王威

(1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī) 裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤炭是我國最重要的能源之一，由于采掘設(shè)備的限制，現(xiàn)階段煤炭開采尚處在較低的層面，亟需開發(fā)一種高效開采掘進(jìn)系統(tǒng)[1]。現(xiàn)有的開采工藝一般是掘進(jìn)機(jī)配套錨桿鉆車進(jìn)行采掘，兩者交替工作，掘進(jìn)機(jī)開采一段距離后退出該掘進(jìn)頭，隨后錨桿鉆車進(jìn)入剛掘進(jìn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行錨桿支護(hù)。這種掘進(jìn)工藝存在兩方面的弊端：一是掘進(jìn)機(jī)切換巷道時整機(jī)的調(diào)機(jī)時間過長，降低了巷道的成巷效率；二是掘進(jìn)機(jī)比較笨重，行動時存在多項(xiàng)安全隱患，同時增加了操作人員的勞動強(qiáng)度。因此需要研制一種新型的錨桿鉆車，使其能夠配套掘進(jìn)機(jī)和掘錨機(jī)組進(jìn)行巷道掘進(jìn)，縮短不必要的調(diào)機(jī)時間，降低操作人員的勞動強(qiáng)度，同時提高巷道的掘進(jìn)速度，縮短巷道的成巷時間。頂板條件好且斷面較大的巷道一般都選用掘錨機(jī)組進(jìn)行巷道掘進(jìn)，為了提高巷道的掘進(jìn)速度，將采掘和支護(hù)分開，掘錨機(jī)組負(fù)責(zé)巷道掘進(jìn)需開發(fā)一種新型錨桿支護(hù)設(shè)備，該設(shè)備能夠覆蓋整個巷道斷面。根據(jù)巷道的具體情況，開發(fā)出一種新型十臂錨桿鉆車。

1 高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)

十臂錨桿鉆車的開發(fā)設(shè)計主要是為了配套掘錨機(jī)組實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道的高效快速掘進(jìn)，其中掘錨機(jī)組負(fù)責(zé)進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，十臂錨桿鉆車主要負(fù)責(zé)進(jìn)行巷道的錨桿支護(hù)，同時配套彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)組進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸。十臂錨桿鉆車的開發(fā)設(shè)計主要依據(jù)巷道的錨桿支護(hù)情況和支護(hù)數(shù)量[2]。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司與神東煤炭集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了一種新型的高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)，并準(zhǔn)備在神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦進(jìn)行使用。神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦5-2煤層中的52501、52502工作面中巷道頂錨的支護(hù)數(shù)量為6根2 200 mm長的金屬錨桿，側(cè)錨為1 800 mm的玻璃鋼錨桿，因此在進(jìn)行整機(jī)設(shè)計時需要充分考慮實(shí)際支護(hù)情況。十臂錨桿鉆車在快掘系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)進(jìn)行全部錨桿支護(hù)，而掘錨機(jī)組負(fù)責(zé)進(jìn)行巷道的截割，為了發(fā)揮掘錨機(jī)組的最大截割能力，需要十臂錨桿鉆車完成全部巷道中的錨桿支護(hù)，因此考慮將錨桿鉆車設(shè)計為6臺頂錨桿鉆機(jī)和4臺側(cè)幫錨桿鉆機(jī)，整機(jī)能夠同時完成10個錨桿支護(hù)。整套系統(tǒng)需要同時進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，具備不間斷運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和運(yùn)能大的優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和梭車都無法滿足高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)中的運(yùn)輸能力要求，需要開發(fā)一種新型的帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，具備不間斷連續(xù)運(yùn)輸和自適應(yīng)的拐彎能力，因此整套系統(tǒng)中配備的帶式轉(zhuǎn)載機(jī)為彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)[3]，見圖1。

1-掘錨機(jī)組; 2-十臂錨桿鉆車; 3-可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī);4-邁步式自移機(jī)尾。圖1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 十臂錨桿鉆車的研制

十臂錨桿鉆車在設(shè)計初期借鑒現(xiàn)有錨桿鉆車的設(shè)計理念，在整機(jī)的前側(cè)布置盡量多的錨桿鉆機(jī)，但受到巷道寬度的限制，在整機(jī)的前端布置4臺頂錨桿鉆機(jī)，由于巷道一次需要支護(hù)完成6根頂錨桿，因此整機(jī)采用分段式設(shè)計，距離第一排頂錨桿2 m的間距布置兩臺頂錨桿鉆機(jī)，采用分段支護(hù)的方式能夠一次性完成全部頂錨桿支護(hù)，縮短支護(hù)時間，提高巷道的掘進(jìn)截割速度[5]。受到整機(jī)布置的限制，在前端的4臺頂錨桿鉆機(jī)具備左右滑移和前后擺動的功能，而靠后的兩臺鉆機(jī)采用定點(diǎn)支護(hù)的方式固定，其具備左右擺動的功能。鉆機(jī)全部采用新型的電液控制操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作和一鍵啟動功能，降低現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度，提高操作舒適性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)錨鉆系統(tǒng)的整體自動化提供技術(shù)支持和技術(shù)儲備。

整機(jī)不僅需要具備頂錨支護(hù)的功能，在巷道掘進(jìn)過程中還需要同時進(jìn)行巷道側(cè)幫錨桿支護(hù)，但是由于整機(jī)的布置方式和支護(hù)速度，無法實(shí)現(xiàn)四臂錨桿鉆車中頂錨鉆機(jī)同時進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)和側(cè)幫錨桿支護(hù)，因此在十臂錨桿鉆車中還布置有4臺側(cè)幫錨桿鉆機(jī)負(fù)責(zé)側(cè)幫錨桿支護(hù)。4臺鉆機(jī)采用兩兩布置的方式布置在整機(jī)的尾端，且側(cè)幫鉆機(jī)與前側(cè)和中側(cè)頂錨鉆機(jī)的間距都為整數(shù)倍，可以更好地實(shí)現(xiàn)煤礦錨桿支護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掘、支、運(yùn)平行作業(yè)，其中十臂錨桿鉆車在進(jìn)行巷道的錨桿支護(hù)時，掘錨機(jī)能夠進(jìn)行巷道的截割，且十臂錨桿鉆車在進(jìn)行錨桿支護(hù)時無法移動，需要給掘錨機(jī)組配套一種能夠?qū)崿F(xiàn)移動的帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，能夠在分段式錨桿機(jī)中移動，兩者間通過銷齒機(jī)構(gòu)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退，保證兩者間既可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動，同時也能夠同步前進(jìn)和后退。整套高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)中，掘錨機(jī)負(fù)責(zé)巷道截割和牽引帶式轉(zhuǎn)載機(jī)前進(jìn)，十臂錨桿鉆車負(fù)責(zé)巷道的錨桿支護(hù)，帶式轉(zhuǎn)載機(jī)則負(fù)責(zé)將掘錨機(jī)組截割下來的物料轉(zhuǎn)運(yùn)至巷道中的主帶式輸送機(jī)上，提高了巷道的掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了掘、支、運(yùn)平行作業(yè)。

1-頂錨鉆機(jī)； 2-工作臺； 3-泵站； 4-底盤； 5-側(cè)幫鉆機(jī)；6-除塵系統(tǒng)； 7-附件； 8-除塵風(fēng)筒。圖2 十臂錨桿鉆車的組成

3 十臂錨桿鉆車的應(yīng)用

神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦的煤層賦存近水平分布，局部呈現(xiàn)寬緩的波狀起伏，掘進(jìn)過程中煤層裂隙較發(fā)育，易片幫冒頂。因此巷道支護(hù)時均采用“冷拔絲網(wǎng)+圓鋼錨桿+錨索”的方式進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，通過上分層巷道時采用“錨桿+冷拔絲網(wǎng)+U29鋼棚”進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。順槽正幫采用“塑料網(wǎng)+玻璃鋼錨桿”的方式進(jìn)行支護(hù)，副幫采用“冷拔絲網(wǎng)+圓鋼錨桿”的方式進(jìn)行支護(hù)。

巷道施工時，山特維克MB670/241型掘錨機(jī)負(fù)責(zé)掘進(jìn)，巷道一次成形。十臂錨桿鉆車在掘錨機(jī)組之后負(fù)責(zé)進(jìn)行巷道的錨桿支護(hù)，能夠同時完成6根頂錨桿和4根側(cè)幫錨桿支護(hù)，且10臺鉆機(jī)能夠同時進(jìn)行錨桿支護(hù)且互不干擾，只需5～6 min即可完成整個巷道的錨桿支護(hù)，縮短了巷道的支護(hù)時間，提高了巷道的成巷速度，且掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的物料通過布置在十臂錨桿鉆車底部的可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至主帶式輸送機(jī)上運(yùn)至煤倉。整套高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)在巷道掘進(jìn)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)掘、支、運(yùn)平行作業(yè)，快速掘進(jìn)系統(tǒng)自應(yīng)用以來，單班最高進(jìn)尺85 m，日最高進(jìn)尺158 m，月最高進(jìn)尺3 088 m，創(chuàng)造了當(dāng)時大斷面單巷掘進(jìn)的世界記錄，首次實(shí)現(xiàn)煤礦井下掘進(jìn)工作面的綜合掘進(jìn)機(jī)械化。

圖3 十臂錨桿鉆車支護(hù)

4 結(jié)論

十臂錨桿鉆車是整套高效快速掘進(jìn)系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備之一，該設(shè)備的研制根本上解決了現(xiàn)階段掘進(jìn)巷道的掘、支、運(yùn)不能夠平行作業(yè)的問題，同時依靠系統(tǒng)中各個設(shè)備之間的協(xié)同控制和信息化聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的機(jī)械化、自動化和信息化聯(lián)動控制，解決現(xiàn)階段采掘失調(diào)的矛盾[6]。

十臂錨桿鉆車為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備之一，整機(jī)采用分段式鉆機(jī)的布置方式和跨騎式的履帶行走機(jī)構(gòu)，是針對該套快速掘進(jìn)系統(tǒng)而開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)，同時在分段式錨桿鉆機(jī)還使用了新型的電液控制閥組，實(shí)現(xiàn)錨鉆系統(tǒng)的自動化操作，進(jìn)一步降低操作人員的勞動強(qiáng)度，改善操作人員的勞動強(qiáng)度，提高巷道的支護(hù)速度，同時為下一步全自動錨桿支護(hù)提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲備，為后續(xù)的全自動錨桿支護(hù)技術(shù)和智能錨護(hù)技術(shù)解決了基礎(chǔ)問題，同時在研究過程中對圍巖狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和錨桿支護(hù)位置的研究同步進(jìn)行，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的無人化和自動化提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的無人化。