煤礦用硬巖巷道智能化鉆裝錨掘進機設計

楊 磊

（陽泉煤業集團七元煤業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

0 引言

對于煤礦井下綜采工作面巷道的掘進作業，通常有掘進機掘進以及鉆孔爆破兩種方案，其中掘進機掘進作業對煤巷等巖性較軟巷道掘進效果較好，而對堅硬巖性巷道掘進時，掘進效率偏低、速度較慢，而且當掘進作業環境惡劣時很容易引發安全事故。對于這類巷道采用鉆孔爆破法進行作業時，由于國內鑿巖臺車性能差、穩定性不高，而人工抱鉆打眼效率低且危險性大。為降低掘進作業人員勞動強度，提高硬巖巷道掘進效率，杜絕安全隱患，本文研制設計出一套智能化鉆裝錨掘進機設備，用于提高堅硬巖性巷道的機械化作業水平以及巷道掘進效率。

1 智能化鉆裝錨掘進機結構設計

智能化鉆裝錨掘進機主要結構組成包括行走機構、扒斗機構、鏟板、錨固機構、鉆臂操控臺、輸送機構以及液壓機構等，具體結構組成如圖1 所示。該鉆裝錨掘進機適用于普氏系數＞6、巷道傾角小于15°、巷道掘進斷面20～35 m2的巖巷掘進過程，可實現對所需掘進巷道進行鉆孔錨固、掘進運料等一體化成巷作業。智能化鉆裝錨掘進機通過電氣系統以及液壓系統的聯動控制，可高效實現巷道鉆孔、巖體運輸、斷面錨固支護作業，同時可實現鉆臂的自主定位、斷面快速錨固以及巖體自動搬運輸送等智能化作業。

圖1 智能化鉆裝錨掘進機結構示意圖

該智能化鉆裝錨掘進機截割部鉆進作業鉆頭用于巷道鉆孔，鉆臂操控臺以及液壓機構只夠用于操控鉆頭并提供動力；鏟板以及扒斗運料裝置用于搬運破碎巖塊；行走裝置及后支撐裝置用于掘進機牽引運行，牽引動力由電氣機構提供；錨固裝置膠管托架用于錨固成巷后的圍巖。

2 智能化鉆裝錨掘進機關鍵技術

對該智能化鉆裝錨掘進機的關鍵技術應用主要包括一體化掘進作業設計、扒斗輸送裝置設計、掘進鉆臂定位設計以及掘進機牽引定位設計四個方面。

2.1 一體化鉆裝錨掘進設計

對于鉆裝錨掘進機采用模塊化以及Top-Down融合設計理念，實現了掘進機掘進作業時的鉆孔、冒落巖塊運輸、錨固作業的一體化成巷效果。該鉆裝錨掘進機安裝4 個臂進行掘進作業，全部附帶定位系統，其中2 個鉆孔臂負責對巷道進行爆破鉆孔施工作業，另外2 個負責對錨固錨桿或錨索鉆孔作業，方便后續對成巷的快速錨固。爆破冒落下的巖塊碎石可通過鉆裝錨掘進機前部鏟板以及扒斗裝置進行裝載作業，并通過輸送機進行運輸。

2.2 扒斗輸送裝置設計

扒斗輸送裝置主要用于對剝落爆破下的巖體進行裝運，為提高扒斗裝置的裝運效率，降低扒斗裝置因巖塊沖擊造成的故障損壞，在其升降液壓回路上運用了基于負載變量的敏感控制閥，可以實現扒斗裝置的升降液壓回路承受壓力峰值35 MPa 之內，降低了液壓油缸的沖擊負荷，保障了扒斗裝置的穩定運行效果。同時在鉆裝錨掘進機的挖掘作業、鉆孔作業以及支護作業上，采用多聯多路閥進行控制，通過獨立設置液壓回路對錨固裝置、扒斗輸送裝置以及鉆臂裝置進行柔性控制，即提高了各裝置的運行效率，同時增強了鉆裝錨掘進機的整體系統流暢性，也確保了整體系統的穩定可靠運行[1]。

2.3 掘進鉆臂定位設計

基于堅硬巖體下進行掘進作業時掘進鉆頭容易產生偏差的現狀，研發設計出一種鉆裝錨掘進機鉆臂自動定位系統，該自動定位系統包括傳感監測、液壓系統以及控制器三部分。其中，傳感監測部分主要是傾角傳感器以及位移傳感器，通過布設于鉆臂位置對鉆裝錨掘進機鉆進過程中鉆臂的各關節轉動情況以及位移情況進行數據采集監測；液壓系統主要用于對鉆裝錨掘進機進行鉆進作業驅動，通過PLC 控制器進行控制；控制器模塊即將傳感監測部分的采集數據進行匯總判斷，并將執行命令下達至液壓系統，從而操控鉆裝錨掘進機鉆臂進行換向調節等操作。

2.4 掘進機牽引定位設計

除了對鉆裝錨掘進機鉆頭進行精確定位之外，還需對掘進機在巷道中運行軌跡進行自動調節控制，具體如圖2 所示。對鉆裝錨掘進機牽引過程進行定位主要包括對該設備運行過程中的加速度值、傾角值以及水平偏距值進行監測控制，分別通過布設相應的傳感器裝置對運移姿態數據進行采集，并以此來確定鉆裝錨掘進機在巷道中的實際運行軌跡。控制器在接收到鉆裝錨掘進機的實際運行軌跡后，通過與設定參數值進行對比，從而向液壓、電氣控制系統等執行元件下達指令來對鉆裝錨掘進機進行牽引控制，實現掘進機的換向調節作業[2]。

圖2 掘進機牽引部定位設計

3 鉆裝錨掘進機結構優化

將設計完成的鉆裝錨掘進機應用于現場回風巷道掘進作業進行初步測試，發現該掘進機存在以下問題，并進行了針對性優化。

1）鉆裝錨掘進機布設的2 臺輸送機之間的間距較小，從而使得上部輸送機承受較大負載時對下部輸送機造成一定的擠壓現象。同時抬起鏟板進行裝料時，下部輸送機很容易被上部輸送機溜槽壓到影響裝運效果，大塊巖塊又容易在下部運輸機產生堵塞。基于上述原因，為避免輸送機之間的堆料堵塞現象，將兩輸送機之間的間距進行擴大，抬高上部輸送機500 mm，長度增加400 mm，增強物料輸送效果。

2）在進行巷道支護設計過程中，初始支護鉆機操作平臺狹窄，鉆機輔助平臺也很小，無法確保錨桿、托盤以及錨固劑等錨固設計的安全高效安裝作業。通過將原有護欄改造為支護操作平臺，完成錨固作業后將該平臺收起作為護欄使用，節省了錨固裝置占據空間，同時增加了支護平臺強度，具體改進方式如圖3所示[3]。

圖3 優化后的錨固作業平臺

3）在進行支護作業時，支護鉆機的油管由于位置布設不當經常與后巖壁出現剮蹭，在長時間作業過程中極易造成油管破損。為確保鉆機油管的穩定性，防止長期剮蹭，將油管進行了固定并更換了鉆機油管方向，具體布設方式如圖4 所示。

圖4 改進后支護鉆機油管布設方式

4 實際應用效果分析

通過將設計完成的硬巖巷道鉆裝錨掘進機進行實際應用，得出以下結論：應用該掘進機進行巷道掘進作業，施工過程僅需30～32 人即可完成，相比傳統掘進施工作業可減少20 人，降低了勞動量及用工成本；該鉆裝錨一體化掘進機可進尺將近100 m/月，掘進效率遠高于普通掘進機，同時斷面效果較好，無須后續支護作業；利用鉆裝錨掘進機施工，可大幅節省掘進作業時占據空間，安全系數較高，布設電纜等線路簡單，即便于井下作業人員施工行走，也便于設備維修作業；采用鉆裝錨掘進機進行巷道掘進作業時，由于該掘進機具備一定的自動定位以及軌跡糾偏能力，可實現對鉆頭軌跡的自適應修正以及掘進機牽引過程的自適應控制；同時對該鉆裝錨掘進機進行人工操控時操控人員可位于巖壁較遠位置進行控制，安全系數較高、勞動量小；該鉆裝錨掘進機配置有扒斗裝置以及輸送機，可實現剝落巖塊的自動輸送效果，同時還附帶有錨固裝置可對成型巷道進行錨固支護，實現了掘錨一體化成巷，施工效率較高。

5 結語

煤礦用硬巖巷道鉆裝錨掘進機的設計，使堅硬巖性巷道下應用傳統掘進機掘進效率低、安全系數較差的問題得到了有效解決。掘進錨固一體化設計，也提高了掘進巷道施工效率，對條件類似下的硬巖巷道掘進施工具有重要借鑒意義。