童 碧，李旭濤，張 寧，許 超

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

巷道修復(fù)機(jī)是用于巷道圍巖修復(fù)治理施工的專用設(shè)備，能有效修復(fù)因礦壓或其他原因?qū)е碌拿合锘驇r巷變形，可大幅提升巷道修復(fù)治理施工的機(jī)械化水平[1，2]。修復(fù)機(jī)在施工過程中會涉及破碎、挖裝、運(yùn)輸、錨護(hù)、自行走、挖底、掏水溝及吊裝等工作。因此，在修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸做到盡可能小的情況下，還要求對修復(fù)機(jī)的功能進(jìn)行高度集成。

目前，國內(nèi)修復(fù)機(jī)研制企業(yè)較多，但是相關(guān)設(shè)備普遍采用手控或液控為主[3]，操作人員無法遠(yuǎn)離頂板冒落區(qū)進(jìn)行施工作業(yè)，增加了安全隱患。另外，國家安監(jiān)總局也提出“機(jī)械化換人，自動化減人，智能化無人”綠色智慧礦山建設(shè)目標(biāo)，要求提高煤礦井下相關(guān)裝備的自動化程度[4-6]，減少不安全事故的發(fā)生。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(以下簡稱西安煤科院)研究開發(fā)了WPZ-45/700LY型煤礦用遠(yuǎn)控巷道修復(fù)機(jī)(以下簡稱修復(fù)機(jī))，為驗(yàn)證修復(fù)機(jī)實(shí)際工作性能，西安煤科院與淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司顧橋煤礦(以下簡稱顧橋煤礦)合作，進(jìn)行了修復(fù)機(jī)的現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。

1 設(shè)備總體方案

WPZ-45/700LY型煤礦用遠(yuǎn)控巷道修復(fù)機(jī)是一種用于煤礦巷道圍巖治理施工的專用設(shè)備，如圖1所示。該設(shè)備具有技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠、移動搬遷方便等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于煤礦井下巷道底板、頂板及側(cè)幫修復(fù)施工，整機(jī)具備鑿、鏟、吊、裝等多個功能，并可遠(yuǎn)離巷道頂板冒落危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行遙控操作[7]，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 部件構(gòu)成

2.1 工作裝置

工作裝置是修復(fù)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括側(cè)卸鏟斗、破碎機(jī)構(gòu)、快換裝置、伸縮臂、基礎(chǔ)臂、膠管導(dǎo)向裝置及相關(guān)動作油缸等部件。側(cè)卸鏟斗主要由鏟斗連接體、側(cè)卸油缸和鏟斗焊接體等部件組成，主要用于矸石的鏟運(yùn)和裝載，沿機(jī)身可實(shí)現(xiàn)左、右方向出渣作業(yè)。破碎機(jī)構(gòu)主要由破碎錘、連接組件、擺角油缸及給進(jìn)油缸等部件組成，主要用于變形巷道圍巖破碎施工?？鞊Q裝置主要由快換油缸、連接座及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等部件組成，通過快換油缸伸、縮，實(shí)現(xiàn)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)開合，完成側(cè)卸鏟斗和破碎機(jī)構(gòu)的快速更換。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是修復(fù)機(jī)的動力源，由隔爆型電動機(jī)、彈性聯(lián)軸器、復(fù)合傳感功率控制泵組、油箱、冷卻器、濾油器、底座等部件組成，修復(fù)機(jī)采用開式系統(tǒng)，變量泵采用LUDV控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對不同負(fù)載壓力的多個執(zhí)行元件同時(shí)進(jìn)行快速與精確控制，各個元件互不干涉。

2.3 遠(yuǎn)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)控系統(tǒng)硬件包括：遙控操縱器、電控箱、電磁閥、位移傳感器、無線接收器及油缸等部件，無線接收器與無線遙控器相互通信，進(jìn)行控制信息與狀態(tài)信息的交互，兩者通過433無線通信模塊以433/315MHz頻率進(jìn)行自動跳頻通信，能夠有效防止無線電干擾，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 履帶車體

履帶車體主要由車體平臺、機(jī)身護(hù)板和行走履帶組成，左右兩組履帶通過車體平臺固定。工作裝置、操作臺、風(fēng)冷散熱器、泵站及附件等部件通過螺栓安裝固定在車體平臺上。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 巷道地質(zhì)條件

顧橋煤礦開采13-1、11-2煤層，13-1煤層，煤層下距太灰340m，平均厚度4.40m，五線以北厚度多低于平均值，十一線以南高于平均值。11-2煤層上距13-1煤平均69m，平均厚2.79m，結(jié)構(gòu)簡單，含1層夾矸煤層，上部砂體發(fā)育，淺部頂部多為中細(xì)石英砂巖，其余地區(qū)為泥巖，底板以泥巖為主[8]。11-2煤直接頂為復(fù)合頂板，由砂質(zhì)泥巖、泥巖和11-3煤層組成，其中薄煤層不穩(wěn)定，總體從南向北直接頂變薄，個別地點(diǎn)老頂砂巖直接覆蓋在煤層之上，11-2煤層北二回風(fēng)大巷(一)的底板地質(zhì)條件見表2。

表2 北二回風(fēng)大巷(一)頂、底板地質(zhì)情況

根據(jù)礦方生產(chǎn)要求，修復(fù)機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)在11-2煤層北二回風(fēng)大巷(一)進(jìn)行。該巷道為矩形巷道，要求挖底作業(yè)需挖底至巷道高度為3.6±0.2m，但該巷道挖底前部分區(qū)段實(shí)際高度不足3.1m，巷道還存在頂板破碎、吊包、片幫等現(xiàn)象[9，10]，巷道頂板分布有大量長約20～30cm錨索外露端，巷道一側(cè)掛有瓦斯管，水管，風(fēng)管，電纜線等管線，另一側(cè)鋪設(shè)有帶式運(yùn)輸機(jī)，作業(yè)空間狹小，挖底難度和工作量較大，如圖3所示，這些都增加了巷道機(jī)械化挖底作業(yè)的難度。

圖3 挖底前巷道斷面圖(mm)

3.2 底鼓治理

根據(jù)礦方要求，挖底采用人工遠(yuǎn)控操縱修復(fù)機(jī)施工，實(shí)體側(cè)幫部(沿空側(cè)不進(jìn)行刷擴(kuò))及頂板采用人工刷擴(kuò)，修護(hù)后巷道斷面：寬×高=5m×3.6m；若巷寬滿足要求，則巷幫兩側(cè)僅刷底角，同時(shí)在巷幫底部增補(bǔ)1排水平鋼帶搭接組合錨桿[11，12]。修復(fù)機(jī)挖底施工工藝流程如圖4所示。挖底產(chǎn)生矸石通過側(cè)卸鏟斗卸載至帶式輸送機(jī)，通過帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至井底棄矸場。

通過進(jìn)口韓國水山機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SB40破碎錘，破碎底鼓路面。破碎錘和側(cè)卸鏟斗更換時(shí)間大約5min，且需要足夠的工作空間，為提高施工效率，單次破碎距離10m以上，再退回中轉(zhuǎn)場地更換鏟斗，修復(fù)機(jī)挖底施工工藝如圖5所示。

圖5 挖底施工(mm)

3.3 支護(hù)形式

根據(jù)顧橋煤礦地質(zhì)條件，結(jié)合巷道支護(hù)設(shè)計(jì)原則及方法，北二回風(fēng)大巷(一)挖底處巷幫底板裸露大于400mm時(shí)，采用金屬網(wǎng)(規(guī)格為5200mm×1100mm，采用8#鍍鋅鐵絲加工，網(wǎng)目為50mm×50mm)、錨桿(?22mm×2500mm)、錨索(規(guī)格為?21.8mm×4200mm)及鋼帶(M5型鋼帶規(guī)格為2000mm×178mm×5mm(3個眼)及1200mm×178mm×5mm(2個眼)。T2型鋼帶規(guī)格為2600mm×140mm，T型鋼托盤規(guī)格為200mm×140mm)支護(hù)到位[13，14]。

挖底后幫部支護(hù)方式如圖6所示，采用豎向5根錨桿、橫向2根錨索支護(hù)，M5型鋼帶、錨索、T2鋼帶、8#金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，M5鋼帶和T2鋼帶均壓茬布置，錨桿間排距800mm×900mm，其中，中空注漿錨桿采用“1-0-2-0”布置。幫部注漿錨桿按照“1-0-2-0”布置[15-21]。

圖6 挖底后幫部支護(hù)方式(mm)

3.4 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)性分析

自2020年9月24日起修復(fù)機(jī)開始正常挖底作業(yè)，截止10月20日，挖底作業(yè)進(jìn)尺共260m，挖底寬度約5m，平均挖底厚度0.4～0.6m，挖底作業(yè)期間，巷道片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，頂板有輕微下沉，但未見明顯破壞。

顧橋煤礦原采用的兩種挖底方式分別為人工挖底和小挖機(jī)挖底，三種挖底方式參數(shù)對比見表3。由表3可以看出，就人均方量而言，采用遠(yuǎn)控修復(fù)機(jī)挖底，人均方量達(dá)到10.13m3/班，工作效率要遠(yuǎn)大于人工挖底作業(yè)，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖機(jī)效率的1.6倍。相比較人工挖底作業(yè)，修復(fù)機(jī)挖底施工每班減少施工人員4～6名，該段巷道累計(jì)挖底出渣量約650m3，從降低施工成本、減少人員工資和提高煤炭產(chǎn)量等方面綜合考慮為顧橋煤礦累計(jì)節(jié)支30余萬元?？梢?，三種起底方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，人工挖底適用條件廣，但勞動強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境惡劣，效率低，安全性低；小挖機(jī)挖底速度快，勞動強(qiáng)度大，安全性低；修復(fù)機(jī)挖底勞動強(qiáng)度小，作業(yè)環(huán)境好，人工投入小，操作人員可遠(yuǎn)離頂板冒落區(qū)遠(yuǎn)程操作，安全性高。

表3 三種挖底方式參數(shù)對比

4 結(jié) 論

1)通過分析修復(fù)機(jī)施工特點(diǎn)和功能需求，研制了可實(shí)現(xiàn)無線接收器與無線遙控器相互通信的WPZ-45/700LY型煤礦用遠(yuǎn)控修復(fù)機(jī)，滿足施工要求。

2)應(yīng)用效果表明，修復(fù)機(jī)挖底效率遠(yuǎn)優(yōu)于人工和小挖機(jī)，人均方量達(dá)到10.13m3/班，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖機(jī)效率的1.6倍，累計(jì)節(jié)約30余萬元。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明，修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，根據(jù)現(xiàn)場挖底施工特點(diǎn)，總結(jié)出一套便于破碎錘和側(cè)卸鏟斗互換并補(bǔ)打錨桿錨索的施工作業(yè)工藝，為類似煤礦巷道底鼓遠(yuǎn)程治理施工技術(shù)與裝備的開發(fā)提供了借鑒。