礦用矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)的研制

李剛

摘要：根據(jù)掘進(jìn)過程中存在掘進(jìn)與錨護(hù)不能同時作業(yè)、巷道成形質(zhì)量不高、無法杜絕零空頂作業(yè)、勞動強(qiáng)度高、效率極低，安全風(fēng)險大等問題。開發(fā)出一套全斷面成巷掘進(jìn)機(jī)，實現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨護(hù)以及連續(xù)運(yùn)輸同時作業(yè)，簡化工序，減輕勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)掘進(jìn)工作面迎頭全封閉支護(hù)的高效快速掘進(jìn)，達(dá)到零空頂，實現(xiàn)掘進(jìn)面快速一次成巷的目的。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)工作面;矩形全斷面;連續(xù)運(yùn)輸;遠(yuǎn)程遙控控制

Abstract： According to the problems existing in the process of driving， such as driving and bolting can not be operated at the same time， the quality of tunnel forming is not high， zero empty roof operation can not be eliminated， labor intensity is high， efficiency is extremely low， and safety risk is large. A set of full face roadheader is developed to realize the simultaneous operation of driving， supporting， anchoring and continuous transportation， simplify the working procedure， reduce the labor intensity， realize the efficient and rapid driving of the head-on full closed support of the driving face， achieve the goal of zero empty roof， and realize the rapid one-time tunneling of the driving face.

Key words： heading face;rectangular full section;continuous transportation;remote control

0? 引言

我國已成為世界第一大煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，由于受能源結(jié)構(gòu)的制約以及國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求，在今后相當(dāng)一段時間內(nèi)對煤炭的需求量還會進(jìn)一步加大。然而，在影響我國煤炭生產(chǎn)的采煤、掘進(jìn)和運(yùn)輸三大環(huán)節(jié)中，采煤和運(yùn)輸?shù)墓πб呀?jīng)達(dá)到了世界一流水平，但掘進(jìn)功效始終成為制約煤炭產(chǎn)量進(jìn)一步提高的重要瓶頸，影響掘進(jìn)效率主要因素是支護(hù)效率與支護(hù)水平，支護(hù)的可靠性成了制約掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素[1，2]。

現(xiàn)階段煤礦煤巷掘進(jìn)主要采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)、掘錨機(jī)等裝備，在掘進(jìn)過程中存在很多不足：都不能完成全斷面一次成型;掘進(jìn)與錨護(hù)不能同時作業(yè);形成的巷道質(zhì)量不高，需要二次修整;掘進(jìn)過程中產(chǎn)生大量的浮矸、浮煤，需要人工清理;無法杜絕零空頂作業(yè)，輔助工作量大，勞動強(qiáng)度高，效率極低，安全風(fēng)險大;除塵效果差，工作環(huán)境惡劣。針對以上問題，為了快速高效實現(xiàn)掘進(jìn)全斷面一次成巷、掘進(jìn)與支護(hù)同時作業(yè)，簡化工序，開發(fā)出一套掘支同步作業(yè)、掘進(jìn)工作面迎頭全封閉支護(hù)的高效掘進(jìn)裝置勢在必行。

1? 設(shè)計原則

①掘進(jìn)工作面空間狹小，設(shè)備多，掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭、推進(jìn)支護(hù)裝置、裝運(yùn)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)，錨護(hù)系統(tǒng)以及后配套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)必須具有良好的配套性能、適應(yīng)性、工藝性以及不影響通風(fēng)要求。

②實現(xiàn)全斷面一次成巷，達(dá)到掘進(jìn)、支護(hù)、錨護(hù)以及連續(xù)運(yùn)輸同步作業(yè)。

③為了達(dá)到安全、有效的全封閉支護(hù)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭與推進(jìn)支護(hù)裝置穩(wěn)定性好，滿足巷道支護(hù)要求的工作阻力以及足夠的推拉動力，實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控控制，有效控制巷道的圍巖變形。

④保持高效的設(shè)備推拉邁步移動，同時適應(yīng)巷道的變化，達(dá)到小角度轉(zhuǎn)彎的目的。

⑤裝運(yùn)系統(tǒng)以及后配套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸能力滿足全斷面快速裝載與連續(xù)運(yùn)輸?shù)哪康?除塵系統(tǒng)保持工作面良好的工作環(huán)境。

2? 礦用矩形全斷面掘進(jìn)機(jī)組成以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)（如圖1所示）整機(jī)外形尺寸5.8m×3.8m×12.5m，掘進(jìn)斷面尺寸5.8m×3.8m，整機(jī)重量230t，設(shè)計掘進(jìn)能力平均月進(jìn)尺3000m。主要由矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭、推進(jìn)支護(hù)裝置、側(cè)向支撐機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向主梁、刮板運(yùn)輸機(jī)、鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)、超前支護(hù)錨桿機(jī)組、電氣控制系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和除塵等系統(tǒng)等組成，主要特點(diǎn)如下：

①整機(jī)采用分體式的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了掘進(jìn)與錨桿支護(hù)的同時作業(yè)，使打錨桿不再成為提高掘進(jìn)功效的制約因素，矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭與推進(jìn)支護(hù)裝置通過鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)鉸接，之間空間通過機(jī)頭伸縮式防護(hù)板支護(hù)，實現(xiàn)整機(jī)的邁步推移、比較小的轉(zhuǎn)彎半徑的靈活調(diào)向以及全封閉支護(hù)。

②4組鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)推移行程1.5m，保障掘進(jìn)時推進(jìn)支護(hù)裝置的震動比較小，提高整機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;自帶4組超前錨桿臨時支護(hù)，可以應(yīng)對頂?shù)装迩闆r相對較差的地質(zhì)條件。

③矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭重量約150t（如圖2所示），掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭采用復(fù)合層次組合式刀盤，復(fù)合層次組合式刀盤包括一個中心大刀盤和周圍四個小刀盤，其中中心大刀盤采用鎬形齒、小刀盤采用扁形齒，復(fù)合層次組合式刀盤組合截割形成矩形斷面，掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭完成全斷面割煤。

④刮板運(yùn)輸機(jī)布置于導(dǎo)向主梁中，前部凸出在大截割頭下部（如圖3所示），有利于增大有效落煤面積，提高前端的清煤效果，尾部運(yùn)輸至轉(zhuǎn)載機(jī)上，可實現(xiàn)左右擺動。運(yùn)輸機(jī)采用套筒滾子中單鏈刮板運(yùn)輸、黃油缸張緊形式，槽寬760mm，落煤高度1000mm。

⑤推進(jìn)支護(hù)裝置采用框架結(jié)構(gòu)（如圖4所示），整體寬度5000mm，支撐力5000kN，支撐高度3.0-4.5m，可實現(xiàn)全封閉支護(hù)，同時為機(jī)頭提供足夠的推進(jìn)力。主要有頂梁、底座、前、后連桿、掩護(hù)梁、立柱、調(diào)架油缸以及提升油缸組成;左右分別通過四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉸接，保證總體穩(wěn)定性;通過4根立柱為整套設(shè)備提供支撐力;整個液壓系統(tǒng)配備2個油箱，分別隱藏于底座后部;頂梁上部均布21件可拆卸的聚氨酯塊，降低整機(jī)對巷道頂板反復(fù)支撐以及錨桿索的破壞;左右設(shè)置導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，為側(cè)向支撐機(jī)構(gòu)提供可靠的導(dǎo)向作用;前后布置4套提升機(jī)構(gòu)，提高整體設(shè)備對底板的適應(yīng)性。

3? 主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

移動形式：邁步前移

刀盤總截割功率/kW：1300

系統(tǒng)壓力/MPa：20

電壓/V：3300

支撐高度/mm：2500～3800

推進(jìn)行程/mm：1500

最大推進(jìn)速度/m/min：0.3

輸送量/t/h：1200

鏈速/m/s：1.7

運(yùn)輸功率kW：37×2

適應(yīng)巷道尺寸/m：5.8×3.8

控制方式：遠(yuǎn)程電液控制

整機(jī)重量/t：230

3.2 工作原理

礦用全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)主要通過矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭、推進(jìn)支護(hù)裝置、鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)相互邁步前移，后配套連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)主要由四臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)和邁步自移機(jī)尾組成（如圖5所示），可實現(xiàn)快掘工作面掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)、錨護(hù)平行作業(yè)[3，4]。主要工作過程分為以下4個步驟：

①設(shè)備組裝準(zhǔn)備狀態(tài)。先采用傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)+二運(yùn)的方式掘巷約100m，然后將礦用全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)、四臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)和邁步自移機(jī)尾等設(shè)備布置于巷道內(nèi)，皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)和邁步自移機(jī)尾搭接行程為60m，四臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)前部2臺頂部錨護(hù)裝置，后部2臺幫錨裝置，前部設(shè)置2.0m長度的受料斗，與礦用全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)搭接行程為1.5m。

②推進(jìn)支護(hù)裝置與側(cè)向支撐機(jī)構(gòu)支撐頂部以及煤幫，通過鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)縱向推動矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭掘進(jìn)1.5m，同時物料通過連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)狡C(jī)上;通過4臺頂部錨護(hù)裝置錨護(hù)巷道頂部錨桿后，將機(jī)頭兩側(cè)支撐機(jī)構(gòu)支撐煤幫，拉動推進(jìn)支護(hù)裝置前移1.5m。

③帶式轉(zhuǎn)載機(jī)與四臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)聯(lián)動，跟隨矩形掘進(jìn)機(jī)前移1.5m，同時對兩幫錨桿、頂部剩余的錨桿以及錨索進(jìn)行錨護(hù)，完成1.5步距小循環(huán)。

④重復(fù)以上循環(huán)推進(jìn)工藝，將矩形掘進(jìn)機(jī)、四臂錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)以及帶式轉(zhuǎn)載機(jī)移動60m后，邁步前移自移機(jī)尾60m，完成60m大循環(huán)掘進(jìn)工藝。重復(fù)以上動作即可實現(xiàn)零空頂、高效、安全、連續(xù)快速掘進(jìn)的目的。

4? 結(jié)論

①針對目前掘進(jìn)過程中不能完成全斷面一次成型，無法杜絕零空頂作業(yè)，安全風(fēng)險大等問題，設(shè)計研發(fā)了一套安全可靠，遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)掘支運(yùn)同步作業(yè)、掘進(jìn)工作面迎頭全封閉支護(hù)的高效礦用全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)，使得掘進(jìn)能力平均月進(jìn)尺達(dá)到3000m。

②矩形掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭與推進(jìn)支護(hù)裝置通過鞍架調(diào)向機(jī)構(gòu)鉸接，實現(xiàn)整機(jī)的邁步推移、比較小的轉(zhuǎn)彎半徑，提高設(shè)備的適應(yīng)性。

③推進(jìn)支護(hù)裝置采用框架結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備整體穩(wěn)定性以及全封閉支護(hù)。

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