綜掘巷道快速掘進技術研究及鉆錨運輸車結構設計

劉 彥

（山西長平煤業有限責任公司， 山西 晉城 048400）

引言

目前，隨著我國經濟的不斷發展，技術的不斷進步，綜掘巷道的掘進速度變得越來越快，相應的掘進功率也在不斷提升。但是，對于綜掘巷道的掘進速度，只是單純地提高了綜掘巷道的掘進功率，并不能提升掘進速度，最主要的原因在于，影響綜掘巷道掘進速度的因素有很多，例如：掘進機的開機功率、采掘的比例、支護的時間等。綜上，要想提升綜掘巷道的掘進速度，就必須對以上的問題進行解決，否則，仍然不能徹底提升掘進速度。通過調研，對目前3 種快速掘進的工藝流程進行介紹，具體如表1 所示。

表1 快速掘進的3 種工藝流程

通過表1 可知，在我國應用較為廣泛的掘進流程為懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機工藝流程，這種工藝流程具有較強的靈活性，除此之外，在此種工藝流程中，投入較少，但是，此種工藝流程由于不能夠進行平行方向的工作，且該種工藝流程機械化程度不高，除此之外，其支護時間也比較久，因此，以上幾點均嚴重影響了該種加工工藝的掘進速度。因此，如果后期能夠將掘進以及支護兩者相結合起來，這樣的話，不僅能夠大大縮短掘進以及支錨之間交換的時間，同時，也提高了掘進速度。

1 綜掘巷道快速掘支錨協同作業系統

1.1 機組結構組成

綜掘巷道的快速掘支錨協同作業系統的機組構成，如圖1 所示，綜掘巷道快速掘進支錨協同作業系統的布置方式如圖2 所示。

圖1 綜掘巷道快速掘支錨協同作業系統的組成

圖2 綜掘巷道快速掘支錨協同作業系統的布置方式

通過圖2 能夠看出，在整個系統中，在最前面的是無反復智能懸臂式掘進機，而在無反復智能懸臂式掘進機的上方則是超前支護自移式臨時支架機組，該布置的方式則是騎跨式，在該系統的中間部位，布置有轉載機及運輸機裝置，在整個的工作區域中，均存在有該裝置，在工作過程中，該裝置能夠將工作過程中產生的廢棄物料運輸出工作區域。在該系統的最后面，布置有鉆錨運輸車，該裝置主要的作用是對錨桿進行支護以及起到臨時支架的作用。通過以上三者（包括無反復智能懸臂式掘進機、超前支護自移式臨時支架機組以及鉆錨運輸車）的相互協作、相互配合，最終能夠實現掘進以及支護，而轉載機及運輸機則能夠實現工作過程中的運輸工作[1]。

除此之外，當掘進機以及鉆錨運輸車共同進行工作時，不僅能夠提高支護的工作效率，同時，還能夠提升該掘進的速度。

1.2 工作原理及工作循環

當煤礦井中，并沒有反復的支撐時，其快速掘進的具體實施步驟為：

1）準備工作：首先要確定掘進機自身的位置，根據工作需要，及時地調整掘進方向，為掘進做好準備工作。

2）掘進過程：當掘進機開始進行工作時，其會開始掏槽以及截割煤層，與此同時，其前進的距離將會是1 個雙聯自移邁步式臨時支架的距離，此外，掘進機在進行截割煤層時，其截割頭將會由截割臂帶著，由左到右、從上到下進行移動進行工作，具體如圖3所示。

圖3 無反復智能懸臂式掘進機掘進工作示意圖

3）當掘進機開始向前掘進行時，臨時支護以及移架將會隨著掘進工作的前移而發生移動。同時，在掘進機的尾部，該臨時支架將會從最初的全支撐狀態轉變成全收縮的一個狀態，最后在鉆錨運輸車的舉梁上落定，之后，還會隨著該運輸車向前移動而發生移動，最終與無反復智能懸臂式掘進機相聯，之后，鉆錨運輸車將會回到最初的位置，臨時支架將會由無反復智能懸臂式掘進機繼續進行運輸，直至最終的位置。臨時支護在達到最終位置以后，將會逐漸調整其工作姿態以及支撐力大小，開始進行工作。

4）當鉆錨運輸車在完成支架的運輸工作以后，退出臨時支架位置，其將會逐漸地調整其工作姿態以及所要鉆錨的地方，之后，將由2 組橫向的錨桿鉆機進行展開，而由縱向錨桿鉆機升起，之后進行鉆孔以及打錨桿。除此之外，無反復懸臂式掘進機可與錨固支護同時進行工作，以提高工作效率。

5）整個工藝流程將會重復以上步驟，包括其運輸以及其他的一些輔助工作等，除此之外，還要保障在其進行工作過程中，其他的一些輔助環節能夠正常運行。

2 鉆錨運輸車結構設計及有限元分析

2.1 鉆錨運輸車結構設計

圖4 為鉆錨運輸車的側視圖，通過圖4 能夠看出，該鉆錨運輸車主要由3 部分組成，包括主機體、托舉梁以及多工位錨桿鉆機，除此之外，該運輸車還配有履帶式行走機構，在不同的環境中，均能夠實現工作[2]。

圖4 鉆錨運輸車的側視圖

鉆錨運輸車中托舉梁的作用，主要的工作是完成對超前支護臨時支架的運輸工作，而托舉梁主要由4部分組成，包括基座、固定臂、舉升臂以及支架。鉆錨運輸車托舉梁的簡易力學模型如圖5 所示。

圖5 鉆錨運輸車中托舉梁的簡易力學模型

2.2 鉆錨運輸車托舉梁應力特性與位移分布

鉆錨運輸車中托舉梁所選用的材料是Q890 鋼，物理參數如表2 所示。

表2 Q890 鋼的物理特性

已知該種鋼材的一些物理特性，當利用ANSYS進行位移以及應力分析時，可以選取自由劃分網格功能，對該托舉梁的各個部位進行網格劃分，同時還需要在托舉梁關鍵部位進行微調網格，使結果的更加精確性。除此之外，可以將網格的平滑類型選擇為Medium，其過渡則選用Fast，經過以上一系列的操作以后，將該托舉梁最終劃分成的節點有283 540 個，而單元有129 237 個。

之后接著運用ANSYS 對其進行有限元分析，將托舉梁臂的升高以及伸長這兩種狀態定義成是最惡劣的工作狀況，而接觸條件擇是托舉梁底座固定，以及托舉梁與液壓支架底面接觸，其中這里面的接觸條件選擇Frictional 型。與此同時，支架始終要保持在水平狀態。除了以上設置之外，還需要對支架與托舉梁設置標準的重力，該重力的方向為豎直向下，大小約為9.8 m/s2；之后，開始對其模擬工作，施加一定的加速度等，開始有限元分析，最終得到的位移以及應力云圖如圖6 所示。

圖6 鉆錨運輸車托舉梁舉升時的位移以及應力云圖

有限元分析主要研究的是托舉梁，因此，在對云圖的分析中，將會隱藏支架部分，不再對其進行分析，通過6-1 云圖能夠看出，其在進行舉升過程中，最大的位移是28.749 mm，當出現最大位移時，其應該出現在托盤，同時，其還會逐漸向底座的方向遞減，能夠看出變化處在一個合理的變形范圍內。通過圖6-2，能夠看出在托舉梁架推移液壓缸的聯接部分處出現最大應力，且最大值是620 MPa。通過對ANSYS 有限元分析，能夠看出鉆錨運輸車在進行工作過程中，其各個部件均能夠滿足使用條件，且能實現對支架的運輸工作。

3 結論

1）通過虛擬樣機的制作，不僅優化了工作流程，同時還提升了工作效率，與此同時，還提升了該綜掘巷道快速掘進的信息化、智能化程度，進而能夠降低工人的勞動強度。

2）在托舉梁架的位置，最大位移是28.749 mm；在托舉梁架的推移液壓缸聯接的地方，其所能承受的最大應力是620 MPa，基本符合工作要求。