杜善周， 康鵬

(1. 國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)， 陜西 神木 719300；2. 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

隨著巷道掘進(jìn)速度的提高和井下操作人員安全意識(shí)的加強(qiáng)，對頂板和側(cè)幫維護(hù)的操作方式、工序時(shí)間及安全性提出了新的要求。以目前廣泛使用的人工錨桿鉆機(jī)為例，盡管部分實(shí)現(xiàn)了液控的自動(dòng)運(yùn)行，但是安裝錨桿、拆裝鉆桿和藥卷等動(dòng)作仍需手動(dòng)作業(yè)，更為落后的人工單體錨桿機(jī)仍然大量在井下使用[1-2]。人工對頂板和側(cè)幫進(jìn)行維護(hù)，不僅對操作人員體能消耗大；而且極為惡劣的粉塵環(huán)境和空頂區(qū)易冒頂?shù)纫蛩貒?yán)重威脅著操作人員的身心健康和安全。

國外采礦設(shè)備制造商為了克服以上困難，紛紛開展了無人操作的自動(dòng)支護(hù)設(shè)備的研制。支護(hù)設(shè)備制造商Fletcher公司推出了Fletcher 3000系列全自動(dòng)錨桿鉆車。美國煤機(jī)設(shè)備制造商JOY公司早在1980年初就開展了自動(dòng)單臂錨桿鉆車的研制，于2012年推出了最新的全自動(dòng)錨桿鉆機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)國內(nèi)巷道錨護(hù)高安全性、高速度、低工作強(qiáng)度的目標(biāo)，開展錨桿支護(hù)設(shè)備全過程自動(dòng)化、智能化的工作已迫在眉睫[3]。

全自動(dòng)錨桿鉆車是山西天地煤機(jī)裝備有限公司根據(jù)市場需求并結(jié)合公司現(xiàn)有技術(shù)資源，研制的大支護(hù)斷面的錨桿支護(hù)設(shè)備。該鉆車可與多種掘進(jìn)設(shè)備配套使用，既能作為主要支護(hù)設(shè)備完成整個(gè)巷道斷面的錨桿支護(hù)工作，又能作為輔助支護(hù)設(shè)備補(bǔ)打頂板及側(cè)幫錨桿，還能兼打錨索。同時(shí)，為全自動(dòng)錨桿鉆車建立了專門的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對其進(jìn)行了錨鉆噪聲測試。

1 技術(shù)方案與總體參數(shù)

全自動(dòng)錨桿鉆車主要由底盤、升降機(jī)構(gòu)總成、臨時(shí)支護(hù)、智能鉆架、泵站、料斗、液壓系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及附件組成。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-底盤; 2-升降機(jī)構(gòu)總成; 3-臨時(shí)支護(hù); 4-泵站; 5-料斗;6-附件; 7-液壓系統(tǒng); 8-電氣系統(tǒng); 9-除塵系統(tǒng);

工作過程如下：臨時(shí)支護(hù)首先接頂，其次升降機(jī)構(gòu)總成將智能鉆架升到適當(dāng)位置接頂，在智能鉆架完成頂錨后，旋轉(zhuǎn)油缸將智能鉆架旋轉(zhuǎn)90°，接側(cè)壁后打側(cè)錨，完成后復(fù)位；鉆車移動(dòng)到下個(gè)位置，重復(fù)以上動(dòng)作。

全自動(dòng)錨桿鉆車采用窄機(jī)身設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，布局合理。其具體技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/(mm×mm×mm)6 000×1 400×3 200質(zhì)量/kg約16 000適應(yīng)巷道/m2最大25爬坡能力/(°)16行走速度/(m·min-1)0～20鉆桿轉(zhuǎn)速/(r·min-1)500±50錨鉆時(shí)間/min≤3

2 全自動(dòng)錨桿鉆車電液控制系統(tǒng)

全自動(dòng)錨桿鉆車的電氣嵌入式控制系統(tǒng)由外部總線和內(nèi)部總線2部分組成。外部總線連接智能鉆架、變頻電牽引定步距控制系統(tǒng)和自動(dòng)干式除塵控制系統(tǒng)；內(nèi)部總線連接煤層硬度分析系統(tǒng)、狀態(tài)診斷系統(tǒng)、設(shè)備自檢系統(tǒng)和狀態(tài)檢修系統(tǒng)。外部總線和內(nèi)部總線通過中控主機(jī)連為一體，互相交聯(lián)。控制系統(tǒng)如圖2所示。

智能鉆架通過設(shè)置錨護(hù)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行程序的調(diào)整，以適應(yīng)具體錨桿支護(hù)工藝要求。

全自動(dòng)錨桿鉆車定步距行走系統(tǒng)采用AC變頻調(diào)速牽引行走系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓馬達(dá)行走系統(tǒng)。該行走系統(tǒng)具有行走響應(yīng)速度快、調(diào)速精確等優(yōu)點(diǎn)，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)改善了行走系統(tǒng)的控制性能。

圖2 全自動(dòng)錨桿鉆架嵌入式控制系統(tǒng)

自動(dòng)干式除塵控制系統(tǒng)通過檢測除塵系統(tǒng)吸風(fēng)口負(fù)壓，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)干式除塵系統(tǒng)啟動(dòng)、清灰和故障檢測。

煤層硬度分析系統(tǒng)采用人工視覺煤層成像技術(shù)，通過人工視覺分析煤巖硬度，實(shí)現(xiàn)了鉆孔成孔的參數(shù)自適應(yīng)控制。

健康診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障診斷、報(bào)警保護(hù)、狀態(tài)記錄等功能。將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程維護(hù)中心，遠(yuǎn)程維護(hù)中心通過對數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)評判和維護(hù)建議。

設(shè)備啟動(dòng)自檢及關(guān)聯(lián)設(shè)備狀態(tài)檢測功能具有傳感器自檢功能。開機(jī)后，可以通過自檢程序檢測傳感器是否有損壞情況。該功能有效降低了設(shè)備故障率，提高了系統(tǒng)可靠性。同時(shí)，對前后關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測，以決定錨桿機(jī)操作動(dòng)作。

采用先進(jìn)軟件開發(fā)了全自動(dòng)錨桿鉆車狀態(tài)顯示界面。該界面主要包含了整機(jī)狀態(tài)顯示區(qū)、電機(jī)狀態(tài)顯示區(qū)和故障報(bào)警區(qū)。

全自動(dòng)錨桿鉆車的液壓系統(tǒng)為開式系統(tǒng)[4-5]，實(shí)現(xiàn)了工作臂的動(dòng)作和自動(dòng)鉆架的驅(qū)動(dòng)。液壓系統(tǒng)通過電磁閥、壓力傳感器與電氣控制系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對整機(jī)的精確控制。

3 整機(jī)錨鉆測試

全自動(dòng)錨桿鉆車整機(jī)于2019年2月進(jìn)行了控制系統(tǒng)程序調(diào)試與功能測試，于3月初進(jìn)行了巖石鉆孔臺(tái)測試。全自動(dòng)錨桿鉆車整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)為高6 m、長8 m的全金屬框架結(jié)構(gòu)?？蚣茼敳康姆较鋬?nèi)放置20 t的砂巖塊來模擬頂板。整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)采用膨脹螺栓固定到水泥地面上，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定安全的測試環(huán)境。全自動(dòng)錨桿鉆車整機(jī)測試如圖3所示。

測試共鉆孔80多眼，深度2.5 m，設(shè)備運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了行走、定位、錨護(hù)、鋪網(wǎng)和藥卷噴射的自動(dòng)化，時(shí)間由4 min降低到3 min，成孔質(zhì)量良好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。鉆孔的效果如圖4所示。

圖3 全自動(dòng)錨桿鉆車實(shí)驗(yàn)

圖4 全自動(dòng)錨桿鉆車鉆孔效果

4 智能鉆架噪聲測試

全自動(dòng)錨桿鉆架噪聲測試系統(tǒng)包括振動(dòng)測試平臺(tái)、信號(hào)采集塊、計(jì)算機(jī)信號(hào)處理及測試數(shù)據(jù)的在線保存和發(fā)布等部分。具體配置是： LMS SCADAS SCR05 16+2+2通道數(shù)據(jù)采集前端； PDA控制器； LMS數(shù)據(jù)采集和分析軟件； 國產(chǎn)傳感器等附件。

智能鉆架的錨箱運(yùn)行到頂點(diǎn)時(shí)，錨桿倉側(cè)聲強(qiáng)分布如圖5所示。從圖5中可以得出，鉆架上面部分鉆孔噪聲較大，為80.2 dB； 鉆架下面聲強(qiáng)分布在70 dB 左右(左下角失真)，比傳統(tǒng)鉆架噪聲降低10%。

5 結(jié)論

全自動(dòng)錨桿鉆車提高了支護(hù)安全性與支護(hù)效率并減少了錨護(hù)人員數(shù)量，平均錨桿支護(hù)時(shí)間縮短了25%。傳統(tǒng)錨鉆系統(tǒng)一般1人最多操作1個(gè)鉆臂，而智能錨護(hù)系統(tǒng)多個(gè)鉆臂只需要1人巡檢即可。

圖5 智能鉆架錨桿倉側(cè)聲強(qiáng)分布

全自動(dòng)錨桿鉆車實(shí)現(xiàn)錨桿作業(yè)工序——鉆孔、上錨桿、緊固錨桿、錨桿連續(xù)供給等的全自動(dòng)化；實(shí)現(xiàn)樹脂藥卷自動(dòng)充填；具備姿態(tài)調(diào)整，且行走可本機(jī)操作和遙控操作；具備錨索支護(hù)功能。

全自動(dòng)錨桿鉆車對于提高巷道掘進(jìn)的自動(dòng)化水平和安全水平、降低鉆架噪聲、減輕低支護(hù)工作強(qiáng)度具有重要意義；同時(shí)，也為高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)向無人化、智能化發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。全自動(dòng)錨桿鉆車的研制成功，實(shí)現(xiàn)了煤炭行業(yè)“機(jī)械化減人，智能化換人”的夙愿，為我國安全礦井的建設(shè)增添了全新的保障手段。