煤礦井下遙控式移動風(fēng)橋關(guān)鍵技術(shù)研究

李 剛

1中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

風(fēng) 橋設(shè)置在 2 條交叉疊置巷道的交叉通風(fēng)處，將 2 股平面交叉的風(fēng)流隔成立體交叉的一種通風(fēng)設(shè)施，以避免風(fēng)流短路，使進(jìn)、回風(fēng)流隔開互不干擾，有利于降塵降溫[1]，同時人或設(shè)備可在交叉的上、下行巷道分別通過，是井下的“立交橋”。井下傳統(tǒng)使用的風(fēng)橋分為永久性風(fēng)橋和臨時性風(fēng)橋 2 種：永久性風(fēng)橋的混凝土、料石等雖然服務(wù)時間長，但是施工工程量大、費用較高，掘進(jìn)初期不能快速形成通風(fēng)系統(tǒng)[2]；臨時性風(fēng)橋以鐵筒式風(fēng)橋為主，其服務(wù)年限較短，具有施工容易，成本較低的優(yōu)點，但只起到隔離風(fēng)流的作用，且通過風(fēng)量較小。

在跨輔運、膠運巷掘進(jìn)形成聯(lián)巷的過程中，利用移動風(fēng)橋，可以快速形成通風(fēng)系統(tǒng)，縮短風(fēng)橋施工時間、降低施工成本、減少安全隱患，符合“機(jī)械化減人、自動化換人”的發(fā)展理念。

1 存在的問題

國內(nèi)外對風(fēng)橋的研究主要集中在施工工藝上，傳統(tǒng)風(fēng)橋在施工過程中存在如下問題。

(1) 工程量大，難度大[3]，需要挑頂、砌筑橋腿、橋面與表面噴漿等工作，完全由人工操作，工藝復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大。

(2) 施工周期較長，掘進(jìn)初期不能快速形成通風(fēng)系統(tǒng)，影響掘進(jìn)進(jìn)度和采區(qū)的正常接續(xù)工作。

(3) 安全風(fēng)險大，施工挑頂中需采取搭設(shè)木垛、單體、工字鋼或堆煤等措施供掘進(jìn)設(shè)備通過，影響正常風(fēng)量，存在安全隱患。

(4) 施工費用高，因工程量和難度大，用工多，成本高。

(5) 傳統(tǒng)風(fēng)橋為固定建筑物，施工中一次性投用，服務(wù)年限到期后只能封閉廢棄，不可再利用，造成浪費。

2 履帶式移動風(fēng)橋

履帶式移動風(fēng)橋如圖 1 所示。其主要由承載梁、伸縮套筒組件、支撐穩(wěn)定裝置、側(cè)幫支撐梁、履帶行走機(jī)構(gòu)、電控和液壓系統(tǒng)等組成。通過遙控實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1 履帶式移動風(fēng)橋Fig.1 Caterpillar-typed mobile wind bridge

(1) 在 2 條巷道交叉位置砌墻后，移動風(fēng)橋裝置布置于被跨巷道中間位置，支撐穩(wěn)定裝置伸出，保證其整體穩(wěn)定性。

(2) 升起伸縮套筒內(nèi)的升降立柱，使得承載頂梁撐頂，用限位銷軸將固定伸縮套筒固定。將支撐梁千斤頂伸出，使得側(cè)幫支撐梁與料石墻相互支撐，增強(qiáng)移動風(fēng)橋裝置支撐的穩(wěn)定性。

(3) 移動風(fēng)橋裝置的承載梁作為巷道掘進(jìn)的施工平臺，供掘進(jìn)設(shè)備與人員從裝置上通過，巷道貫通期間被跨巷道行人、車輛可從橋面下通行。

(4) 巷道貫通后，在承載梁上鋪設(shè)鋼板、工字鋼和膠墊，澆注厚度為 300 mm 的混凝土，完成風(fēng)橋的修建。待上巷道穩(wěn)定成型后，回撤移動風(fēng)橋裝置，到下一個工作區(qū)域進(jìn)行風(fēng)橋的修建。

3 結(jié)構(gòu)特點

(1) 移動風(fēng)橋自帶動力，移動靈活，支撐范圍大，可以快速形成通風(fēng)系統(tǒng)，縮短風(fēng)橋施工時間，減少了安全隱患。

(2) 承載頂梁分段設(shè)計，兩側(cè)設(shè)置側(cè)幫支撐梁，支護(hù)范圍大 (8.0 m×6.5 m)，可適應(yīng)不同巷道寬度以及設(shè)備下井的空間要求。

(3) 移動風(fēng)橋中部 (2.8 m×3.2 m)，設(shè)置斜橋，巷道貫通期間便于人員、設(shè)備從橋面下通行。

(4) 采用寬履帶行走機(jī)構(gòu)[4-5]，特種材料制造的大節(jié)距履帶板，承載能力大，接地比壓小，不易打滑；行走減速器及驅(qū)動電動機(jī)置于行走機(jī)架內(nèi)[6]，降低了整體高度和寬度。

(5) 設(shè)置連接梁與伸縮固定梁，保證了整體的穩(wěn)定性。

(6) 行走機(jī)構(gòu)采用液壓牽引方式[7]，負(fù)載敏感控制與遙控比例電液控制，解決了行走機(jī)構(gòu)跑偏的問題。

(7) 采用 200 m 自動卷纜與低位油箱，保證電纜收放排列整齊和遠(yuǎn)距離控制，解決了補(bǔ)油問題[8]。

(8) 采用遙控技術(shù)[9]，傳遞距離不低于 30 m。

4 移動風(fēng)橋控制系統(tǒng)設(shè)計

移動風(fēng)橋控制系統(tǒng)由液壓與電氣控制系統(tǒng)組成，具有 6 種執(zhí)行功能：①行走功能，2 臺行走電動機(jī)通過減速器驅(qū)動履帶鏈輪行走；② 支撐功能，由 4 根立柱伸縮，使承載頂梁與下巷道頂板相接，保證上巷道設(shè)備安全通過；③支撐穩(wěn)定功能，風(fēng)橋 4 個方向與底板平穩(wěn)接觸，保證設(shè)備整體穩(wěn)定性；④ 卷纜功能，在風(fēng)橋的移動過程中，通過遙控卷纜馬達(dá)轉(zhuǎn)動并帶動卷纜滾筒收放電纜；⑤ 側(cè)幫支撐功能，風(fēng)橋左右兩側(cè)各 2 套側(cè)幫支撐梁，保證設(shè)備的安全與整體穩(wěn)定性；⑥ 自動加油補(bǔ)液功能，使得風(fēng)橋安全支護(hù)狀態(tài)下快速自動給設(shè)備油箱加油，自動為支撐立柱補(bǔ)液，保證設(shè)備具有足夠的支撐力。

電氣控制系統(tǒng)采用無線遙控和有線操縱，可實現(xiàn)移動風(fēng)橋 6 種執(zhí)行功能的控制；電控系統(tǒng)具有故障檢測、報警與保護(hù)，可實現(xiàn)自動補(bǔ)液、限位報警、壓力顯示、密封性警告等功能；電動機(jī)具有過流、過載和缺相保護(hù)；顯示器和數(shù)碼管可顯示壓力、溫度、油位等指標(biāo)，并具有時鐘提醒等功能。履帶式移動風(fēng)橋主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 履帶式移動風(fēng)橋主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of caterpillartyped mobile wind bridge

5 應(yīng)用實例

移動風(fēng)橋于 2018 年 9 月在三道溝煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗。該礦井煤層賦存穩(wěn)定，埋藏淺、涌水量小、近水平煤層，低瓦斯礦井。采用 EBZ-260 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行上部巷道的施工；風(fēng)橋施工處搭建完成后，下部巷道寬度為 5.2 m，高度為 4.5 m，上部巷道寬度為 5.5 m，高度為 4.0 mm；在施工過程中，移動風(fēng)橋承擔(dān)橋面上方掘進(jìn)機(jī)、運輸設(shè)備通過的動靜載荷不小于 100 t；不阻斷該風(fēng)橋設(shè)備所在巷道的正常風(fēng)流通過，通行車輛最大尺寸 (6.0 m×2.4 m× 2.4 m)，滿足通風(fēng)以及車輛順利通過。

(1) 下巷兩側(cè)砌墻厚為 800 mm，基礎(chǔ)深度為 400 mm，墻體長度為 8.5 m，高度為 4.3 m，墻體用φ22 mm×2 600 mm 的高強(qiáng)錨桿、φ17.8 mm×3 500 mm 的錨索加固[4]，錨桿間排距為 1.0 m×1.0 m，底部錨桿距底高度為 280 mm；錨索距底高度為 2.5 m，間距為1.8 m。

(2) 移動風(fēng)橋現(xiàn)場布置示意如圖 2 所示。移動風(fēng)橋距離墻體 600 mm，位于下巷中間位置，側(cè)幫支撐梁與料石墻相互支撐；為車輛提供寬度為 2.8 m，高度為 3.2 m 的安全行車空間；距下巷中線為 16.5 m，以 22° 斜坡向上挑頂[3]，斜坡挑頂段水平長度為 11.1 m，掘進(jìn)機(jī)通過移動風(fēng)橋承載梁后，以 20°斜坡向下掘進(jìn)至找到煤層頂板后沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，斜坡挑頂段水平長度為 12.4 m。

圖2 移動風(fēng)橋現(xiàn)場布置示意Fig.2 Site layout sketch of mobile wind bridge

(3) 跟隨掘進(jìn)機(jī)挑頂掘巷采用錨桿、錨索以及鋼絲網(wǎng)對巷道進(jìn)行聯(lián)合有效支護(hù)。上部巷道貫通后，在移動風(fēng)橋承載梁上架設(shè)鋼板和工字鋼，鋪設(shè)橡膠墊，澆注混凝土厚度為 300 mm，強(qiáng)度等級為 C20。

(4) 砌筑料石墻所用時間為 2 d，移動風(fēng)橋布置于巷道中間位置，提供 260 t 的支撐力，上部巷道貫通成型所用時間為 9 d，風(fēng)橋成型共計用時 11 d；施工檢測壓力為 6.3～15.4 MPa，支撐力為 50.6～123.9 t，支撐力利用率為 25.2%～52.0%；壓力統(tǒng)計平均值為9.3 MPa，平均支撐力為 74.8 t，平均支撐力利用率為 37.2%。移動風(fēng)橋穩(wěn)定性良好，形成良好的通風(fēng)系統(tǒng)，完全滿足快速搭建平臺的需要。

6 結(jié)語

遙控式移動風(fēng)橋的使用，解決了煤礦井下人工搭建平臺時阻斷正常風(fēng)流且單體支撐不可靠等安全隱患。該移動風(fēng)橋可以快速形成通風(fēng)系統(tǒng)，縮短了施工時間，減少了材料消耗，提高了下部巷道支護(hù)強(qiáng)度和成巷速度，降低了工人勞動強(qiáng)度，提升了煤礦的安全可靠性，具有較好的推廣應(yīng)用價值。