巷道拐彎開門快速轉(zhuǎn)運施工技術(shù)的創(chuàng)新

任曉東，劉 凱，朱 敬，吳琳琳

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦，山東 濟寧 273500；2.鄒城市技工學(xué)校，山東 濟寧 273500；3.山東天河科技股份有限公司，山東 濟寧 273500）

技術(shù)創(chuàng)新，是企業(yè)前進的動力，也給社會發(fā)展帶來活力。近年來，山東省堅持推進新舊動能轉(zhuǎn)換，對技術(shù)創(chuàng)新也提出了新的要求。作為傳統(tǒng)能源行業(yè)，煤礦一直給人以產(chǎn)業(yè)低端、產(chǎn)能落后的感覺；然而鮑店煤礦積極抓住機遇，鼓勵創(chuàng)新，讓傳統(tǒng)動能換發(fā)新的活力。

眾所周知，掘進和回采是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。鮑店煤礦積極推進技術(shù)創(chuàng)新，采用巷道拐彎開門快速轉(zhuǎn)運法，提高了采掘效率與安全性。

1 創(chuàng)新背景

1.1 政策支持

國家安全監(jiān)管總局印發(fā)《關(guān)于推動安全生產(chǎn)科技創(chuàng)新若干意見》（安監(jiān)總科技[2016]100號），系統(tǒng)部署新形勢下安全生產(chǎn)科技創(chuàng)新工作，提出要著力推進“機械化換人、自動化減人”，強力推進單班入井超千人礦井科技減人工作。山東省提出《關(guān)于加強全省煤礦智慧化建設(shè)和智能化改造的指導(dǎo)意見》，推廣煤炭開采自動化、信息化和智能化，這都在政策上推進了創(chuàng)新發(fā)展。

1.2 項目合作

“新型巷道拐彎開門快速轉(zhuǎn)運施工技術(shù)”項目，由山東天河科技股份有限公司研發(fā)，兗州煤業(yè)股份有限公司鮑店煤礦現(xiàn)場應(yīng)用。

1.3 技術(shù)背景

當(dāng)遇到巷道開門與回采巷道垂直或接近垂直的情況時，需要進行拐彎開門施工。傳統(tǒng)施工方式有以下兩種：

（1）炮掘開門。炮掘工藝的主要優(yōu)點是技術(shù)裝備投資少，適應(yīng)性強，操作簡單，是我國目前采用仍然較多的一種采掘工藝，但是，也存在著效率低、勞動條件差的缺點。

（2）掘進機直接拐彎開門。掘進機的應(yīng)用，大大提升了施工機械化，效率高，安全性好，常用掘進機、轉(zhuǎn)載機、皮帶運輸機配套的方式開門。然而，常見的掘進機長度（見表1、表2）普遍超過了煤礦順槽寬度，拐彎開門時常規(guī)方式的難以使用。

表1 我國煤巷懸臂式掘進機參數(shù)

表2 我國半煤巖巷、巖巷懸臂式掘進機參數(shù)

施工時將橋式轉(zhuǎn)載機拆除并安設(shè)刮板輸送機，刮板輸送機搭接至皮帶機尾；進入拐彎開門約80m時，拆除刮板輸送機，將皮帶機延長過拐彎開門，安裝轉(zhuǎn)運皮帶機搭接至順槽皮帶機尾并重新安裝橋式轉(zhuǎn)載機。該工藝作業(yè)環(huán)節(jié)多，效率低，勞動強度大，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，安全性差。

2 創(chuàng)新目標

創(chuàng)新巷道拐彎開門施工技術(shù)，可以提高作業(yè)機械化水平，降低人員勞動強度，提高安全性，減少輔助環(huán)節(jié)。目前巷道掘進設(shè)備機械化水平的提高，大大加快了掘進進尺速度并顯著降低作業(yè)人員勞動強度；但針對復(fù)雜條件，其配套運輸系統(tǒng)不夠完善，出矸能力低，勞動強度大，嚴重制約了巷道掘進速度。因此，提高掘進機配套運輸設(shè)備機械化水平，是提高掘進進尺速度的關(guān)鍵。本項目研究成功，可顯著降低作業(yè)人員勞動強度，提高進尺速度，具有良好的發(fā)展前景。技術(shù)創(chuàng)新研究面向鮑店煤礦的巷道拐彎開門作業(yè)，預(yù)計可提高拐彎開門施工速度30%左右，切合國家對煤炭行業(yè)的發(fā)展要求，具有重要的現(xiàn)實意義。

為解決上述傳統(tǒng)方案存在的問題，基于現(xiàn)有的綜掘機工作方式，研發(fā)人員提出了綜合轉(zhuǎn)載、長距離運輸、機械化、自動化施工方案及配套的施工裝備。工藝目標：結(jié)構(gòu)為掘進機-回轉(zhuǎn)式皮帶運輸機-遙控履帶式皮帶運輸機-提升皮帶運輸機，即三節(jié)皮帶機方案。以該工藝為指導(dǎo)，開發(fā)配套的皮帶機等裝備和配套的控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)組成

3 創(chuàng)新方案設(shè)計

3.1 方案比較

研發(fā)團隊對市場現(xiàn)有技術(shù)進行了收集和分析：

（1）梭車方案。梭車屬短臂機械化開采工作面后配套運輸設(shè)備，與連續(xù)采煤機配套使用，主要用于不適合進行長臂工作面開采的短臂開采工作面，同時也可作為巷道快速掘進的后配套運輸工具。主要適用于巷道頂板比較完整，壓力較小、硬度較低的煤巷使用，過斷層或半煤巖巷道無法使用該設(shè)備，不適合鮑店煤礦實際情況。

圖2 梭車方案

（2）安裝刮板運輸機方案。使用刮板機代替懸臂式掘進機后的橋式皮帶機，人工將煤矸卸至刮板機，通過刮板機轉(zhuǎn)運至皮帶機尾處。該工藝作業(yè)環(huán)節(jié)多，安裝、延展、撤除刮板機工作量大，勞動強度高，嚴重影響著巷道拐彎開門施工速度，同時造成工作面作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，安全性差等問題。

（3）履帶式皮帶機方案。這種方案克服了傳統(tǒng)移動式皮帶機依靠輪胎支撐，動力需要外接、移動借外力的缺點，它擁有自動力、適應(yīng)各種現(xiàn)場環(huán)境行走，具有安全可靠的特點。憑借其良好的環(huán)境適應(yīng)力，廣泛應(yīng)用于機場、港口、碼頭、車站、礦山、倉庫、沙石料等諸多作業(yè)場所。但由于履帶式皮帶機體型太大，目前只用于地面作業(yè)。

3.2 總體方案設(shè)計

基于當(dāng)前巷道拐彎開門作業(yè)施工現(xiàn)狀及配套設(shè)備技術(shù)參數(shù)、鮑店煤礦煤巷結(jié)構(gòu)特點，對總體方案進行設(shè)計，提出總體設(shè)計框架。研發(fā)團隊將本套機組分成三大模塊設(shè)計，提出創(chuàng)新計劃，即回轉(zhuǎn)皮帶機部分、遙控履帶式皮帶機部分、提升皮帶機部分。

回轉(zhuǎn)皮帶機通過托架布置于掘進機尾部，使用電滾筒做皮帶機動力，尾部設(shè)有回轉(zhuǎn)裝置，與遙控履帶式皮帶機相連，經(jīng)過測量，鮑店礦所使用掘進機回轉(zhuǎn)角度±60°。

遙控履帶式皮帶機，通過滑軌和回轉(zhuǎn)裝置與第一節(jié)相連，使此節(jié)與第一節(jié)能相對回轉(zhuǎn)或伸縮。皮帶機通過回轉(zhuǎn)平臺布置于履帶上，使皮帶機與履帶能相對轉(zhuǎn)角±120°，擬采用液壓動力驅(qū)動馬達減速機帶動滾筒做動力源，輸送能力大于6m3/min，采用前低后高形式，后端往第三節(jié)落料，履帶行走穩(wěn)定、爬坡能力強，適用于底板條件較復(fù)雜巷道。

提升皮帶機，通過膠輪行進，可人工調(diào)整位置，前端收遙控履帶式皮帶機的料，后端往皮帶機送料，擬采用液壓動力驅(qū)動馬達減速機帶動滾筒做動力源，輸送能力大于6m3/min。

遙控履帶式皮帶機采用遙控控制，方便作業(yè)人員操作，并能及時注意煤矸輸送情況，整套機組在三維參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks環(huán)境下建立裝備的虛擬樣機模型，進行干涉檢查，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計錯誤。使用有限元方法（FiniteElementMethod FEM），對機械結(jié)構(gòu)進行受力分析并進行優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)強度的同時降低設(shè)備的總體重量。

擬采用的設(shè)備總體方案見圖3。

圖3 設(shè)備總體方案

3.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

（1）回轉(zhuǎn)皮帶機方案設(shè)計

所研究的回轉(zhuǎn)皮帶機使用二運托架連接在掘進機尾部，通過連接軸，可使皮帶機回轉(zhuǎn)±60°。皮帶機接料端配置有柔性接料斗，可滿足不同角度接料。同時應(yīng)具有懸臂角度調(diào)整裝置，保證落料高度。該方案中，受限于掘進機落料尺寸，各機構(gòu)應(yīng)集成性高，小巧靈活，生產(chǎn)能力滿足生產(chǎn)需要。落料點設(shè)有回轉(zhuǎn)機構(gòu)與導(dǎo)軌小車。

（2）遙控履帶式皮帶機方案設(shè)計

根據(jù)井下現(xiàn)場底板條件，確定采用履帶行走機構(gòu)實現(xiàn)自主行走。調(diào)研現(xiàn)有掘進機及皮帶機各技術(shù)參數(shù)，確定此節(jié)皮帶機采用的馬達減速器扭矩與帶速，因設(shè)備要求高度較低，液壓泵站及控制系統(tǒng)隱藏于車斗下方，并采用遙控控制各動作執(zhí)行。

（3）無線遙控控制系統(tǒng)設(shè)計

開發(fā)一套智能控制無線遙控系統(tǒng)，使操作人員位于掘進機一側(cè)即可控制遙控履帶式皮帶機，便于觀察現(xiàn)場情況，保證安全。

4 創(chuàng)新亮點

項目創(chuàng)新性提出了綜掘機巷道拐彎開門快速轉(zhuǎn)運施工技術(shù)與裝備，研制一套集二次轉(zhuǎn)載、長距離運輸、卸載等多功能轉(zhuǎn)運機組。本課題將顯著提高拐彎開門工程施工速度，改善工作面作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)安全性。其創(chuàng)新點如下：

1）提出一種巷道拐彎開門施工快速轉(zhuǎn)運施工技術(shù)，采用三節(jié)皮帶機組合方案實現(xiàn)接料、轉(zhuǎn)載、運輸作業(yè)，提高作業(yè)機械化水平，提高作業(yè)效率，解決原有工藝中安裝、延展、撤除刮板機所占用的時間。

2）設(shè)計一組三節(jié)式皮帶機構(gòu)，第一節(jié)與掘進機相連，第二節(jié)由履帶底盤實現(xiàn)自主行走，第三節(jié)由膠輪帶動，三節(jié)設(shè)備相互配合，滿足巷道拐彎開門運料需求；遙控履帶式皮帶機，通過履帶底盤實現(xiàn)自主行走，保證能前端接回轉(zhuǎn)皮帶機送來的料，后方往提升皮帶機送料的要求，通過高低速配置，解決爬坡等問題。

5 結(jié)語

1）“巷道拐彎開門作業(yè)快速轉(zhuǎn)運技術(shù)” 實現(xiàn)了煤矸機械化輸送作業(yè)，三節(jié)式皮帶機完成運輸作業(yè)。從根本上消除了安全隱患，保證了工人作業(yè)安全。機械化運輸作業(yè)，解決了作業(yè)人員勞動強度大的問題，減少了作業(yè)人數(shù)，改善了作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)安全系數(shù)，確保作業(yè)人員人身健康。

2）減少作業(yè)人數(shù)，提高工作效率，年直接人工成本節(jié)約80萬元，同時可減少因安全問題造成的經(jīng)濟損失；煤矸運輸效率提高20%以上，通過機械化裝備，采掘速度大大提高，節(jié)省工程成本600萬元。

3）隊伍得到鍛煉，促進了礦企合作，聯(lián)合創(chuàng)新模式得到進一步發(fā)展，為下一步全面落實智慧礦山提供了智力支持。