礦井巷道掘進與支護同步作業(yè)探析

王劭波

(潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

雖然我國早在“十二五”時期就對有關巷道快速掘進技術展開了研究，并且經不斷發(fā)展，在掘進裝備和技術方面有了較大的進步。然而，在機械化程度方面，綜掘工作面大大低于綜采工作面，導致采掘嚴重失衡，并存在一系列的問題，比如自動化程度較低、掘進速度較慢等，無法最終實現掘裝與錨護的平行作業(yè)。此外，配套設備較為復雜，裝備的集成度較低。在總掘進循環(huán)過程中錨護作業(yè)的時間占據50%以上，并且，掘錨一體化的程度較低，阻礙掘進機發(fā)揮效能。目前，探究分析的重點主要還停留在單臺套的設備，比較缺少對綜掘工作面的掘、錨、探同步作業(yè)裝置和技術的研究，故目前的掘進裝備普遍無法實現對煤炭生產高效率的目標要求。

1 同步進行掘進和支護作業(yè)的工藝分析

基于原始的掘進巷道作業(yè)線中掘進與錨護無法平行作業(yè)，只能交替作業(yè)的不足，本文提出以搖臂式掘進機為龍頭，加以配套帶式可調速轉載機、料斗式運錨機、自適應邁步自移機尾以及除塵系統(tǒng)等，進而相互組成有機的結構，形成相互銜接、配合的作業(yè)線，見圖1。

圖1 掘進與支護同步作業(yè)系統(tǒng)

搖臂式掘進機邊進行煤巖壁的截割，邊借助兩臺機載的液壓錨桿鉆機實施頂錨桿支護，在此過程中，固定于機身中的臨時支護裝備能夠對頂板的支護提供一定的幫助，此時因為截割部可以進行伸縮，故在掘進機作業(yè)的各個工序中互相不干涉。在搖臂式掘進機的后部配套運錨機，能夠幫助補打搖臂式掘進機未打的所有錨索和錨桿，也可以用來轉運物料。從料斗式運錨機進行物料輸送到帶式轉載機，其轉載機高度能夠適應各類坡度，自動調節(jié)，同時，通過轉載機料斗的左右伸縮，可以防止搖臂式掘進機在擺動和截割作業(yè)中漏料。邁步式自移機尾可以進行自動移動，并且能夠自動控制移動的距離，進而提升輸送帶收放的效率。同時，組成輸送系統(tǒng)的各類設備之間能夠實現協同運動，并且按照截割量自動調整適應運輸的速度。除塵系統(tǒng)放置于邁步自移機尾中，處理巷道中整體的粉塵。這樣，可以有效提升支護的效率，進一步提高單機成巷的速度[1]。

2 掘進與支護成套裝備

1) 搖臂式掘進機。搖臂式掘進機的結構組成包括刮板輸送機、鏟板、機身穩(wěn)定機構、滑移機架、臨時支護和錨桿機、截割部等，見圖2。搖臂式掘進機的優(yōu)勢在于可以同時進行截割機構進刀截割和錨桿打設。除此之外，鉆機能夠進行多角度多方位的動作，比如左右移動、升降以及旋轉等，打設不同位置的錨桿。位于機身頂部的除塵風筒利用后部的除塵系統(tǒng)去除工作面產生的粉塵，降低粉塵對錨桿機工作人員視線的不利影響。并且，機身布置錨桿鉆機的過程中操作簡便、維護便利。

圖2 搖臂式掘進機

在煤礦掘進過程中，由于機組的振動較大，容易產生錨桿鉆機打孔振動和截割振動相互干擾的不利現象。若是干擾較為嚴重，會導致錨桿鉆機無法進行正常工作。因此，為有效避免振動太大的問題，在設備前后位置設計相應的穩(wěn)定機構，以此來減輕錨桿打孔與設備截割以及安裝作業(yè)過程中的振動力與反力。除此之外，當截割的巷道寬度較大時，無法一次性將物料運轉完成，只能等待錨桿支護結束之后調動機器來裝運剩下的物料，此時，效率較低，故基于此原因設置新型的扇形伸縮鏟板機構，其在工作過程中會打開伸縮裝置，變成和巷道一樣寬的鏟板，使物料可以一次轉運裝載完成。當調動機組的時候，伸縮裝置會進行縮回，便于調車行走。

2) 料斗式運錨機。料斗式運錨機的主要作用是物料轉運以及幫助補打搖臂式掘進機沒有打的錨桿。其主要組成結構見圖3，包括鉆臂工作機構、機架、料斗、鉆架、左右行走機構、電氣系統(tǒng)、升降作業(yè)平臺、水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刮板輸送機以及錨桿倉組。其中，鉆臂工作機構可以進行高速有效的掘進巷道錨護，通過聯接基座安置于料斗式運錨機的前部，在具體的作業(yè)過程中，按照不同位置的鉆機錨護，借助滑軌伸縮來幫助鉆機進行橫向移動，借助旋轉結構幫助鉆機旋轉，通過升降體上下升降鉆機。與此同時，鉆機橫移、升降由油缸以及回轉協同運作，來調整鉆機的工作位置，以滿足在不同位置的巷道截面安裝錨桿的要求。

圖3 料斗式運錨機

3) 帶式可調速轉載機與自適應邁步自移機尾。帶式可調速轉載機是搭接于自適應邁步自移機尾和料斗式運錨機當中，其結構組成部分包括機頭部、行走小車、機尾部以及大跨度機架。其通過大跨距橋接來充分實現大搭接行程，并據此減少生產運輸過程中延伸輸送帶的頻繁次數，從而提高煤礦巷道掘進的速度和效率。在煤礦巷道的掘進作業(yè)過程當中，遇斷層較多的時候，底板的縱向起伏、急劇變坡工況相應也會增多，帶式轉載機被拉移的過程中，將借助紅外測距識別系統(tǒng)來測量其和邁步機尾之間的距離，并自動調節(jié)剛性架高度，對機身姿態(tài)進行智能控制，以規(guī)避剛性架最高點與頂板干涉碰撞及剛性架邁步自移機尾，并影響轉載機機身姿態(tài)等一系列問題。控制系統(tǒng)通過變頻調速的功能，與錨桿轉載機組刮板運量和啟停充分進行耦合，以實現轉載功能的綠色節(jié)能和智能調速。轉載裝置在轉運物料過程中采用電動滾筒驅動輸送帶的方法，并保證物料運輸過程中的節(jié)能高效。與此同時，自適應邁步自移機尾還具備同步舉升軌跡自適應以及長距離整體快速邁步移動等特色功能，能減少復雜地質條件下輔助作業(yè)的時間，并以此來提高巷道掘進速度。

3 同步進行掘進和支護作業(yè)的自動化技術分析

搖臂式掘進機具有外形尺寸較大、重量較重的特點，整機的功能不僅涵蓋懸臂式掘進機功能，還包括臨時支護系統(tǒng)、機載鉆臂和除塵系統(tǒng)，成套裝備的自動控制系統(tǒng)由每一部分的控制子系統(tǒng)所構成。其中，搖臂式掘進機電控系統(tǒng)核心之處在于操作與電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是防護等級IP67專用控制器，具有較強的環(huán)境適應性、穩(wěn)定可靠的性能以及維修簡便等優(yōu)點。并且，操作箱體積小，使其達到操作簡便靈活，穩(wěn)定安全的目標。操作與電控箱通過RS485通信方式進行實時傳輸數據，操作箱的液晶屏和電控箱的顯示屏共同配合顯示作業(yè)過程中整機的故障以及狀態(tài)等信息。除此之外，整個電控系統(tǒng)具備的功能還包括參數設置保護、故障診斷查詢、故障記憶以及遙控操作等。

1) 自適應截割技術分析。自適應截割技術通過借助一系列人工智能方式，比如專家系統(tǒng)以及神經網絡等，幫助搖臂式掘進機按照作業(yè)過程中實際的地質環(huán)境和條件，自動調整適應的截割速度，促使截割機構實際的工作狀態(tài)和煤巖的硬度等條件相契合。與此同時，最優(yōu)化截割作業(yè)的過程環(huán)節(jié)，以此降低截齒的消耗并充分提高截割作業(yè)的效率。在這一系列的過程中，將采用截割工況智能決策與識別技術、截割巖石動載荷特征識別和提取技術、控制截割轉速交流變頻調速技術以及控制負載壓力反饋截割牽引調速等技術。除此之外，傳感器被安置在電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及運動部件中，達到實時監(jiān)控機器工作狀態(tài)的目的。

2) 自主導航技術分析。以識別掘進機的環(huán)境、掘進智能糾偏與精準導控為出發(fā)點，設計巷道環(huán)境中搖臂式掘進機的路徑方案。在此過程中，借助參數智能感知的方式，包括精確位姿、核心環(huán)境以及關鍵控制參數等，來構建關鍵參數測量的精準測控和標定系統(tǒng)。其中，通過綜合借助掘進機的激光測距、機載超聲測障、雷達測斷面以及紅外測邊界等參數測量的方法來構造感知平臺，以此來實現掘進機掘進中線和空間的建模。并且，借助傾斜巷道中復雜底板掘進機的自主糾偏理論和實現方法，設計構建動態(tài)且多目標的優(yōu)化進化方法，對構建的控制系統(tǒng)模型進行求解，得出符合履帶調整約束的控制參數和糾偏對策，提出在掘進過程中以多缸同步進行控制為基礎的掘進機俯仰位姿非連續(xù)控制的方法，以各關鍵參數(位姿、決策參數和控制)為依據的遠程操控和精準導控實驗檢驗[2]。

3) 故障診斷和工況檢測技術分析。借助微型電子計算機實現多項功能，包括傳輸控制、數據的采集、健康的監(jiān)控、處理顯示以及故障查找診斷等。通過可編程的邏輯控制器處理各傳感器的信號，顯示并控制實際運行的工況，在產生故障時，通過電控箱中的開關裝置，關閉電動機。通過這一系列的過程能夠充分實現斷面監(jiān)控、自動調節(jié)電機功率、離機遙控操作以及工況的監(jiān)測與故障的診斷等一系列功能。與此同時，電控系統(tǒng)還有助于掘進機常見故障的分析，構建一個基于振動量問題診斷與預知維修局域網系統(tǒng)，據此來實現實時監(jiān)測并采集一些關鍵零部件的轉速、振動加速度等信號，并在相應的時間內分析出運行狀態(tài)報表及趨勢，并在有異常產生時對故障數據進行保存并發(fā)出報警。

4 結 語

由于煤礦巷道掘進過程中產生的諸如效率低、時間長、無法進行掘裝與錨護平行作業(yè)以及自動化程度低等一系列問題，本文提出以搖臂式掘進機為核心的同步進行掘進和支護作業(yè)的系統(tǒng)，即綜合鉆機錨護功能和搖臂式掘進機掘裝功能，并通過一系列配套技術實現巷道高效快速掘進。以期為巷道掘進作業(yè)效率的提高提供一種思路。