礦用噴漿機械手的設計與應用

賈湛勝

（山西王家嶺煤業有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概況

晉能控股煤業集團王家嶺煤業公司設計生產能力為500 萬t/a，主要開采4 號煤、7 號煤、9 號煤，其中4 號煤平均厚度7.6 m。18103 工作面膠帶運輸巷設計長度1934 m，矩形斷面設計，掘進寬度×掘進高度=5.4 m×3.6 m，斷面積為19.44 m2，平均坡度為2°。巷道支護采用先錨網（索）掘進、后撤除、再集中噴漿的方法。從王家嶺煤業以往巷道情況來看，掘進錨網（索）支護后，人工噴漿支護施工未能及時進行，造成巷道支護強度低，出現漏頂片幫現象，大幅度增加了巷道后期的維護成本。針對人工噴漿施工效率低下，影響到噴漿支護作業的情況，基于機械化換人的理念，設計了礦用噴漿機械手設備來代替人工噴漿作業[1-6]。礦用噴漿機械手設備的應用可改善作業環境，保障噴砼質量穩定，提高施工效率，提高噴漿人員的安全性。

2 礦用噴漿機械手的設計

2.1 結構分析

礦用噴漿機械手的結構如圖1，主要由行走機構、穩定機構、大臂伸縮機構、大臂回轉機構、噴射機構、液壓系統、操作系統、電氣系統組成。整機運行狀態外形尺寸長×寬×高=3430 mm×2260 mm×2170 mm，可以適應巷道斷面15～50 m2，工作范圍寬×高=7 m×7 m。液壓泵站額定工作壓力為20 MPa，整機采用履帶底盤，馬達驅動，適于在惡劣地面環境移動。

圖1 礦用噴漿機械手結構示意圖

（1）行走機構。采用兩臺低速大扭矩液壓馬達驅動鏈輪帶動履帶行走，保證了行走機構的可靠和穩定，行走速度為0～9 m/min。

（2）穩定機構。為保證噴漿作業時設備的穩定性，在設備前部左右兩側各增加一組穩定靴，通過兩根油缸實現升降，噴漿作業時支撐在底板上，需要行走時將其抬起，保證了設備工作的穩定性。

（3）大臂伸縮機構。由兩級伸縮油缸和伸縮簡組成，設備穩定后進行0～2 m 伸縮量。

（4）大臂回轉機構。采用液壓馬達驅動回轉支撐軸承方式進行，實現左右各60°角的擺動，能實現在不用移動設備的情況下對巷道兩側的近距離噴射，保證噴射質量。在回轉機構與伸縮臂中間設有一個伸縮油缸，與大臂立柱形成一個四連桿機構，可以實現對≤6 m 高的巷道進行噴漿作業。

（5）噴射機構。噴射機構由三根旋轉馬達組成，一級旋轉油缸實現噴頭的左右旋轉，二級旋轉油缸實現噴頭前后旋轉，三級旋轉油缸是一個偏心軸馬達，實現噴頭的畫圈運動（模擬人工抱噴頭時的動作），保證噴漿的均勻度。噴射頭處設有一個三岔口（輸料口、進水口、速凝劑口）。

（6）液壓系統。液壓系統由一臺7.5 kW 的防爆電機驅動一臺主油泵（柱塞式變量泵，流量：13 mL/rad，額定壓力：20 MPa）和一臺副泵（齒輪泵）作為動力源，通過供油切換閥組合多路換向閥，將壓力油分別送給各執行機構，完成各部件的動作。

（7）操作系統。由一組七聯閥組和一組兩聯閥組組成，七聯閥組控制左右行走、大臂回轉、大臂伸縮、噴頭噴射等動作，兩聯閥組主要控制穩定靴的升降和噴頭三級馬達的畫圈運動。

（8）電氣系統。電氣系統設計簡單，由一臺7.5 kW 防爆電機和一臺QZ-301140 真空磁力器構成，能實現電機的啟停及各種保護和報警功能。設備兩側各設有一個急停接鈕，保證在緊急情況下能夠及時停機；主操作平臺左側設有一個兩聯啟停按鈕，供操作人員遠距離啟停設備；本機大臂上設有照明燈兩盞，能夠隨大臂的轉動而轉動，保證行走和噴射時的照明需要；本機還設有瓦斯斷電裝置，當瓦斯超限時能自動停止本機電源。

2.2 關鍵技術分析

（1）實現了機械化替人的重大突破，工人的勞動強度降低，施工效率得到了提升。

（2）采用履帶式行走機構，解決了人工移動設備的問題，采用多級伸縮臂式，能夠實現對巷道不同方位的噴漿作業。伸縮臂可實現回轉、大臂變幅、伸縮等功能，能夠對巷道頂及兩幫進行不同方位的噴射作業。

（3）噴頭畫圈機構采用偏心輪，實現噴頭的偏心擺動運動，動力由旋轉馬達提供，實現了噴頭不間斷圓弧噴射，保證了噴漿質量。

（4）利用了機、電、液一體化的優勢，實現了機械化減人提效的目的，提高了施工效率和施工質量，同時施工過程中的安全得到了有效管控。

2.3 先進性及創新性分析

（1）采用履帶式行走機構，解決了人工移動設備的問題；采用多級伸縮臂式，能夠實現對巷道不同方位的噴漿作業。伸縮臂可實現回轉、大臂變幅、伸縮等功能，能夠對道頂及兩幫進行不同方位的噴射作業，大幅降低了工人的勞動強度。

（2）噴頭畫圈機構采用偏心輪，實現噴頭的偏心擺動運動（畫圓），動力由旋轉油缸提供，實現了噴頭不間斷圓弧噴射（替代人工搖擺），保證了噴漿質量，同時也提高了施工的效率，成功實現了機械化換人。

3 現場施工應用及效果分析

3.1 現場施工應用

將設計的礦用噴漿機械手配套“濕式混凝土噴射機+煤礦用帶式上料機”，構建機械化遠距離噴漿配套裝備，在18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業中進行了實踐應用。

工藝流程為：攪拌均勻的物料用防爆膠輪車運至煤礦用帶式上料機料倉內；工作時，將料倉內的噴漿料連續、均勻地輸送至濕式混凝土噴射機料斗內，在迎頭使用礦用噴漿機械手代替人工夾持噴槍進行自動化噴漿作業。此時，操作人員可在距離噴料口10 m 以外的位置進行遙控操作。

3.2 效果分析

18103 工作面膠帶運輸巷的兩幫及頂板的噴漿支護作業中應用礦用噴漿機械手施工后，效果理想，主要表現在以下幾方面。

（1）作業環境得到了改善。操作人員距離噴料口10 m 以外，降低了操作人員與噴漿料的直接接觸機會，有利于作業人員的職業健康。

（2）保證了噴砼質量穩定。機械手噴砼可保證噴射角度、距離，避免人工噴射的盲區、盲點等造成噴漿料回彈高的問題。

（3）提高了施工效率，降低了材料的浪費。噴漿效率是人工噴漿的1.39 倍。

（4）噴漿人員的安全性更高。操作人員遠離噴漿出料口，噴漿料的回彈和頂板及兩幫的活矸、活煤等掉落或反彈回來后不會打到操作人員身上，確保了人員安全。

（5）對4 m 以上高巷道的噴漿更加方便，不需要搭設臨時作業平臺，通過機械臂的自動伸縮功能即可達到合適的噴漿位置，提高了噴漿料的上墻率。

4 效益分析

噴漿機械手使用前，噴漿作業一直采用人工抱噴頭的工作模式。操作人員勞動強度大，不得不間斷休息，其工作效率低，且很容易患塵肺、腰肌勞損等職業病。原人工噴漿隊平均每班噴漿15 m3計算，人工工效為2.25 m3/h。礦用噴漿機械手應用后，每班的噴漿量可增加到25 m3，人工工效為3.13 m3/h，施工效率是人工的1.39 倍，綜合工效提升67%。

礦用噴漿機械手制作成本一次性投入約32 萬元，日常運行成本每年約8 萬元（噴漿管和配件費用）。使用礦用噴漿機械手后每班的噴漿量25 m3，按照噴漿單價0.11 萬元/ m3計算，每班經濟效益=（使用后每班噴漿方量-使用前每班噴漿方量）×噴漿單價=（25-15）×1100=1.1 萬元。按照噴漿隊每天兩班工作制計算，每天經濟效益=1.1×2=2.2萬元，全年可多結工程款=2.2×365=803 萬元。因此，每年可增經濟效益約763 萬元。