硬巖巷道智能化掘錨鉆裝一體機的分析與應用

李 洋

（晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 038300）

引言

當前我國煤礦綜掘機械化程度僅為26.98%，遠滯后綜采的機械化程度。其中，對于硬巖巷道的快遞掘進技術已成為影響煤礦高產高效安全開采的技術瓶頸。對于煤礦井下硬巖巷道的掘進施工，國內實踐應用中較為先進的技術為鉆爆法。鉆爆法設備和工藝為：鑿巖臺車+扒渣機+錨桿臺車+帶式輸送機，但從當前的應用情況來看，由于巷道內設備眾多，巷道掘進月均進尺在52～58 m，掘進效率不高，硬巖巷道施工裝備與技術的落后無法滿足硬巖巷道安全高效的施工需求。因此，提供一種集挖掘、錨護、鉆孔、裝載于一體的智能化掘錨鉆裝一體機，大幅度提高巖石巷道機械化作業水平和掘進速度是非常有必要的。

1 智能化掘錨鉆裝一體機的結構設計

1.1 結構分析

針對煤礦巖石巷道施工效率低、掘進速度慢的問題，提供了一種用于巖石巷道快速施工的新型裝備CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機，該設備的結構如圖1 所示。該智能化掘錨鉆裝一體機主要由扒斗裝置、鏟板部、錨護平臺、滑臺組件、行走部、本體部、鉆進部、輸送機、膠管托架、后支承、液壓系統、護板部、電氣系統、水系統、鉆臂操作臺、主操作臺等部分組成[1-3]。

圖1 CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機結構示意圖

CMZY4-200/35 智能化掘錨鉆裝一體機是國內首創巖巷鉆裝錨掘綜合裝置，是集爆破鉆孔、錨桿支護、破碎、裝載、排渣、挖溝、冒頂、圍巖修復、噴霧除塵等技術于一體。它有多種功能，用一臺設備代替多臺設備，可以全面解決硬巖巷道掘進問題，該一體機最大的特點是集鑿巖臺車、錨桿鉆機、裝渣機、破碎機等多種功能于一體，可實現掘、裝、鉆、錨平行作業，大大提高掘進速度，不僅節省了動力設備的重復投入，同時也避免了巷道內多臺設備交叉的問題，整體工作效率可提高4～6 倍，同時打破了國內煤礦用掘進機設備品種單一的瓶頸。

CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機技術參數為：總尺度L×B×H=11.60 m×2.50 m×3.20 m；總質量為38 t；電源為AC1140/600V；定位鉆頭工作范圍為6.8 m×4.7 m；定位裝載工作范圍為5.5 m×4.0 m；適合巖石硬度≤160 MPa；整機功率130 kW。

1.2 關鍵技術分析

CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機在截割巖石、提高破巖能力和減少截齒的損耗方面具有關鍵技術，主要技術創新內容如下。

1）采用模塊化+Top-Down 協同設計思想，有效提高了CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機的開發效率，設計其具有爆破鉆孔、錨桿支護、破碎、裝載、排渣、挖溝、冒頂、圍巖修復、噴霧除塵等功能。基于實時精準定位系統下，左右鉆臂操作臺的兩個鉆孔臂施工爆破炮孔作業，兩個錨桿臂施工頂板錨索鉆孔作業。前部鏟板和扒渣斗對爆破碎石進行裝載作業，刮板輸送機對爆破碎石進行轉運作業。

2）扒斗裝置工作時抖動劇烈，磨損嚴重，采用負載敏感控制技術方法對其升降液壓回路進行設計，可使扒斗裝置升降回路的沖擊壓力在0.3 s 內迅速穩定在30 MPa，峰值為35 MPa，設計的升降液壓回路很好地適應突變載荷，較好地保護了扒斗裝置，降低其故障率。基于多聯多路閥的工作原理，在設備的挖掘操作、鉆孔操作和支護操作上設計了相互獨立互鎖的液壓回路，可實現扒斗裝置、鉆臂和錨護裝置的柔性控制，系統操作的流暢性、安全性和可靠性大幅度提高。基于負載敏感變量泵系統，在鑿巖裝置回轉回路中采用獨立供油系統，可有效增大鑿巖裝置回轉的轉速范圍，并對回旋壓力進行實時調節。

3）鉆臂智能定位系統的開發應用，實現了硬巖巷道斷面的鉆臂智能定位。在CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機的鉆臂智能定位系統由檢測模塊、液壓模塊和上位機三大部分組成。檢測模塊由5 個傾角傳感器、1 個拉線傳感器和2 個PLC 組成，對鉆臂關節的轉動和移動信息進行采集；液壓模塊由1 個PLC 控制鉆臂作業；上位機實現數據的傳輸。

4）掘錨鉆裝一體機定位系統的開發應用，實現了硬巖巷道路面的定位，如圖2 所示。掘錨鉆裝一體機定位系統由加速度傳感器、單軸傾角傳感器、超聲測距傳感器三部分組成，可分別獲取加速度值、傾角值、水平偏距值，進而實現掘錨鉆裝一體機的實時定位。將掘錨鉆裝一體機位姿檢測信息與設定坐標參數信息進行比對后，再通過液壓/電氣控制系統控制行走部，實現一體機的行走。

圖2 CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機定位系統示意圖

2 工業性試驗

2.1 工程概況

晉能控股煤業集團挖金灣虎龍溝煤業有限公司井田面積12.207 9 km2，可采儲量9 345.4 萬t，設計生產能力為120 萬t/年。該礦南回風大巷巷道長度1 254 m，掘進寬度×掘進高度=6.2 m×5.1 m，采用錨網索+鋼帶+噴射砼聯合支護方式。巷道掘進時依次穿過中細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖和泥巖，普氏系數f＞6。基于該礦以往硬巖巷道掘進效率低，安全事故頻發的問題，對南回風大巷應用CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機進行施工作業。

2.2 實踐應用過程

從人、機、料、法、環等方面制定了CMZY4-200/35型智能化掘錨鉆裝一體機的安裝和施工方案，三八制作業，安裝工期共計8 d。針對現場情況，對一體機在安裝過程中進行了一定的結構優化改造。

1）第一輸送機后尾和第二輸送機垂直間距過小，導致發生以下問題：第一，第一輸送機后尾無法加裝矸石集中料口；第二，抬機頭鏟板時，第一輸送機溜槽易壓住第二輸送機機頭；第三，矸石不貼近輸送帶，矸石積料問題較為嚴重。優化改造措施：將第一輸送機后尾長度增加至1 298 mm，后尾伸出長度增加400 mm，如圖3 所示。

圖3 第一輸送機后尾優化改造示意圖（單位：mm）

2）支護鉆機操作臺、鉆機輔助平臺、護欄高度等無法滿足設備的安裝要求。優化改造措施：對護欄進行改造，讓其成為操作平臺，收機時操作平臺折疊成為護欄，伸出后下放即可成為操作平臺，滿足應用要求[4-6]。

3）支護鉆機油管轉接塊側與巖壁距離過近，易發生刮碰事件，同時鉆機油管不固定，容易發生安全問題。優化改造措施：將支護鉆機油管轉接塊的尺寸改小，并將其固定在鉆機固定架下方，鉆機油管設置在鉆機同側，并調整至迎頭方向，如下頁圖4 所示。

圖4 支護鉆機優化改造前后對比圖

2.3 應用效果分析

2021 年3 月—5 月，南回風大巷應用了CMZY4-200/35 型智能化掘錨鉆裝一體機及配套設備進行了機械化掘進作業，3 月、4 月和5 月進尺分別為102.4 m、105.7 m、106.8 m，有效實現了硬巖巷道的快速掘進，經濟和安全效益顯著。

1）用工量減少。采用CMZY4-200/35 型智能化一體機施工作業時，一個圓班出勤只需34 人，對比以往硬巖巷道掘進施工減少16 人，人工成本大幅度降低。

2）掘進效率提高。采用CMZY4-200/35 型智能化一體機施工作業時，單月均進尺約為105 m，對比以往硬巖巷道掘進施工月均進尺的52～58 m，掘進效率提高近1 倍。

3）節約了巷道占用空間。CMZY4-200/35 型智能化一體機僅需要1 套獨立供電線路，對于以往硬巖巷道掘進施工設備可節約獨立供電線路，有效節約了巷道占用空間。

4）施工作業安全性高。CMZY4-200/35 型智能化一體機施工作業時，2 名實時操作司機位置處于在支護體下，現場1 名指揮人員遠離巖壁，施工作業安全性更高。

5）勞動強度低。CMZY4-200/35 型智能化一體機施工作業時，施工任務幾乎都由機械設備自動化操作完成，極大降低了工人的勞動強度。