淺談礦山巷道多功能修復機器人技術

徐嘉麟，張瀛方

1 新建礦山巷道掘進和維護維修的設備技術概述及現狀

隨著金屬（包括煤炭及其他稀有金屬）礦山埋藏淺、易開采資源的挖掘殆盡，大型礦山企業對地下礦藏資源的開發采掘逐漸向埋藏更深方向發展。與淺埋礦床相比，由于深部礦床巖石的地質構造、賦存條件以及地質力學等與淺埋層有較大的不同；其關鍵開采技術條件和巷道掘進工藝更加復雜。目前絕大部分復雜惡劣工況已有專門采掘機械研發并應用，但多數設備只是單項功能施工方法；因此造成在井下工作的大型機械種類繁多，并需要額外增加放置相應設備的硐室；存在大型設備在巷道中轉場難，掘進主機和支護主機之間錯車難等問題。巷道的維修維護中局部會出現各種不同問題需要不同設備處理，該類問題存在特征：①在同一地點并不具備大量存在，需要原有專用設備進行批量處理；②個別需要修復問題處理，非僅用原有專用設備可以解決，還需增加其他專用設備共同工作才能解決。

具體以煤礦井巷工程相關施工工藝為例。

為協助采煤、運輸、設備存放等，需要在煤層或巖層內所開鑿的一切通道、孔洞等統稱為井巷，可分為以下幾大類：

（1）水平巷道：①平硐；②隧道；③石門；④平巷。

（2）傾斜巷道：①斜井；②暗斜井；③上（下）山。

（3）垂直巷道：①立井；②暗立井；③溜井。

（4）硐室：①變電所；②水泵房；③煤倉或水倉；④井下炸藥庫。

在新建埋藏較深礦井開采初期在立井鉆好后需要施工水平巷道，但相應專用施工設備較大無法放置，需要預先開挖大型設備組裝和轉場空間；如果完全由人工采用風鎬工作量巨大施工效率低，會嚴重影響礦井建設速度。需要研發設計一種設備具有體積和外形尺寸相對較小替代人工風鎬，在人工開鑿出一定空間后由該機器繼續破碎和挖掘；作為過渡設備可以降低工人勞動強度，提高生產效率；為后續快速掘進大型設備做工序準備。

水平和傾斜巷道掘進所需要設備根據全煤巷道、半煤巖和全巖巷道，巖石硬度和掘進斷面大小采取不同施工方法：

（1）在全煤和半煤巖巷道，即普式硬度f＜4的巖層為軟巖（按堅固性系數，單指標分類方法f等于RC/10其中：RC為巖石的單軸抗壓強度，單位MPa）。巷道橫斷面尺寸在3.5m（寬）×4.5m（高）以上多為機器掘進工藝（簡稱機掘），其中掘錨一體機技術發展成熟。國外知名生產企業美國久益采礦公司（JOY Mining Michinery），奧地利的奧鋼聯等公司；國內生產企業有太原煤科院，三一重型裝備有限公司等。掘錨一體機少數同時具有多種功能設備，特定工況下可以實現巷道快速掘進功能。掘錨一體機主要結構部件及功能：

①具有截割部根據結構布局分為縱軸截割頭和橫軸截割頭，根據驅動形式可分為截割電機和純液壓驅動。通過截割臂上下俯仰、左右擺動、前后伸縮可以實現截割頭進給動作，截割頭周向旋轉帶動截齒切削煤和煤矸石，切割成矩形或拱形斷面。②具有兩個錨桿機可布置在截割臂兩側或者履帶行走部上方通過小車滑道或者伸縮臂形式前后滑移、上下俯仰、左右擺動在矩形和拱形橫截面內定位。本身錨桿機自身具有伸縮倍增機構、液壓旋轉機構、油缸推進機構、水冷排渣機構；實現鉆孔、打錨桿和錨索功能。③具有臨時支護功能通常布置在截割臂上。本身支護部具有一定結構強度輔助支撐錨網或鋼帶等替代人力托舉，在斷面有一些松動煤塊或矸石時對操作手起到一定臨時保護作用。④具有鏟運部。鏟板部是一個具有液壓驅動星輪結構或者蟹爪結構，可以收集截割部切削下來的煤和矸石功能，通過星輪或者蟹爪將物料推送到第一運輸機。第一運輸機是由液壓驅動刮板鏈（分為圓環鏈結構適合于煤和滾子鏈結構適合于煤矸石或者巖石）；具有將截割下來的煤和矸石運送到后面配套的第二運輸皮帶轉載機或礦車。⑤具有履帶行走部是一種適合地面工況惡劣、坡度較大的巷道。掘錨一體機使用功能上優點為同時具有截割、打錨桿錨索、臨時輔助支護、鏟裝運輸、履帶式行走，適用在全煤或半煤巖中大型巷道施工工藝中大部分工步。主要缺點結構由于具備多種功能部件，同時集中布置在一個設備上造成整機尺寸大不適用于小型斷面。相比全斷面專用雙臂錨桿機，掘錨一體機由于錨桿機布置在整機截割臂兩側會造成個別位置如側幫最下面一排的錨桿錨索無法打。對比單獨工序打錨桿錨索效果，相較于專用雙臂錨桿鉆車效率略微低一些。掘錨一體機相對于分體機施工工藝避免了錯車，在滿足巷道使用要求前提下可以適當設計減小巷道斷面尺寸，對應降低掘進和支護工作量；從而提高巷道掘進速度匹配煤礦產能。降低生產工作量可以降低人工成本和支護材料使用成本，提高生產效率；具有明顯經濟效益的提升。

我國部分煤礦由于煤質好埋藏條件特殊但儲量并不小，在考慮經濟效益平衡等因素后設計巷道大小會在3.5m（寬）×3.5m（高）以下或更?。皇芟抻诰蜻M機尺寸和空間要求無法機掘，多數采用人工開挖。需要我們設計一種布局緊湊尺寸小，具有挖掘、裝載和破碎功能替代人工風鎬。

（2）在全巖巷道，即普式硬度f＞4的巖層為中硬巖及以上。掘錨一體機無法實現破巖需采用打眼放炮的掘進工藝（簡稱炮掘）。巷道橫斷面尺寸在4m（寬）×3.5m（高）以上可以鑿巖臺車、扒渣機和雙臂錨桿臺車三機配套使用，在巷道尺寸在6m（寬）×5.5m（高）以上可以鉆裝機和雙臂錨桿臺車配套使用。以上炮掘工藝和相關主機設備技術相對成熟，國內主機廠商江西鑫通機械制造有限公司可以提供全系列炮掘工藝相關設備。

①鑿巖臺車：根據結構布局分為單臂和多臂，行走方式分為履帶式行走和輪胎式，動力系統分為柴油發動機驅動和電機驅動。鑿巖工作臂可以上下俯仰、左右擺動，具有伸縮內外筒適合較大的工作斷面范圍。具有倍增結構的滑臺帶動鑿巖機進行往復運動，鑿巖機具有旋轉沖擊破碎功能，可實現打炮眼功能。②扒渣機：根據結構布局分為兩節臂和多節臂，配有反鏟式扒斗。行走方式分為履帶式行走、軌輪式輔助牽引行走和輪胎式，動力系統分為柴油發動機驅動和電機驅動。具有一體式集料鏟斗和第一運輸機，采用滾子鏈刮板結構液壓馬達驅動。放炮后崩出的巖石是通過扒渣機轉運出去，后方可配套第二運輸皮帶轉載機或礦車。③雙臂錨桿臺車：總體結構布局為兩個工作臂，行走方式分為履帶式，動力系統分為柴油發動機驅動和電機驅動。錨桿工作臂可以上下俯仰、左右擺動，具有伸縮內外筒適合較大的工作斷面范圍。本身錨桿機自身具有伸縮倍增機構、液壓旋轉機構、油缸推進機構、水冷排渣機構；實現鉆孔、打錨桿和錨索功能。④鉆裝機：集鑿巖臺車和扒渣機功能于一體?？傮w結構是在扒渣機結構基礎上重新布局設計采用履帶式行走，具有兩個鑿巖工作臂布置在左右履帶行走部上方，安裝在滑動小車上前后滑移通過齒輪齒條傳動，防止扒渣工作時與鑿巖工作臂相碰。

以上設備可以完成巖巷炮掘工藝主要工序。存在沿著巷道走向開挖側幫下方水溝槽，由于采用放炮工藝現有技術無法很好控制爆炸威力，不能通過放炮達到設計要求深度和寬度的水溝槽。需要人工通過風鎬開挖，總體工作量不大但工人勞動強度高；需要研發設計一款設備代替人工。

（3）已經開拓好的巷道，存在有自然災害情況下局部圍巖壓力突發擾動情況，也存在其他接近工作面開采作業時或開拓新的巷道人為誘發圍巖壓力擾動情況；導致已經支護好的巷道會局部變形出現片幫、頂板冒落、起底鼓等情況；必須將巷道尺寸修復到原有設計大小滿足生產要求。需要風鎬破除原有抬高硬化地面、撬動松動石塊；需要拆除超尺寸側幫錨網、擴幫到設計尺寸，通過液壓剪切斷探出失效部分的錨桿錨索。以上工作90%是人工采用小型機械完成；工作種類繁雜、勞動強度大、占用人力多、效率低。需要設計一種多功能機械完成以上巷道修復工作。

2 未來礦山巷道多功能修復機器人關鍵技術

針對目前金屬（包括煤炭及其他稀有金屬）礦山埋藏淺、易開采資源的采掘殆盡，大型礦山企業對地下礦藏資源的開發采掘逐漸向埋藏更深方向發展狀況，為適應開采技術方法和更加復雜巷道掘進工藝，對未來礦山巷道多功能修復機關鍵研究技術方向創新提出“分散—集中—機器人”。

關鍵詞“分散”詳細含義是指具有多種功能，滿足大多數金屬礦山開采方法和巷道施工工藝對應設備的需求；允許沒有大型專用設備的效率高，但是可以勝任專用設備的工作；針對特殊工況工作量不大、但是大型專用設備無法勝任的工作新型多功能巷道修復機可以完成。從結構上講可拆分為不同的功能模塊，每個功能模塊是高度集成液壓系統和電氣系統的執行機械部件；每個模塊根據功能不同預先分散放置在不同工作位置，模塊彼此間沒有必要聯系，功能上互不干擾。未來多功能修復機器人通過萬能快換器集成挖掘模塊、破碎模塊、裝載模塊、銑挖機模塊、錨桿機和瓦斯等氣體或水鉆探模塊、液壓錨桿索剪斷器模塊、登高平臺模塊等功能。

由于整機定位緊湊、重量輕、適用性廣、可靠性高?？紤]設備之間錯車整機寬度受限，考慮設備在巷道轉場最小轉彎半徑7000mm整機長度受限，考慮適合并允許工程機械使用的90%巷道高度最小設計不低于3000mm整機高度受限；綜合考慮所有工況和功能要素，確定工作時安裝最大重量和外形尺寸功能模塊后額定整機重量不超過7500kg（包括調整重心所加配重），整機工作寬度最大不超過1200mm、整機工作長度不超過6350mm（工作臂完全折疊抬起狀態）、整機工作高度不超過2800mm（工作臂完全折疊并落下狀態）。各模塊的選型、特定性能參數和外形尺寸，如下詳細說明設計結構思路。

（1）挖掘模塊

主要功能為挖掘裝載；挖斗布局屬于反鏟式挖掘，動作方向是沿回轉軸向前和向下挖掘，為了既要滿足大斷面巷道又要適用小斷面巷道，部分巷道沿掘進方向整個一側布置運輸皮帶，導致挖斗結構不易設計過大否則會影響工作臂左右擺動影響卸料。挖斗設計開口寬度最大不超過500mm，斗容不超過0.2m3。

（2）破碎模塊

主要功能為破碎和撬毛；由于巷道修復機主要功能定位是修復和輔助功能，是為了適用更多類型工況，不需要完全用破碎器開拓巷道，工作量不是巨大?？梢圆贿x沖擊能較大的液壓破碎器，涉及工作臂強度和液壓系統的匹配會影響整機尺寸。推薦設計方案選型為沖擊能為600焦耳，驅動油壓為110bar～140bar，流量40L/min～70L/min，打擊頻率500bpm～900bpm，釬桿直徑￠70mm。在普式硬度為F8以下巖巷工況破碎效率與大沖擊能破碎錘沒有比較明顯降低，在性能上符合多功能巷道修復機定位。

（3）裝載模塊

主要功能為裝載物料；挖斗布局屬于正鏟式裝載，動作方向是沿回轉軸向前和向上鏟起舉升，適用大斷面巷道。鏟斗設計容積相對反鏟式挖掘斗明顯加大；開口寬度最大不超過機身寬度1200mm，斗容不超過0.5m3。根據裝載物料重量需要在主機后方加裝配重調整重心，以滿足裝載工作時整機工作穩定性，防止設備在下山工作時向前傾翻。

（4）銑挖機模塊

主要功能為挖掘空硐、水倉、煤倉等；井下相關工程主要是指在巷道底板以下挖臨時存儲煤或者矸石倉，連接下方工作面的運輸巷道，設有倉門用來卸料到礦車或轉運皮帶上，側幫開挖空硐用來存放設備、避難逃生倉等?？傮w施工量不大，如果采用人工風鎬勞動強度比較大，挖掘速度慢、會影響總體工作進度。如果配合靈活的工作臂選用橫軸銑挖頭機械開挖，避免了工人的高強度勞動挖掘速度快，成型好。由于操作空間有限，為了滿足靈活性、適應性等要素，仍然需要選配型號較小橫軸銑挖頭。推薦滾筒截割轉速160轉/分鐘，在工作壓力50巴時推薦流量100升/分鐘，在工作壓力350巴時輸出扭矩3500牛頓·米，在工作壓力350巴時切削力17500牛頓。推薦最低工作壓力210巴，銑挖頭直徑450mm，額定液壓功率45千瓦，橫軸銑挖頭重量750kg，推薦安裝在整機重量7t～10t的巷道修復機器人上使用。

（5）錨桿機和瓦斯等氣體或水鉆探模塊

主要功能為鉆錨桿和錨索孔、打錨桿和錨索；在掘進時會存在局部斷層含水或者其他高壓氣體，需要錨桿機作為臨時的鉆探工具，通過接桿方式鉆20m左右的深孔。推進器結構由滑道裝置、滾子鏈裝置、推進器油缸、液壓馬達及鉆桿座等部件組成，滑道裝置采用鋼板焊接成形,經過熱處理,機械加工，剛性好,韌性好,精度高，滿足了井下使用的要求。推進器油缸安裝于滑道裝置的內側，通過滾子鏈傳動機構，獲得鉆孔所需的推進行程，推進行程1000mm。二次推進油缸位于滑道內側，用于補償推進行程，二次推進油缸推進行程1170mm。推進總行程2170mm。鉆孔馬達與鉆桿座直接連接，在液壓馬達驅動下，來提供鉆孔時所需的動力。所使用鉆桿為中空兩端具有密封螺紋本身具有較高強度和韌性，一端接硬質合金鉆頭負責鉆孔，另一端可以接多根鉆桿滿足鉆較深的孔。中空鉆桿設計可以通過水起到冷卻和排渣作用；也可以通高壓氣體同樣起到排渣作用。

（6）登高平臺模塊

主要功能為在大斷面巷道工況中，操作手站在平臺上進行軌道安裝、風筒布置及其他輔助維修工作。為了滿足平臺具有平動功能時刻保持操作手如在平地一樣正常站立、可靠安全等要素?？傮w設計結構在平臺下方負責回轉的螺旋擺動油缸加裝角度傳感器，在各節臂連接銷軸處也分別加裝角度傳感器。升降平臺工作時角度傳感器實時傳輸角度信息到控制箱，控制箱具有芯片和控制軟件，通過數據分析計算并發出控制信號到各個電磁閥控制螺旋擺動油缸及各個直線液壓油缸復合動作，達到平臺平動效果。操作手可以采用液壓手柄控制，可以布置在操作平臺上；也可以通過遙控器控制，需在主機上增加無線信號接收和發出裝置。

（7）液壓錨桿索剪斷器模塊

主要功能為切斷失效的錨桿錨索或者直徑在30mm以下的鋼筋等輔助材料。需要具有的特點是切斷力大、外形尺寸小、重量輕；操作手可以輕松用手拿起使用操作方式簡易，具有便攜性?？梢耘浜献陨淼歉咂脚_剪斷巷道頂部較高處的失效錨桿錨索。錨桿索切斷器主要技術參數：①切斷對象：￠30mm以下錨桿鋼筋，￠29mm以下錨索（鋼絞線）。②驅動油壓：Mpa（最大工作壓力）：63。③最大切斷力KN：600。④刀口最大開度mm：32。⑤外形尺寸mm：300（長）×150（寬）×120（高）。

關鍵詞“集中”詳細含義是指一臺主機設備除了具有執行功能模塊以外其他必要的組成部分集中設計在一起，主要作用是為了更好的服務于執行功能模塊。包括動力源電機或者柴油發動機，液壓系統、電氣系統及智能控制、負責整機移動的履帶行走部、駕駛室及操作臺和其它的連接結構主體等。主要特征具有可靠的執行功能模塊的通用機械接口，對每個功能模塊的液壓系統和電器系統及智能控制具有兼容性，整機設計唯一動力系統去匹配，結構緊湊，工作時的整機尺寸小，總體功耗低；主機在工作時只安裝一個功能模塊執行單一任務；體現了設計理念關鍵詞“集中”，與其他類具有多功能一體機設計不同。多數一體機總體結構是將多個功能模塊集成在一起，整機尺寸龐大，功能模塊間在工作時會有一定相互影響；適應性差，一些中小型工作面或巷道無法使用；總體功耗大。

關鍵詞“機器人”詳細含義是指在井下工作面或者巷道中存在局部會有突然垮塌、瓦斯等有害氣體涌出、灰塵較多能見度低、高溫、噪聲大等不適合工人工作的環境，需要具有高度集成智能化、可通過遙控器遠程操控的機器人去替代人工。也符合國家對采礦企業要求井下提高機械化、智能化、減員增效和打造安全礦井的政策。

其中萬能快換器是一種執行功能模塊的通用機械接口，最重要的攻關技術點，他的可靠性決定了礦山巷道多功能修復機器人是否可行。