賈湛勝
(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司,山西 忻州 036600)
晉能控股煤業(yè)集團王家?guī)X煤業(yè)公司設(shè)計生產(chǎn)能力為500 萬t/a,主要開采4 號煤、7 號煤、9 號煤,其中4 號煤平均厚度7.6 m。18103 工作面膠帶運輸巷設(shè)計長度1934 m,矩形斷面設(shè)計,掘進寬度×掘進高度=5.4 m×3.6 m,斷面積為19.44 m2,平均坡度為2°。巷道支護采用先錨網(wǎng)(索)掘進、后撤除、再集中噴漿的方法。從王家?guī)X煤業(yè)以往巷道情況來看,掘進錨網(wǎng)(索)支護后,人工噴漿支護施工未能及時進行,造成巷道支護強度低,出現(xiàn)漏頂片幫現(xiàn)象,大幅度增加了巷道后期的維護成本。針對人工噴漿施工效率低下,影響到噴漿支護作業(yè)的情況,基于機械化換人的理念,設(shè)計了礦用噴漿機械手設(shè)備來代替人工噴漿作業(yè)[1-6]。礦用噴漿機械手設(shè)備的應(yīng)用可改善作業(yè)環(huán)境,保障噴砼質(zhì)量穩(wěn)定,提高施工效率,提高噴漿人員的安全性。
礦用噴漿機械手的結(jié)構(gòu)如圖1,主要由行走機構(gòu)、穩(wěn)定機構(gòu)、大臂伸縮機構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)、噴射機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。整機運行狀態(tài)外形尺寸長×寬×高=3430 mm×2260 mm×2170 mm,可以適應(yīng)巷道斷面15~50 m2,工作范圍寬×高=7 m×7 m。液壓泵站額定工作壓力為20 MPa,整機采用履帶底盤,馬達驅(qū)動,適于在惡劣地面環(huán)境移動。
圖1 礦用噴漿機械手結(jié)構(gòu)示意圖
(1)行走機構(gòu)。采用兩臺低速大扭矩液壓馬達驅(qū)動鏈輪帶動履帶行走,保證了行走機構(gòu)的可靠和穩(wěn)定,行走速度為0~9 m/min。
(2)穩(wěn)定機構(gòu)。為保證噴漿作業(yè)時設(shè)備的穩(wěn)定性,在設(shè)備前部左右兩側(cè)各增加一組穩(wěn)定靴,通過兩根油缸實現(xiàn)升降,噴漿作業(yè)時支撐在底板上,需要行走時將其抬起,保證了設(shè)備工作的穩(wěn)定性。
(3)大臂伸縮機構(gòu)。由兩級伸縮油缸和伸縮簡組成,設(shè)備穩(wěn)定后進行0~2 m 伸縮量。
(4)大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)。采用液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐軸承方式進行,實現(xiàn)左右各60°角的擺動,能實現(xiàn)在不用移動設(shè)備的情況下對巷道兩側(cè)的近距離噴射,保證噴射質(zhì)量。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)與伸縮臂中間設(shè)有一個伸縮油缸,與大臂立柱形成一個四連桿機構(gòu),可以實現(xiàn)對≤6 m 高的巷道進行噴漿作業(yè)。
(5)噴射機構(gòu)。噴射機構(gòu)由三根旋轉(zhuǎn)馬達組成,一級旋轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)噴頭的左右旋轉(zhuǎn),二級旋轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)噴頭前后旋轉(zhuǎn),三級旋轉(zhuǎn)油缸是一個偏心軸馬達,實現(xiàn)噴頭的畫圈運動(模擬人工抱噴頭時的動作),保證噴漿的均勻度。噴射頭處設(shè)有一個三岔口(輸料口、進水口、速凝劑口)。
(6)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由一臺7.5 kW 的防爆電機驅(qū)動一臺主油泵(柱塞式變量泵,流量:13 mL/rad,額定壓力:20 MPa)和一臺副泵(齒輪泵)作為動力源,通過供油切換閥組合多路換向閥,將壓力油分別送給各執(zhí)行機構(gòu),完成各部件的動作。
(7)操作系統(tǒng)。由一組七聯(lián)閥組和一組兩聯(lián)閥組組成,七聯(lián)閥組控制左右行走、大臂回轉(zhuǎn)、大臂伸縮、噴頭噴射等動作,兩聯(lián)閥組主要控制穩(wěn)定靴的升降和噴頭三級馬達的畫圈運動。
(8)電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)設(shè)計簡單,由一臺7.5 kW 防爆電機和一臺QZ-301140 真空磁力器構(gòu)成,能實現(xiàn)電機的啟停及各種保護和報警功能。設(shè)備兩側(cè)各設(shè)有一個急停接鈕,保證在緊急情況下能夠及時停機;主操作平臺左側(cè)設(shè)有一個兩聯(lián)啟停按鈕,供操作人員遠距離啟停設(shè)備;本機大臂上設(shè)有照明燈兩盞,能夠隨大臂的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,保證行走和噴射時的照明需要;本機還設(shè)有瓦斯斷電裝置,當瓦斯超限時能自動停止本機電源。
(1)實現(xiàn)了機械化替人的重大突破,工人的勞動強度降低,施工效率得到了提升。
(2)采用履帶式行走機構(gòu),解決了人工移動設(shè)備的問題,采用多級伸縮臂式,能夠?qū)崿F(xiàn)對巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、大臂變幅、伸縮等功能,能夠?qū)ο锏理敿皟蓭瓦M行不同方位的噴射作業(yè)。
(3)噴頭畫圈機構(gòu)采用偏心輪,實現(xiàn)噴頭的偏心擺動運動,動力由旋轉(zhuǎn)馬達提供,實現(xiàn)了噴頭不間斷圓弧噴射,保證了噴漿質(zhì)量。
(4)利用了機、電、液一體化的優(yōu)勢,實現(xiàn)了機械化減人提效的目的,提高了施工效率和施工質(zhì)量,同時施工過程中的安全得到了有效管控。
(1)采用履帶式行走機構(gòu),解決了人工移動設(shè)備的問題;采用多級伸縮臂式,能夠?qū)崿F(xiàn)對巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、大臂變幅、伸縮等功能,能夠?qū)Φ理敿皟蓭瓦M行不同方位的噴射作業(yè),大幅降低了工人的勞動強度。
(2)噴頭畫圈機構(gòu)采用偏心輪,實現(xiàn)噴頭的偏心擺動運動(畫圓),動力由旋轉(zhuǎn)油缸提供,實現(xiàn)了噴頭不間斷圓弧噴射(替代人工搖擺),保證了噴漿質(zhì)量,同時也提高了施工的效率,成功實現(xiàn)了機械化換人。
將設(shè)計的礦用噴漿機械手配套“濕式混凝土噴射機+煤礦用帶式上料機”,構(gòu)建機械化遠距離噴漿配套裝備,在18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業(yè)中進行了實踐應(yīng)用。
工藝流程為:攪拌均勻的物料用防爆膠輪車運至煤礦用帶式上料機料倉內(nèi);工作時,將料倉內(nèi)的噴漿料連續(xù)、均勻地輸送至濕式混凝土噴射機料斗內(nèi),在迎頭使用礦用噴漿機械手代替人工夾持噴槍進行自動化噴漿作業(yè)。此時,操作人員可在距離噴料口10 m 以外的位置進行遙控操作。
18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業(yè)中應(yīng)用礦用噴漿機械手施工后,效果理想,主要表現(xiàn)在以下幾方面。
(1)作業(yè)環(huán)境得到了改善。操作人員距離噴料口10 m 以外,降低了操作人員與噴漿料的直接接觸機會,有利于作業(yè)人員的職業(yè)健康。
(2)保證了噴砼質(zhì)量穩(wěn)定。機械手噴砼可保證噴射角度、距離,避免人工噴射的盲區(qū)、盲點等造成噴漿料回彈高的問題。
(3)提高了施工效率,降低了材料的浪費。噴漿效率是人工噴漿的1.39 倍。
(4)噴漿人員的安全性更高。操作人員遠離噴漿出料口,噴漿料的回彈和頂板及兩幫的活矸、活煤等掉落或反彈回來后不會打到操作人員身上,確保了人員安全。
(5)對4 m 以上高巷道的噴漿更加方便,不需要搭設(shè)臨時作業(yè)平臺,通過機械臂的自動伸縮功能即可達到合適的噴漿位置,提高了噴漿料的上墻率。
噴漿機械手使用前,噴漿作業(yè)一直采用人工抱噴頭的工作模式。操作人員勞動強度大,不得不間斷休息,其工作效率低,且很容易患塵肺、腰肌勞損等職業(yè)病。原人工噴漿隊平均每班噴漿15 m3計算,人工工效為2.25 m3/h。礦用噴漿機械手應(yīng)用后,每班的噴漿量可增加到25 m3,人工工效為3.13 m3/h,施工效率是人工的1.39 倍,綜合工效提升67%。
礦用噴漿機械手制作成本一次性投入約32 萬元,日常運行成本每年約8 萬元(噴漿管和配件費用)。使用礦用噴漿機械手后每班的噴漿量25 m3,按照噴漿單價0.11 萬元/ m3計算,每班經(jīng)濟效益=(使用后每班噴漿方量-使用前每班噴漿方量)×噴漿單價=(25-15)×1100=1.1 萬元。按照噴漿隊每天兩班工作制計算,每天經(jīng)濟效益=1.1×2=2.2萬元,全年可多結(jié)工程款=2.2×365=803 萬元。因此,每年可增經(jīng)濟效益約763 萬元。