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)，后配套八臂錨桿鉆車可同時(shí)進(jìn)行多根錨桿的打設(shè)。該系統(tǒng)在神東礦區(qū)大柳塔煤礦快速掘進(jìn)系統(tǒng)完成進(jìn)尺3 088 m，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定頂板條件下掘錨同步作業(yè)。

1.2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)

基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘錨一體化裝備是針對(duì)不同的地質(zhì)條件而開發(fā)的，適用范圍廣，可用于煤、半煤巖及巖巷，在復(fù)雜的頂板條件下也可使用。采用不同形式的單臂或雙臂錨桿鉆機(jī)與掘進(jìn)機(jī)有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)掘后即錨，掘進(jìn)和支護(hù)順序作業(yè)。液壓錨桿鉆機(jī)可遙控手動(dòng)操作，不但減輕了單體錨桿鉆機(jī)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了鉆孔效率。掘進(jìn)機(jī)掘錨一體化方式包括：集成在履帶左右兩側(cè)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的雙臂機(jī)載錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)；布置在機(jī)身左右兩側(cè)或上部的滑軌式機(jī)載鉆機(jī)系統(tǒng)；跨騎在掘進(jìn)機(jī)截割部雙臂的錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)[6]。

集成在履帶左右兩側(cè)推進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)的鉆臂系統(tǒng)如圖2所示。伸縮機(jī)構(gòu)通過固定架安裝在履帶上，左右兩側(cè)的伸縮臂通過油缸伸到迎頭，鉆機(jī)鉸接在前部的橫梁上面，可以左右移動(dòng)，也可以旋轉(zhuǎn)打設(shè)帶一定角度的錨桿。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)鉆機(jī)收回到整機(jī)側(cè)面后部，不影響截割；其缺點(diǎn)是鉆機(jī)安裝在履帶兩側(cè)，整機(jī)較寬，需要較寬的斷面才能適應(yīng)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)履帶兩側(cè)配套錨桿鉆機(jī)

跨騎在掘進(jìn)機(jī)截割部?jī)蓚?cè)的可翻轉(zhuǎn)鉆臂系統(tǒng)過一個(gè)伸展架鉸接在掘進(jìn)機(jī)截割懸臂的兩側(cè)，形成一個(gè)穩(wěn)定的剛性“U”型框架。鉆機(jī)鉸接在伸縮橫梁上，可沿巷道寬度方向伸縮移動(dòng)，以適應(yīng)不同間距錨桿的打設(shè)，如圖3所示。兩組油缸推展至迎頭并調(diào)節(jié)鉆機(jī)的工作位置。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為不影響掘進(jìn)機(jī)整機(jī)寬度，對(duì)巷道寬度的適應(yīng)性較強(qiáng)。但是整機(jī)較高，而且會(huì)影響掘進(jìn)機(jī)割煤時(shí)司機(jī)的視線，且整套系統(tǒng)質(zhì)量較重，造成掘進(jìn)機(jī)頭重腳輕，影響整機(jī)重心。

圖3 掘進(jìn)機(jī)配套跨騎式錨桿鉆機(jī)

國內(nèi)主流的掘錨一體化裝備為布置在機(jī)身兩側(cè)的滑軌式機(jī)載錨桿鉆機(jī)，如圖4所示。軌道采用壓板框架式結(jié)構(gòu)，槽形內(nèi)置上板兩側(cè)平面為推進(jìn)機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)軌道，在滑道上安裝基座,基座上部安裝可伸縮的鉆臂系統(tǒng)?；ㄟ^齒輪齒條或者油缸鏈條的倍增機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，也有使用減速器帶動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)使基座在滑軌上前后移動(dòng)。鉆臂系統(tǒng)由伸縮梁、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推展機(jī)構(gòu)組成。伸縮梁把鉆機(jī)送入空頂區(qū)，然后由伸縮機(jī)構(gòu)和推展機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)眼位，從而實(shí)現(xiàn)錨桿孔的打設(shè)和錨桿安裝。操作臺(tái)固定在鉆架旁邊，也可以使用遙控操作鉆機(jī)。

掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了掘錨順序作業(yè)，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了單孔的鉆孔效率，尤其是打單根錨索效率[7]。一般情況下，打錨索可節(jié)約50%左右的時(shí)間。但是一般機(jī)載錨桿鉆機(jī)只有2個(gè)鉆機(jī)同時(shí)工作，如果人工打錨桿的話，至少需要4人同時(shí)工作，總體效率比人工作業(yè)的效率低。其次，掘錨一體機(jī)體積較大，只能在大斷面巷道使用。在錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)條件下支護(hù)工藝復(fù)雜，鋪網(wǎng)、錨索支護(hù)沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在大斷面巷道掘進(jìn)中一次不能對(duì)頂、幫錨桿進(jìn)行安裝，需要停機(jī)安裝錨桿，多數(shù)機(jī)組只能掘進(jìn)矩形斷面巷道。錨桿鉆機(jī)離煤壁的控頂距仍然偏大，對(duì)破碎頂板的巷道適應(yīng)性差。

圖4 掘進(jìn)機(jī)機(jī)載軌道式錨桿鉆機(jī)

2 掘錨一體化發(fā)展趨勢(shì)

2.1 掘錨集成與系列化

掘錨一體化技術(shù)是建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的關(guān)鍵。掘錨一體化不應(yīng)該是掘進(jìn)機(jī)與錨桿機(jī)的簡(jiǎn)單疊加，而是通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的集成，成為一個(gè)有機(jī)的整體。掘錨一體化設(shè)備配套后應(yīng)盡量減小對(duì)掘進(jìn)機(jī)主機(jī)的影響，增加錨桿鉆機(jī)后不影響主機(jī)的正常維檢，可以適應(yīng)較小的巷道斷面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，鉆孔對(duì)眼準(zhǔn)確方便，鉆眼穩(wěn)定。在對(duì)巷道進(jìn)行有效支護(hù)的基礎(chǔ)上，最大程度地發(fā)揮裝備的整體性能。

掘錨一體化裝備應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，提高掘進(jìn)機(jī)截割性能的同時(shí)，提高錨護(hù)效率，并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，以保證掘錨機(jī)的先進(jìn)性和實(shí)用性。這樣才能更好地滿足市場(chǎng)需求并推動(dòng)煤礦機(jī)械的發(fā)展。

2.2 研制集成多臂錨桿鉆機(jī)的掘錨一體機(jī)

現(xiàn)有的人工打錨桿的普遍方法是當(dāng)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)完成后，后撤3～5 m，然后將單體錨桿機(jī)人工移至工作面，連接管路、啟動(dòng)錨桿機(jī)進(jìn)行打眼、安裝等工作。支護(hù)工作結(jié)束后，退出單體錨桿機(jī)，再進(jìn)行掘進(jìn)。其存在的主要問題為掘進(jìn)機(jī)開進(jìn)退出非常頻繁，錨桿機(jī)依靠人工搬運(yùn)，造成輔助作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、占用人員多、掘進(jìn)效率低、工作環(huán)境差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

滾筒式掘錨機(jī)組是將掘進(jìn)與支護(hù)有機(jī)地組合起來，縮短掘進(jìn)與支護(hù)設(shè)備的換位作業(yè)時(shí)間，在同一臺(tái)設(shè)備上完成掘進(jìn)和支護(hù)工藝。但其只適用于穩(wěn)定頂板，而且價(jià)格昂貴、控頂距大，需要在大斷面巷道中才能工作，難以推廣。

目前的懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)，一般具有雙臂和單臂機(jī)載鉆機(jī)，提高效率有限，而且缺少臨時(shí)支護(hù)。研制具有臨時(shí)支護(hù)集成多臂錨桿機(jī)的懸臂式掘錨一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)多根錨桿的同時(shí)打設(shè)，而且互不影響，既可解決迎頭的安全問題，又可實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。

3 結(jié)語

掘錨一體化應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的差異性使用不同的裝備。在頂板條件好的煤巷掘進(jìn)中使用掘錨機(jī)組。在其他復(fù)雜地質(zhì)條件下發(fā)展懸臂式掘進(jìn)機(jī)集成鉆臂系統(tǒng)。首先，要提高鉆機(jī)本身的性能及與掘進(jìn)機(jī)的合理匹配，還要兼顧每個(gè)工序的作業(yè)時(shí)間，在縮短支護(hù)作業(yè)時(shí)間的同時(shí)，提高設(shè)備利用率。此外，根據(jù)掘進(jìn)工藝及施工組織方式，研發(fā)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載多臂鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)相結(jié)合的方式，從而提高成巷速度。