賈湛勝

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王家?guī)X煤業(yè)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500 萬t/a，主要開采4 號(hào)煤、7 號(hào)煤、9 號(hào)煤，其中4 號(hào)煤平均厚度7.6 m。18103 工作面膠帶運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度1934 m，矩形斷面設(shè)計(jì)，掘進(jìn)寬度×掘進(jìn)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(hù)采用先錨網(wǎng)（索）掘進(jìn)、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(jìn)錨網(wǎng)（索）支護(hù)后，人工噴漿支護(hù)施工未能及時(shí)進(jìn)行，造成巷道支護(hù)強(qiáng)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(hù)成本。針對(duì)人工噴漿施工效率低下，影響到噴漿支護(hù)作業(yè)的情況，基于機(jī)械化換人的理念，設(shè)計(jì)了礦用噴漿機(jī)械手設(shè)備來代替人工噴漿作業(yè)[1-6]。礦用噴漿機(jī)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。

2 礦用噴漿機(jī)械手的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)分析

礦用噴漿機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1，主要由行走機(jī)構(gòu)、穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、大臂伸縮機(jī)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、噴射機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成。整機(jī)運(yùn)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(jī)采用履帶底盤，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，適于在惡劣地面環(huán)境移動(dòng)。

圖1 礦用噴漿機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

（1）行走機(jī)構(gòu)。采用兩臺(tái)低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)履帶行走，保證了行走機(jī)構(gòu)的可靠和穩(wěn)定，行走速度為0～9 m/min。

（2）穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。為保證噴漿作業(yè)時(shí)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(shí)現(xiàn)升降，噴漿作業(yè)時(shí)支撐在底板上，需要行走時(shí)將其抬起，保證了設(shè)備工作的穩(wěn)定性。

（3）大臂伸縮機(jī)構(gòu)。由兩級(jí)伸縮油缸和伸縮簡組成，設(shè)備穩(wěn)定后進(jìn)行0～2 m 伸縮量。

（4）大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐軸承方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)左右各60°角的擺動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)在不用移動(dòng)設(shè)備的情況下對(duì)巷道兩側(cè)的近距離噴射，保證噴射質(zhì)量。在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與伸縮臂中間設(shè)有一個(gè)伸縮油缸，與大臂立柱形成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)≤6 m 高的巷道進(jìn)行噴漿作業(yè)。

（5）噴射機(jī)構(gòu)。噴射機(jī)構(gòu)由三根旋轉(zhuǎn)馬達(dá)組成，一級(jí)旋轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)噴頭的左右旋轉(zhuǎn)，二級(jí)旋轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)噴頭前后旋轉(zhuǎn)，三級(jí)旋轉(zhuǎn)油缸是一個(gè)偏心軸馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)噴頭的畫圈運(yùn)動(dòng)（模擬人工抱噴頭時(shí)的動(dòng)作），保證噴漿的均勻度。噴射頭處設(shè)有一個(gè)三岔口（輸料口、進(jìn)水口、速凝劑口）。

（6）液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)由一臺(tái)7.5 kW 的防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)主油泵（柱塞式變量泵，流量：13 mL/rad，額定壓力：20 MPa）和一臺(tái)副泵（齒輪泵）作為動(dòng)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(jī)構(gòu)，完成各部件的動(dòng)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(dòng)作，兩聯(lián)閥組主要控制穩(wěn)定靴的升降和噴頭三級(jí)馬達(dá)的畫圈運(yùn)動(dòng)。

（8）電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，由一臺(tái)7.5 kW 防爆電機(jī)和一臺(tái)QZ-301140 真空磁力器構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停及各種保護(hù)和報(bào)警功能。設(shè)備兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)急停接鈕，保證在緊急情況下能夠及時(shí)停機(jī)；主操作平臺(tái)左側(cè)設(shè)有一個(gè)兩聯(lián)啟停按鈕，供操作人員遠(yuǎn)距離啟停設(shè)備；本機(jī)大臂上設(shè)有照明燈兩盞，能夠隨大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，保證行走和噴射時(shí)的照明需要；本機(jī)還設(shè)有瓦斯斷電裝置，當(dāng)瓦斯超限時(shí)能自動(dòng)停止本機(jī)電源。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化替人的重大突破，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，施工效率得到了提升。

（2）采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，解決了人工移動(dòng)設(shè)備的問題，采用多級(jí)伸縮臂式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實(shí)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(jìn)行不同方位的噴射作業(yè)。

（3）噴頭畫圈機(jī)構(gòu)采用偏心輪，實(shí)現(xiàn)噴頭的偏心擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)提供，實(shí)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(jī)、電、液一體化的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化減人提效的目的，提高了施工效率和施工質(zhì)量，同時(shí)施工過程中的安全得到了有效管控。

2.3 先進(jìn)性及創(chuàng)新性分析

（1）采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，解決了人工移動(dòng)設(shè)備的問題；采用多級(jí)伸縮臂式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巷道不同方位的噴漿作業(yè)。伸縮臂可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、大臂變幅、伸縮等功能，能夠?qū)Φ理敿皟蓭瓦M(jìn)行不同方位的噴射作業(yè)，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）噴頭畫圈機(jī)構(gòu)采用偏心輪，實(shí)現(xiàn)噴頭的偏心擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)（畫圓），動(dòng)力由旋轉(zhuǎn)油缸提供，實(shí)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(shí)也提高了施工的效率，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化換人。

3 現(xiàn)場施工應(yīng)用及效果分析

3.1 現(xiàn)場施工應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的礦用噴漿機(jī)械手配套“濕式混凝土噴射機(jī)+煤礦用帶式上料機(jī)”，構(gòu)建機(jī)械化遠(yuǎn)距離噴漿配套裝備，在18103 工作面膠帶運(yùn)輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護(hù)作業(yè)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。

工藝流程為：攪拌均勻的物料用防爆膠輪車運(yùn)至煤礦用帶式上料機(jī)料倉內(nèi)；工作時(shí)，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(jī)料斗內(nèi)，在迎頭使用礦用噴漿機(jī)械手代替人工夾持噴槍進(jìn)行自動(dòng)化噴漿作業(yè)。此時(shí)，操作人員可在距離噴料口10 m 以外的位置進(jìn)行遙控操作。

3.2 效果分析

18103 工作面膠帶運(yùn)輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護(hù)作業(yè)中應(yīng)用礦用噴漿機(jī)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(jī)會(huì)，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(jī)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(diǎn)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(fèi)。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(yuǎn)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(huì)打到操作人員身上，確保了人員安全。

（5）對(duì)4 m 以上高巷道的噴漿更加方便，不需要搭設(shè)臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，通過機(jī)械臂的自動(dòng)伸縮功能即可達(dá)到合適的噴漿位置，提高了噴漿料的上墻率。

4 效益分析

噴漿機(jī)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(dòng)強(qiáng)度大，不得不間斷休息，其工作效率低，且很容易患?jí)m肺、腰肌勞損等職業(yè)病。原人工噴漿隊(duì)平均每班噴漿15 m3計(jì)算，人工工效為2.25 m3/h。礦用噴漿機(jī)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(jī)械手制作成本一次性投入約32 萬元，日常運(yùn)行成本每年約8 萬元（噴漿管和配件費(fèi)用）。使用礦用噴漿機(jī)械手后每班的噴漿量25 m3，按照噴漿單價(jià)0.11 萬元/ m3計(jì)算，每班經(jīng)濟(jì)效益=（使用后每班噴漿方量-使用前每班噴漿方量）×噴漿單價(jià)=（25-15）×1100=1.1 萬元。按照噴漿隊(duì)每天兩班工作制計(jì)算，每天經(jīng)濟(jì)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(jì)效益約763 萬元。