李 鵬

（山西焦煤化工有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

0 引言

掘進機是一種廣泛應(yīng)用在煤礦井下巷道掘進中的機械，廣泛應(yīng)用在井下巖性較軟的巷道中，但其對于井下硬質(zhì)巖巷的掘進效率低、磨損大、經(jīng)濟性差，極大地影響了煤礦井下巷道掘進的效率和安全性。當(dāng)采用鉆爆法在井下巷道掘進時，由于鉆車的智能化程度不足，因此整體運行的可靠性差，無法進行聯(lián)動運行控制，同樣無法滿足井下高效、安全掘進的作業(yè)需求[1]。

結(jié)合現(xiàn)有煤礦井下巷道掘進需求及目前掘進機、鉆裝機所存在的問題，項目組對一種新的智能化的鉆孔鑿巖設(shè)備進行了研究，其采用了全新的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，將鉆孔、挖掘、錨護等功能集于一體，通過智能化聯(lián)合運行控制和高精度定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能化綜掘控制，減少了井下巷道掘進面作業(yè)人員數(shù)量，提高了井下巷道掘進的效率。根據(jù)實際應(yīng)用表明，新的智能化鉆孔鑿巖設(shè)備能夠?qū)⒕蜻M面作業(yè)人員數(shù)量降低36.7%，將掘進效率提升40%，對提升井下巷道掘進效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1 智能鉆孔鑿巖設(shè)備總體設(shè)計

鉆孔鑿巖設(shè)備主要是滿足在井下不同地質(zhì)情況下的快速鉆孔鑿巖需求，根據(jù)煤礦井下的地質(zhì)情況分析，在掘進時所遇見的最硬巖石的普氏硬度約為10，井下巷道掘進時的最大傾角不超過15°，掘進時的巷道最大截面不超過35 m2。同時該設(shè)備需要具備較高的智能化程度，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序并行作業(yè)，有效減少人工作業(yè)強度，提高井下巷道的掘進效率。

為了滿足在井下復(fù)雜環(huán)境中的鉆掘需求，新的智能鉆孔鑿巖設(shè)備采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式[2]，主要包括行走模塊、錨護模塊、鉆臂操作臺、液壓系統(tǒng)等。其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能鉆進鑿巖設(shè)備示意圖

2 智能鉆機關(guān)鍵鉆進技術(shù)

為了滿足井下智能化快速掘進控制的需求，該智能鉆機集成了Top-Down 數(shù)據(jù)融合技術(shù)、扒斗負載敏感變量技術(shù)、智能定位控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)了掘進機在井下作業(yè)時的高度自動化，各個模塊技術(shù)如下：

1）模塊化設(shè)計及ToP-Down 融合設(shè)計[3]，將井下鉆孔、出渣、井下支護等功能按模塊化進行設(shè)計，然后整合到一起并進行集成控制，有效提升了該鉆裝錨掘設(shè)備的巷道掘進效率和智能化。為了滿足集成化運行控制的需求，該鉆裝錨掘設(shè)備采用了4 臂控制結(jié)構(gòu)，通過高精度定位系統(tǒng)進行快速定位，并利用2 個機械臂進行爆破孔施工，其余2 個機械臂進行錨索鉆孔施工及巷道支護。在鉆進過程中的碎石，則可以通過鉆裝錨掘設(shè)備的鏟板和扒渣裝置進行裝載和轉(zhuǎn)運，從而實現(xiàn)了井下巷道掘進時多工序的并行作業(yè)。

2）負載敏感變量技術(shù)。該技術(shù)主要是控制扒斗在運行過程中的壓力峰值，減少在工作時因載荷突變而導(dǎo)致的壓力沖擊現(xiàn)象[4]。為了提高負載敏感變量控制的精確性，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了多路連接閥，鉆裝錨掘設(shè)備不同功能運行時通過獨立的控制閥進行控制，雖然在一定程度上加大了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，但能夠極大地提升系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。

3）鉆裝錨掘設(shè)備快速定位。鉆裝錨掘設(shè)備在井下正常工作的核心是能夠?qū)崿F(xiàn)在井下的快速、精確定位，因此開發(fā)了一種新的鉆裝錨掘設(shè)備快速定位系統(tǒng)[5]，通過超聲波測距傳感器及單軸傾角傳感器和加速度傳感器來實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測及分析，完成設(shè)備運行位置和姿態(tài)的快速調(diào)整，確保設(shè)備運行時的定位精度在±10 mm 以內(nèi)。該定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 鉆裝錨掘設(shè)備定位系統(tǒng)示意圖

4）鉆臂智能快速定位。結(jié)合鉆裝錨掘設(shè)備在井下的實際應(yīng)用需求，提出了一種新的鉆臂智能快速定位系統(tǒng)，主要包括檢測模塊、液壓模塊及上位機系統(tǒng)。檢測模塊包括多種傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆裝錨掘設(shè)備在井下不同環(huán)境中的快速定位需求。根據(jù)實際應(yīng)用表明，該定位系統(tǒng)在井下能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆裝錨掘設(shè)備±4 mm 的高精度定位，滿足井下聯(lián)動掘進控制的需求。

3 鉆裝錨掘設(shè)備優(yōu)化

在實際使用過程中，設(shè)備存在著以下問題，因此在應(yīng)用時針對性地進行了優(yōu)化，提高了設(shè)備在運行時的可靠性和穩(wěn)定性，具體包括以下幾個部分：

1）第一輸送機和第二輸送機之間的垂直距離僅400 mm，當(dāng)抬機頭鏟板時，會導(dǎo)致兩個輸送機之間出現(xiàn)壓機情況。同時第二輸送機和第一輸送機在重合位置的重合距離僅100 mm，導(dǎo)致容易漏矸石。因此將第一輸送機機尾處的高度抬高500 mm，并將第二輸送機的長度增加400 mm，增加兩個輸送機之間的重合度。改進后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 輸送機配合位置優(yōu)化示意圖（單位：mm）

2）鉆機改進。為了提高設(shè)備在運行時的穩(wěn)定性，在機械臂的端板中心處加一個支撐結(jié)構(gòu)，提高在鉆進過程中的結(jié)構(gòu)強度，炮孔鑿巖機孔口位置設(shè)計成簡易開口結(jié)構(gòu)[7]，在進行打錨桿時可采用短打長套的方式，盡量減少在施工過程中拆裝鉆桿的工時。根據(jù)井下的實際應(yīng)用情況，可利用1 500 mm 的鉆桿短打，同時利用2 600 mm 的鉆桿進行長套，最后將鉆機的鉆推進距離由目前的1 000 mm 提高到1 700 mm。改進后的鉆機結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 鉆機優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用情況分析

目前該鉆裝錨掘設(shè)備已經(jīng)在井下巷道掘進中得到了應(yīng)用，根據(jù)近10 個月的應(yīng)用情況分析，其突出效果匯總?cè)缦拢?/p>

1）人員方面：采用新的掘進設(shè)備后，一個班同時作業(yè)人員數(shù)量由最初的49 人降低到了目前的31 人，人員數(shù)量減少了36.7%，顯著降低了人員成本，提高了井下作業(yè)面的作業(yè)安全性。

2）效率方面：采用新的掘進設(shè)備后，巷道掘進速度由最初的3 m/d 提升到了目前的4.2 m/d，掘進效率提升了40%。

3）其他方面：優(yōu)化后能夠減少井下巷道占用空間，提高了井下物料轉(zhuǎn)運效率和安全性，同時節(jié)約了多條供電線路和懸掛鏈，降低了巷道掘進成本。

5 結(jié)論

為了解決井下巷道掘進效率低、安全性差的不足，提出了一種新的井下巷道掘進設(shè)備，對該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵制造技術(shù)及應(yīng)用情況進行了分析，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）該設(shè)備采用了模塊化設(shè)計，通過組合控制的方式實現(xiàn)了井下巷道掘進的多工序聯(lián)動作業(yè)，有效地提升了井下巷道掘進效率。

2）新的設(shè)備定位系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備運行定位精度控制在±10 mm 以內(nèi)，鉆臂控制精度控制在±4 mm以內(nèi)，滿足井下高精度控制需求。

3）新裝備能將掘進面作業(yè)人員數(shù)量降低36.7%，將掘進效率提升40%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性。