復雜條件下煤巷快掘系統(tǒng)關鍵參數(shù)確定及應用

高小虎，高 鵬

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

截止2020年，我國煤炭智能化礦井將近200家，與之匹配的快掘系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展[1-3]。巷道開拓作為礦井煤炭資源釋放的基礎，掘進速度與匹配的巷道支護技術尤為重要。《中國制造2025》明確提出：設備轉型是助力能源企業(yè)改革的關鍵技術，優(yōu)質資源加速釋放有利于國民經(jīng)濟穩(wěn)定的發(fā)展[4-5]。

2014年，首套國產高效快速掘進系統(tǒng)應用于神東大柳塔煤礦5-2煤層的52501工作面，試驗得出其掘進效率是傳統(tǒng)綜掘的2～4倍。我國眾多專家學者從設備、支護工藝、采動圍巖變化等方面取得了豐碩成果。為實現(xiàn)巷道的長期穩(wěn)定，采用合理的一次支護和二次支護來實，巖巷采用切縫藥包提高了爆破效率[6-7]。同時張農等[8]提出以空頂自穩(wěn)距離為基礎參數(shù)的煤巷圍巖分類方法，突破復雜條件高密度錨桿錨索組合支護技術的瓶頸。毛清華等[9]建立的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型和基于PID的控制方法實現(xiàn)了煤礦懸臂式掘進截割頭位置的精確控制。黃陵礦區(qū)在2020年全面從生產到管理均邁入智能化的發(fā)展[10-12]。因此，提高巷道掘進單進速度，是企業(yè)進一步發(fā)展的必然要求。

通過生產設備、快掘工藝及邏輯對比分析，充分借鑒前人煤巷掘進-支護、圍巖等經(jīng)驗。以陜西黃陵二號煤礦303掘進工作面為工程背景，開展復雜條件下煤巷快掘系統(tǒng)裝備的應用型研究，以期滿足煤礦的“一礦一策”的實質性生產要求，具有現(xiàn)實必要性。

1 快掘設備構成

1.1 傳統(tǒng)掘進工藝現(xiàn)狀

1.1.1 巷道掘進存在的關鍵問題

傳統(tǒng)掘進工藝交叉作業(yè)現(xiàn)象嚴重，導致掘進效率低，存在重大安全隱患。通過分析截割效率、支護、運輸、工序、輔助作業(yè)和環(huán)境6項主導因素，綜合得出14種影響掘進的因素，如圖1所示。

圖1 巷道掘進存在的關鍵問題Fig.1 Key problems in roadway excavation

1.1.2 原因分析

截割效率低：①聯(lián)巷工程量大，工藝繁瑣；②部分斷面截割速度慢，影響截割率。

支護效率低：①支護工序銜接性差；②臨時支護與上網(wǎng)自動化程度低。均需要人工輔助完成。

運輸效率低：轉接搭接長度短，更易產生撒煤。

工序均衡性差：①支護時間占比長；②掘、支、運交叉作業(yè)嚴重。

輔助作業(yè)環(huán)節(jié)多：①各裝備間協(xié)同性差；②輔助運輸困難；③系統(tǒng)移動繁瑣。所有接續(xù)作業(yè)均需要人工操作，人員占比高。

人機與環(huán)境不協(xié)調：①復任教業(yè)環(huán)境差；②設備故障排查困難；③工序勞動強度高。

通過歸納傳統(tǒng)影響掘進效果的因素，實現(xiàn)快掘系統(tǒng)的高效運轉，必須實現(xiàn)主要部件配合，使得掘、支、運平行作業(yè)。

1.2 快掘主要構成

快速掘進系統(tǒng)復雜，搭接環(huán)節(jié)多，是以空間換時間，是將掘進的工藝實現(xiàn)平衡。通過掘進的截割、支護的平行作業(yè)工序，融入到影響制約礦井成巷效率的掘進、運輸、錨護因素中。利用現(xiàn)有空間，將掘+錨+運的各關鍵部件整合。生產前掘錨機臨時支護開啟，穩(wěn)定靴支撐。截割施工循環(huán)共分為7步，依次是截割、降臨時支護、收穩(wěn)定靴、推進、鋪網(wǎng)、開啟升臨時支護和穩(wěn)定靴、聯(lián)網(wǎng)、永久支護。因此，依次優(yōu)化掘、支、運下的7種工序，形成平行作業(yè)是提高掘進效率的關鍵因素，有必要設計出關鍵部件的對應參數(shù)。

2 快掘設備關鍵部件參數(shù)確定

快速掘進系統(tǒng)主要由掘錨一體機、錨護轉載破碎一體機、連續(xù)運輸系統(tǒng)構成。通過計算進行各部件的運動和受力狀態(tài)分析，可得出關鍵技術參數(shù)。

2.1 機架及截割臂受力情況

根據(jù)實際需求，截割高度(4.6 m)、寬度(3.8 m)、支護高度(10.3 m)，截割距(1 m)等，得出機架及截割臂結構強度，如圖2所示。機架初始狀態(tài)下的整體處于穩(wěn)定狀態(tài)約1.37 MPa。施加外力后，機架固定端受力最大，為102.67～171.11 MPa；搖臂固定端、履帶端基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。搖臂不受力時，強度明顯較低且低于機架穩(wěn)定時的狀態(tài)。當滾筒截割時，搖臂Ⅰ端受力最大，在100～164.47 MPa之間。因此，所選鋼材必須進行熱處理，以滿足生產的需要。

圖2 掘錨機主機架、截割臂結構強度分布Fig.2 Structural strength distribution of main frame and cutting arm of roadheader

2.2 低比壓掘錨一體機

為了保證掘錨一體機工作狀態(tài)的穩(wěn)定，根據(jù)生產需求將履帶寬度設計為800 mm，有利于降低比壓。履帶板、鏈輪采用8 000 t靜壓機靜壓模鍛，履帶板、鏈輪受力特征如圖3所示。履帶板屬于行走部件，受力時的分布特征基本呈現(xiàn)對稱，中間部位的受力最大，約6.62 MPa。中間部位的受力是其余兩孔的4.2倍。鏈輪運動狀態(tài)下，主要存在一個截齒為主受力點，隨著鏈輪運動的變化，受力點的應力具有明顯對稱性。因此，壓掘錨一體機檢修中，重點對履帶中部及齒輪磨損情況進行檢修，防治履帶斷鏈。

圖3 履帶板、鏈輪受力分布情況Fig.3 Stress distribution of track shoe and sprocket

2.3 錨護轉載破碎機

2.3.1 裝置組成

錨護轉載破碎一體機(錨桿轉載機)是集頂錨索支護、側幫錨桿支護、轉載破碎、履帶行走、牽引車等功能于一體的高技術集成度高的綜合機組。主要由左右行走機構、主機架、滑軌總成、風筒組件、自動錨鉆機、左右側幫錨鉆裝置、受料部、卸料部、破碎部、液壓系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成。該設備是整套快速掘進裝備組形成掘、支、運平行作業(yè)的關鍵設備之一，與掘錨一體機配套使用，進行錨索與側幫錨桿施工，同時將掘錨一體機落下的煤破碎，轉運和牽引可彎曲膠帶機，最大限度的釋放出掘錨一體機的掘進能力。

2.3.2 技術優(yōu)勢

錨護轉載破碎一體機集頂錨索和幫錨桿支護、轉載、破碎、履帶行走功能于一體，4個全自動錨索鉆機獨立平行作業(yè)，支護效率高。2個獨立的側幫錨鉆裝置，鉆臂方位調整靈活且范圍大，適應巷道斷面大；操控系統(tǒng)采用總線的自動控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線傳遞信號，進行精準的電液控制。電氣系統(tǒng)采用PLC控制，配有漢字顯示裝置，保護功能齊全；整機自動化程度高，工人勞動強度小，支護效率高。

2.3.3 主要參數(shù)

根據(jù)設計巷道尺寸及圍巖特點，鉆車設計寬度為2 800 mm，高度為2 250 mm，機長為9 000 mm。為了不影響工作面掘進速度，調定最大調動速度為10 m/min，爬坡能力為±12°。其中伸縮臂套筒主要用于實現(xiàn)左右錨鉆鉆架的伸縮，由于其為懸臂結構，受力較為惡劣，伸縮臂套筒受力時應力分布圖如圖4所示，變形分布如圖5所示。由圖4、圖5可知，最大應力為241.25 MPa，最大值出現(xiàn)在油缸耳處；伸縮臂套筒受力時最大變形為3.7 mm，最大值出現(xiàn)在頂端。

圖4 伸縮臂套筒應力分布 Fig.4 Stress distribution of telescopic arm sleeve

圖5 伸縮臂套筒變形分布Fig.5 Strain diagram of telescopic arm sleeve

2.4 掘錨一體機

2.4.1 裝置組成

掘錨一體機是根據(jù)黃陵礦區(qū)的實際條件和需求研制的。整機采用多電機獨立驅動，模塊化設計方法，包含6大部件和4大系統(tǒng)，分別是截割部、裝載部、臨時支護、錨鉆裝置、底盤、運輸部；水冷噴霧系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)。

2.4.2 技術優(yōu)勢

截割與錨護平行作業(yè)，伸縮式臨時支護可前探至迎頭，作業(yè)控頂距小，能適應較差的頂板條件。采用油缸推進截割，截割時機身保持不動，降低履帶調動時對底板的破壞；低比壓履帶行走系統(tǒng)適應低硬度底板條件，履帶行走采用交流變頻調速技術，牽引能力強。行走減速器功率質量比為0.05 kW/kg，是傳統(tǒng)掘進機行走減速器的2倍。機載4頂和2幫錨桿機，6臺錨桿機可同時工作；鉆機操作采用進口電磁多路閥遙控操作，可實現(xiàn)“一人多機”便捷操控。鉆臂方位調整機構安全可靠、便于操作和調整，錨護作業(yè)減小設備移動，降低工作量。鉆機轉速高速700 r/min，低速100 r/min，最大扭矩可達315 N·m，生產能力25 t/min。

2.5 快掘設備確定

通過上述分析可知，快掘設備整體滿足高強度、高溫度和耐磨的要求。形成主要部件之間的平行作業(yè)，提高機械效率。主要設備配套見表1。

表1 快掘系列裝備配套Table 1 Rapid excavation equipment matching

3 現(xiàn)場應用效果

3.1 試驗場地地質條件

快速掘進系統(tǒng)試驗工作面為該礦井303膠帶巷，該巷道設計長度為4 209 m，寬度為5.4 m，高度為3.8 m。303工作面位于井田三盤區(qū)中部，西部、北部為未采區(qū)，南部緊鄰301工作面，東至三盤區(qū)輔運大巷，工作面走向方位為266°，工作面回采標高為+705～+731 m。303工作面地面對應位置位于焦溝附近，地表為中-低山林區(qū)，對應地表高度最高點為+1 440 m，最低點為+1 180 m，開采深度為485～715 m。303工作面開采煤層為2號煤層，屬于侏羅系中統(tǒng)延安組。煤層賦存特征及圍巖特性如圖6、表2所示。

圖6 煤層柱狀圖Fig.6 Coal seam histogram

表2 煤層圍巖物理特性Table 2 Physical characteristics of surrounding rock of coal seam

3.2 生產組織及掘進進尺

快速掘進系列裝備在黃陵二礦303工作面試驗運行期間，每班作業(yè)人數(shù)18人，總計54人，相較原人數(shù)降低了67.5%。實現(xiàn)了空間上的平行作業(yè)，提高了掘進效率，實現(xiàn)了“機械化換人，自動化減人”的總體目標。試驗期間每月分別完成進尺量593 m、608.6 m、588.8 m、624.7 m、603.5 m、611.7 m(6月份為零星工程，無掘進量)，平均每月進尺約605 m，總進尺3 630.3 m?？炀蚣夹g相比傳統(tǒng)綜掘尺(約270 m/月)高出335 m左右，人均提效約2倍，作業(yè)時間由25%提高至70%。粗略計算人工成本減少約1 600萬元/a。

3.3 支護效果

對快掘系統(tǒng)支護下的303工作面膠帶巷頂板及兩幫進行變形監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖7、8所示?？梢?，頂板及幫部變形總體呈現(xiàn)降低趨勢，比較而言，巷道兩幫變化具有起伏特征。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，初始支護狀態(tài)下，頂板及巷道的變形量在6～10 mm之間。隨支護時間的加長，頂板及兩幫位移量急劇減??；位移量減小到3 mm以內?？傮w的頂板及兩幫的變形量平均未超過5 mm，達到了較好的支護效果，滿足生產實際要求。

圖7 頂板位移情況Fig.7 Roof displacement

圖8 巷道兩幫位移情況Fig.8 Displacement of two sides of roadway

4 結論

(1)分析出影響掘進的6種因素，提出綜合利用空間、平行作業(yè)的快速掘進生產系統(tǒng)優(yōu)化的方向。

(2)通過計算得出快掘主要部件的受力特征，提出必須選用高強度鋼、寬履帶，降低設備重心，重點檢修的環(huán)節(jié)。

(3)通過現(xiàn)場試驗，快速掘進成套設備與配套技術工藝可以滿足黃陵礦區(qū)復雜條件下高效快速掘進的生產需求，相比傳統(tǒng)綜掘工藝，改善工作面人員作業(yè)環(huán)境，提高了人員安全性，減少了人員勞作強度，符合煤礦“機械化換人，自動化減人”總體要求。