新型全液壓煤礦用巷道修復(fù)機(jī)研制與應(yīng)用

李旭濤

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來，國外相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開展了巷道修復(fù)設(shè)備的技術(shù)研究，主要以德國哈澤瑪格公司（HAZEMAG）和德國戴爾曼哈尼爾礦業(yè)系統(tǒng)有限公司（DH MINING SYETEMS）研制的巷道修復(fù)機(jī)或臥底機(jī)為典型代表。發(fā)達(dá)國家對于巷道修復(fù)治理設(shè)備進(jìn)行了比較系統(tǒng)全面的研究，研制的巷道修復(fù)治理設(shè)備，在減小結(jié)構(gòu)尺寸、提高生產(chǎn)能力的同時(shí)，使設(shè)備的功能更加完善和集成，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，具有良好的巷道修復(fù)效果。但是，國外煤礦埋藏深度小，地質(zhì)條件簡單，與我國煤礦巷道地質(zhì)條件具有極大的差別，而且國外設(shè)備售價(jià)高、配件供應(yīng)跟不上，導(dǎo)致無法大規(guī)模推廣使用。針對這種情況，2013年，為適應(yīng)我國煤礦巷道圍巖修復(fù)治理的特殊要求，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司自籌資金科技創(chuàng)新項(xiàng)目“多功能煤礦巷道修復(fù)機(jī)研制”，開發(fā)出了WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復(fù)機(jī)，主要用于煤礦井下低矮變形巷道圍巖修復(fù)治理施工。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 施工方法的選擇

煤礦巷道作為煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)最基本單元，其安全可靠性是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)，但是隨著我國煤炭開采強(qiáng)度和深度的不斷增加，導(dǎo)致巷道應(yīng)力集中出現(xiàn)并疊加，巷道圍巖變形日益突出[1-2]。因此，可以看出，巷道修復(fù)治理施工過程中，主要涉及工作有：破碎、扒矸、運(yùn)矸、裝矸及錨固鉆孔等，但是也有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，利用銑挖頭替代破碎錘，其優(yōu)點(diǎn)是可以銑削平面和溝槽，但缺點(diǎn)是銑削施工效率極其低下，小范圍內(nèi)的巷道修復(fù)可以利用，但大面積的修復(fù)施工沒有優(yōu)勢，而且銑削頭成本較高[3-4]。對于扒矸常規(guī)方式是利用挖斗或扒爪進(jìn)行，這2種方式?jīng)]有太大的區(qū)別，主要根據(jù)整機(jī)布局而定。運(yùn)矸和裝矸可以通過帶式運(yùn)輸機(jī)或刮板運(yùn)輸裝置解決，帶式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行簡單易設(shè)計(jì)易維修，但是在高速運(yùn)矸時(shí)，施工效率較低，而且?guī)竭\(yùn)輸機(jī)最大的問題是不耐磨，抗沖擊性能差。刮板輸運(yùn)輸裝置可靠性高、運(yùn)矸穩(wěn)定，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。

1.2 結(jié)構(gòu)布局的確定

在進(jìn)一步了解掌握煤礦巷道圍巖修復(fù)治理施工工藝基礎(chǔ)上，再結(jié)合施工特點(diǎn)，修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)、布局宜采用以下方案：一種新型工作機(jī)構(gòu)，將破碎錘集成在小臂上，小臂下方設(shè)計(jì)有挖斗，通過這種結(jié)構(gòu)解決矸石的破碎和扒取，破碎錘和挖斗切換速度快，提高施工效率。采用刮板運(yùn)輸裝置解決運(yùn)矸和裝矸，而且在刮板運(yùn)輸裝置下方設(shè)計(jì)2組升降油缸，主要是為適應(yīng)不同煤礦運(yùn)矸車高度等問題。

在整機(jī)上，由于電機(jī)、電柜及電纜卷筒等安標(biāo)受控部件影響，將修復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)成非對稱式三列布局，煤礦用巷道修復(fù)機(jī)整體外形結(jié)構(gòu)如圖1。另外，為解決修復(fù)機(jī)反復(fù)移動(dòng)，導(dǎo)致電纜拖拽困難等問題，在修復(fù)機(jī)左側(cè)設(shè)計(jì)安裝電纜卷筒。為解決破碎錘在破碎施工中，產(chǎn)生灰塵和火花等危險(xiǎn)因素，設(shè)計(jì)一款除塵水泵并配備霧化噴頭，降塵抑爆。

圖1 煤礦用巷道修復(fù)機(jī)整體外形結(jié)構(gòu)

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

修復(fù)機(jī)主要用于煤礦井下低矮變形巷道圍巖修復(fù)治理施工作業(yè)，機(jī)身高度和寬度在結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下盡可能小，而且施工地點(diǎn)較為特殊，故采用重型摩擦式履帶，修復(fù)機(jī)挖裝能力50 m3/h，扒取寬度3.45 m，扒取高度3.5 m，卸載高度1.4～1.8 m,電機(jī)功率55 kW，外形尺寸7.8 m×1.6 m×1.85 m。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工作機(jī)構(gòu)

煤礦用巷道修復(fù)機(jī)是一種集鑿、挖、運(yùn)、裝于一體的巷道修復(fù)設(shè)備，其工作機(jī)構(gòu)是解決修復(fù)機(jī)鑿和挖2種功能最為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，修復(fù)機(jī)工作能力的大小主要取決于工作機(jī)構(gòu)，工作機(jī)構(gòu)由偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、偏轉(zhuǎn)油缸、大臂油缸、小臂油缸、大臂、小臂、挖斗油缸、破碎錘伸縮油缸、破碎錘及挖斗組成[5]，工作機(jī)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)如圖2。偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過銷軸和螺栓與車體平臺可靠連接，大臂在偏轉(zhuǎn)油缸的推動(dòng)下沿車體方向左右偏轉(zhuǎn)，最大扒取寬度3.45 m，為保證工作機(jī)構(gòu)可靠性和安全性，將2組缸徑90 mm，桿徑63 mm的大臂油缸和小臂油缸設(shè)計(jì)到大臂和小臂下方，防止油缸碰撞損壞。另外，在小臂上方設(shè)計(jì)有破碎機(jī)構(gòu)，破碎錘在破碎錘伸縮油缸推動(dòng)和收回的作用下沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行滑動(dòng)，最大滑動(dòng)距離250 mm。挖斗通過挖斗油缸和四連桿機(jī)構(gòu)相連，在挖斗油缸的作用下實(shí)現(xiàn)扒矸施工作業(yè)[6]，最小扒裝能力50 m3/h。

圖2 工作機(jī)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)

2.2 刮板運(yùn)輸裝置

刮板運(yùn)輸裝置主要用于對矸石的裝載和轉(zhuǎn)運(yùn)，而且刮板運(yùn)輸裝置一般為設(shè)備上不可拆卸的最長結(jié)構(gòu)件，直接影響整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸[7-8]。刮板運(yùn)輸裝置主要由前運(yùn)輸槽、中運(yùn)輸槽、刮板鏈條、中后運(yùn)輸槽、后運(yùn)輸槽、后升降油缸、前升降油缸及連桿機(jī)構(gòu)等部件組成，刮板運(yùn)輸裝置外形結(jié)構(gòu)如圖3。

運(yùn)輸能力的確定：設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力不小于50 m3/h，矸石堆積密度為1.5 g/cm3，所以要求刮板運(yùn)輸裝置運(yùn)輸量不小于65 t/h[9-10]。刮板運(yùn)輸裝置的輸送量Q為：

式中：ρ為煤堆積密度；v為鏈速；A為斷面面積。

當(dāng)液壓系統(tǒng)在額定工況下，運(yùn)輸裝置連續(xù)工作時(shí)運(yùn)輸量可以達(dá)到229 t/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

可以看出，要滿足一定的輸送量，既可以選取較大的運(yùn)煤斷面和較低的鏈速，也可以選取較高的鏈速和較低的運(yùn)煤斷面，怎樣選取更為合理，則要從整機(jī)結(jié)構(gòu)和性能等方面綜合考慮。鏈速低而運(yùn)煤斷面大，則會顯得設(shè)備笨重；鏈速高而運(yùn)煤斷面小，則會加大磨損，縮短整機(jī)的使用壽命，并且速度太高，還會破壞煤層流動(dòng)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生逆流懸浮，不但不能提高輸送量，反而增加了能量損耗。

圖3 刮板運(yùn)輸裝置外形結(jié)構(gòu)

刮板運(yùn)輸裝置有4件運(yùn)輸槽，各運(yùn)輸槽之間通過M20高強(qiáng)度螺栓連接，并且在螺栓與螺母之間設(shè)計(jì)安裝有NORDLOCK防松墊圈，防止各運(yùn)輸槽之間晃動(dòng)，影響運(yùn)矸施工效率。在刮板運(yùn)輸裝置運(yùn)料底面和側(cè)面焊接BTW1耐磨鋼板，提高運(yùn)料接觸面的耐磨性能，而且在刮板運(yùn)輸裝置下方設(shè)計(jì)有后升降油缸、前升降油缸和連桿機(jī)構(gòu)，其目的是刮板運(yùn)輸裝置在裝矸和運(yùn)矸過程中，通過調(diào)整2組油缸的不同行程，達(dá)到卸料高度在1.4～1.8 m范圍內(nèi)任意可調(diào)，以適應(yīng)各個(gè)煤礦不同運(yùn)矸車車廂高度，保證運(yùn)矸效率，提高巷道修復(fù)施工工作效率。

2.3 履帶車體

履帶車體是修復(fù)機(jī)的底盤，主要決定修復(fù)機(jī)的行走及上裝結(jié)構(gòu)的安裝。履帶車體主要由車體平臺和行走履帶組成。車體平臺采用內(nèi)凹式設(shè)計(jì)，履帶側(cè)裝，在布局上采用非對稱式三列布局，滿足各加工件和外構(gòu)件的安裝空間。行走履帶采用單邊扭矩22 000 N·m的重型摩擦式履帶，爬坡能力15°，接地比壓0.07 MPa,行走速度2.7 km/h,其允許設(shè)備總重12 000 kg。

2.4 操作室

操作室是修復(fù)機(jī)的控制中心，修復(fù)機(jī)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作都在操作室內(nèi)完成。操作室由壓力表、四方向先導(dǎo)手柄、先導(dǎo)手柄、腳踏先導(dǎo)閥、防護(hù)棚及安裝架組成，操作室外形結(jié)構(gòu)如圖4。修復(fù)機(jī)壓力表選用2個(gè)2.5 MPa和2個(gè)40 MPa,分別測量一泵、二泵回油壓力和一泵、二泵壓力。2組四方向先導(dǎo)手柄分別控制大臂舉升、大臂降落、大臂左擺、大臂右擺和小臂舉升、小臂降落、挖斗收回和挖斗打開。先導(dǎo)手柄分別控制刮板馬達(dá)、刮板升降油缸、破碎錘及電纜卷筒等。腳踏先導(dǎo)閥分別控制2條履帶的行走及后退。防護(hù)棚設(shè)計(jì)成可拆卸式，提高修復(fù)機(jī)在低矮變形巷道通過率。安裝架主要用于修復(fù)機(jī)八聯(lián)閥的安裝。

圖4 操作室外形結(jié)構(gòu)

2.5 液壓系統(tǒng)

修復(fù)機(jī)液壓系統(tǒng)主要由泵站、各工作機(jī)構(gòu)和輔助回路組成。泵站采用3泵串聯(lián)結(jié)構(gòu)，油泵Ⅰ和油泵Ⅱ?yàn)樽兞勘?，油泵Ⅲ為定量泵，油泵Ⅰ主要控制大臂、小臂、斗桿、鏟斗等工作機(jī)構(gòu)，油泵Ⅱ主要控制刮板馬達(dá)、電纜卷筒、刮板升降油缸等工作機(jī)構(gòu)，油泵Ⅲ出油直接與風(fēng)冷散熱器馬達(dá)相連。

液壓系統(tǒng)的油泵Ⅰ和油泵Ⅱ采用LUDV（負(fù)載獨(dú)立流量分配）控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對不同負(fù)載壓力的多個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)進(jìn)行快速與精確控制，各個(gè)元件互不干涉，操作性能好，執(zhí)行起點(diǎn)和工作速度（流量）只與操縱手柄角度有關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)，任一執(zhí)行元件都有可支配泵的全流量或需要的流量[11]。為防止系統(tǒng)過載，油泵Ⅰ工作壓力由多路換向閥內(nèi)設(shè)的安全溢流閥限定，調(diào)定壓力為21 MPa，油泵Ⅱ工作壓力調(diào)定壓力為21 MPa，使用時(shí)不得超調(diào)。

通過后期測試表明，當(dāng)變量泵流量飽和時(shí)，負(fù)載敏感多路閥的流量以變量泵最大流量為基礎(chǔ)，仍按照比例分配正常工作，確保整機(jī)在工作中各工作機(jī)構(gòu)回路相互獨(dú)立，不會因?yàn)樨?fù)載的變化導(dǎo)致整機(jī)工作的不協(xié)調(diào)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2016年7月，修復(fù)機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)在淄礦集團(tuán)亭南煤礦3#煤層305進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行，底板修復(fù)施工示意圖如圖5。亭南煤礦305工作面進(jìn)風(fēng)巷底板多為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，在工作面超前支承壓力和相鄰工作面采空區(qū)等多重因素影響下，巷道底鼓嚴(yán)重。修復(fù)前巷道高度僅為2.3～2.7 m，按礦方要求將巷道高度修復(fù)至(3.5±0.2)m。底板修復(fù)施工總進(jìn)尺約300 m，平均修復(fù)效率2.5 m/h，起底施工人員由8人降為3人[12-13]，試驗(yàn)過程中，修復(fù)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，各部件動(dòng)作連續(xù)流暢，且人工成本、人均方量等指標(biāo)顯著改善，保障了該礦305工作面回采工作的順利進(jìn)行。

圖5 亭南煤礦底板修復(fù)施工示意圖

4 結(jié)語

1）研制的WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復(fù)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，整機(jī)機(jī)身窄，解體性好，自動(dòng)化程度高，便于井下搬遷運(yùn)輸，具備自動(dòng)卷放電纜功能，配有降塵裝置，降塵抑爆，施工安全性高，液壓系統(tǒng)采用LUDV控制，操作靈活方便，可靠性高。

2）整機(jī)具備鑿、挖、運(yùn)、裝為一體的功能，配合煤礦井下帶式運(yùn)輸機(jī)或刮板運(yùn)輸機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸作業(yè)，提高巷道修復(fù)施工工作效率。隨著后續(xù)研究的深入，并結(jié)合現(xiàn)場施工特點(diǎn)，修復(fù)機(jī)可以配備機(jī)載錨桿鉆機(jī)，對于服務(wù)期較長的開拓巷道可采取巷道圍巖注漿、高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等技術(shù)重新加固施工。

3）現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明WPZ-55/50L型煤礦用巷道修復(fù)機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，并且充分證明修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，該設(shè)備的成功研制為煤礦井下低矮變形巷道圍巖修復(fù)治理的快速可靠施工提供了裝備保證。