礦井巷道掘進與支護同步作業(yè)探析

王劭波

(潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

雖然我國早在“十二五”時期就對有關(guān)巷道快速掘進技術(shù)展開了研究，并且經(jīng)不斷發(fā)展，在掘進裝備和技術(shù)方面有了較大的進步。然而，在機械化程度方面，綜掘工作面大大低于綜采工作面，導(dǎo)致采掘嚴重失衡，并存在一系列的問題，比如自動化程度較低、掘進速度較慢等，無法最終實現(xiàn)掘裝與錨護的平行作業(yè)。此外，配套設(shè)備較為復(fù)雜，裝備的集成度較低。在總掘進循環(huán)過程中錨護作業(yè)的時間占據(jù)50%以上，并且，掘錨一體化的程度較低，阻礙掘進機發(fā)揮效能。目前，探究分析的重點主要還停留在單臺套的設(shè)備，比較缺少對綜掘工作面的掘、錨、探同步作業(yè)裝置和技術(shù)的研究，故目前的掘進裝備普遍無法實現(xiàn)對煤炭生產(chǎn)高效率的目標(biāo)要求。

1 同步進行掘進和支護作業(yè)的工藝分析

基于原始的掘進巷道作業(yè)線中掘進與錨護無法平行作業(yè)，只能交替作業(yè)的不足，本文提出以搖臂式掘進機為龍頭，加以配套帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機、料斗式運錨機、自適應(yīng)邁步自移機尾以及除塵系統(tǒng)等，進而相互組成有機的結(jié)構(gòu)，形成相互銜接、配合的作業(yè)線，見圖1。

圖1 掘進與支護同步作業(yè)系統(tǒng)

搖臂式掘進機邊進行煤巖壁的截割，邊借助兩臺機載的液壓錨桿鉆機實施頂錨桿支護，在此過程中，固定于機身中的臨時支護裝備能夠?qū)敯宓闹ёo提供一定的幫助，此時因為截割部可以進行伸縮，故在掘進機作業(yè)的各個工序中互相不干涉。在搖臂式掘進機的后部配套運錨機，能夠幫助補打搖臂式掘進機未打的所有錨索和錨桿，也可以用來轉(zhuǎn)運物料。從料斗式運錨機進行物料輸送到帶式轉(zhuǎn)載機，其轉(zhuǎn)載機高度能夠適應(yīng)各類坡度，自動調(diào)節(jié)，同時，通過轉(zhuǎn)載機料斗的左右伸縮，可以防止搖臂式掘進機在擺動和截割作業(yè)中漏料。邁步式自移機尾可以進行自動移動，并且能夠自動控制移動的距離，進而提升輸送帶收放的效率。同時，組成輸送系統(tǒng)的各類設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同運動，并且按照截割量自動調(diào)整適應(yīng)運輸?shù)乃俣取３龎m系統(tǒng)放置于邁步自移機尾中，處理巷道中整體的粉塵。這樣，可以有效提升支護的效率，進一步提高單機成巷的速度[1]。

2 掘進與支護成套裝備

1) 搖臂式掘進機。搖臂式掘進機的結(jié)構(gòu)組成包括刮板輸送機、鏟板、機身穩(wěn)定機構(gòu)、滑移機架、臨時支護和錨桿機、截割部等，見圖2。搖臂式掘進機的優(yōu)勢在于可以同時進行截割機構(gòu)進刀截割和錨桿打設(shè)。除此之外，鉆機能夠進行多角度多方位的動作，比如左右移動、升降以及旋轉(zhuǎn)等，打設(shè)不同位置的錨桿。位于機身頂部的除塵風(fēng)筒利用后部的除塵系統(tǒng)去除工作面產(chǎn)生的粉塵，降低粉塵對錨桿機工作人員視線的不利影響。并且，機身布置錨桿鉆機的過程中操作簡便、維護便利。

圖2 搖臂式掘進機

在煤礦掘進過程中，由于機組的振動較大，容易產(chǎn)生錨桿鉆機打孔振動和截割振動相互干擾的不利現(xiàn)象。若是干擾較為嚴重，會導(dǎo)致錨桿鉆機無法進行正常工作。因此，為有效避免振動太大的問題，在設(shè)備前后位置設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)定機構(gòu)，以此來減輕錨桿打孔與設(shè)備截割以及安裝作業(yè)過程中的振動力與反力。除此之外，當(dāng)截割的巷道寬度較大時，無法一次性將物料運轉(zhuǎn)完成，只能等待錨桿支護結(jié)束之后調(diào)動機器來裝運剩下的物料，此時，效率較低，故基于此原因設(shè)置新型的扇形伸縮鏟板機構(gòu)，其在工作過程中會打開伸縮裝置，變成和巷道一樣寬的鏟板，使物料可以一次轉(zhuǎn)運裝載完成。當(dāng)調(diào)動機組的時候，伸縮裝置會進行縮回，便于調(diào)車行走。

2) 料斗式運錨機。料斗式運錨機的主要作用是物料轉(zhuǎn)運以及幫助補打搖臂式掘進機沒有打的錨桿。其主要組成結(jié)構(gòu)見圖3，包括鉆臂工作機構(gòu)、機架、料斗、鉆架、左右行走機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、升降作業(yè)平臺、水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刮板輸送機以及錨桿倉組。其中，鉆臂工作機構(gòu)可以進行高速有效的掘進巷道錨護，通過聯(lián)接基座安置于料斗式運錨機的前部，在具體的作業(yè)過程中，按照不同位置的鉆機錨護，借助滑軌伸縮來幫助鉆機進行橫向移動，借助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)幫助鉆機旋轉(zhuǎn)，通過升降體上下升降鉆機。與此同時，鉆機橫移、升降由油缸以及回轉(zhuǎn)協(xié)同運作，來調(diào)整鉆機的工作位置，以滿足在不同位置的巷道截面安裝錨桿的要求。

圖3 料斗式運錨機

3) 帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機與自適應(yīng)邁步自移機尾。帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機是搭接于自適應(yīng)邁步自移機尾和料斗式運錨機當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)組成部分包括機頭部、行走小車、機尾部以及大跨度機架。其通過大跨距橋接來充分實現(xiàn)大搭接行程，并據(jù)此減少生產(chǎn)運輸過程中延伸輸送帶的頻繁次數(shù)，從而提高煤礦巷道掘進的速度和效率。在煤礦巷道的掘進作業(yè)過程當(dāng)中，遇斷層較多的時候，底板的縱向起伏、急劇變坡工況相應(yīng)也會增多，帶式轉(zhuǎn)載機被拉移的過程中，將借助紅外測距識別系統(tǒng)來測量其和邁步機尾之間的距離，并自動調(diào)節(jié)剛性架高度，對機身姿態(tài)進行智能控制，以規(guī)避剛性架最高點與頂板干涉碰撞及剛性架邁步自移機尾，并影響轉(zhuǎn)載機機身姿態(tài)等一系列問題?？刂葡到y(tǒng)通過變頻調(diào)速的功能，與錨桿轉(zhuǎn)載機組刮板運量和啟停充分進行耦合，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)載功能的綠色節(jié)能和智能調(diào)速。轉(zhuǎn)載裝置在轉(zhuǎn)運物料過程中采用電動滾筒驅(qū)動輸送帶的方法，并保證物料運輸過程中的節(jié)能高效。與此同時，自適應(yīng)邁步自移機尾還具備同步舉升軌跡自適應(yīng)以及長距離整體快速邁步移動等特色功能，能減少復(fù)雜地質(zhì)條件下輔助作業(yè)的時間，并以此來提高巷道掘進速度。

3 同步進行掘進和支護作業(yè)的自動化技術(shù)分析

搖臂式掘進機具有外形尺寸較大、重量較重的特點，整機的功能不僅涵蓋懸臂式掘進機功能，還包括臨時支護系統(tǒng)、機載鉆臂和除塵系統(tǒng)，成套裝備的自動控制系統(tǒng)由每一部分的控制子系統(tǒng)所構(gòu)成。其中，搖臂式掘進機電控系統(tǒng)核心之處在于操作與電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是防護等級IP67專用控制器，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性、穩(wěn)定可靠的性能以及維修簡便等優(yōu)點。并且，操作箱體積小，使其達到操作簡便靈活，穩(wěn)定安全的目標(biāo)。操作與電控箱通過RS485通信方式進行實時傳輸數(shù)據(jù)，操作箱的液晶屏和電控箱的顯示屏共同配合顯示作業(yè)過程中整機的故障以及狀態(tài)等信息。除此之外，整個電控系統(tǒng)具備的功能還包括參數(shù)設(shè)置保護、故障診斷查詢、故障記憶以及遙控操作等。

1) 自適應(yīng)截割技術(shù)分析。自適應(yīng)截割技術(shù)通過借助一系列人工智能方式，比如專家系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，幫助搖臂式掘進機按照作業(yè)過程中實際的地質(zhì)環(huán)境和條件，自動調(diào)整適應(yīng)的截割速度，促使截割機構(gòu)實際的工作狀態(tài)和煤巖的硬度等條件相契合。與此同時，最優(yōu)化截割作業(yè)的過程環(huán)節(jié)，以此降低截齒的消耗并充分提高截割作業(yè)的效率。在這一系列的過程中，將采用截割工況智能決策與識別技術(shù)、截割巖石動載荷特征識別和提取技術(shù)、控制截割轉(zhuǎn)速交流變頻調(diào)速技術(shù)以及控制負載壓力反饋截割牽引調(diào)速等技術(shù)。除此之外，傳感器被安置在電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及運動部件中，達到實時監(jiān)控機器工作狀態(tài)的目的。

2) 自主導(dǎo)航技術(shù)分析。以識別掘進機的環(huán)境、掘進智能糾偏與精準(zhǔn)導(dǎo)控為出發(fā)點，設(shè)計巷道環(huán)境中搖臂式掘進機的路徑方案。在此過程中，借助參數(shù)智能感知的方式，包括精確位姿、核心環(huán)境以及關(guān)鍵控制參數(shù)等，來構(gòu)建關(guān)鍵參數(shù)測量的精準(zhǔn)測控和標(biāo)定系統(tǒng)。其中，通過綜合借助掘進機的激光測距、機載超聲測障、雷達測斷面以及紅外測邊界等參數(shù)測量的方法來構(gòu)造感知平臺，以此來實現(xiàn)掘進機掘進中線和空間的建模。并且，借助傾斜巷道中復(fù)雜底板掘進機的自主糾偏理論和實現(xiàn)方法，設(shè)計構(gòu)建動態(tài)且多目標(biāo)的優(yōu)化進化方法，對構(gòu)建的控制系統(tǒng)模型進行求解，得出符合履帶調(diào)整約束的控制參數(shù)和糾偏對策，提出在掘進過程中以多缸同步進行控制為基礎(chǔ)的掘進機俯仰位姿非連續(xù)控制的方法，以各關(guān)鍵參數(shù)(位姿、決策參數(shù)和控制)為依據(jù)的遠程操控和精準(zhǔn)導(dǎo)控實驗檢驗[2]。

3) 故障診斷和工況檢測技術(shù)分析。借助微型電子計算機實現(xiàn)多項功能，包括傳輸控制、數(shù)據(jù)的采集、健康的監(jiān)控、處理顯示以及故障查找診斷等。通過可編程的邏輯控制器處理各傳感器的信號，顯示并控制實際運行的工況，在產(chǎn)生故障時，通過電控箱中的開關(guān)裝置，關(guān)閉電動機。通過這一系列的過程能夠充分實現(xiàn)斷面監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)電機功率、離機遙控操作以及工況的監(jiān)測與故障的診斷等一系列功能。與此同時，電控系統(tǒng)還有助于掘進機常見故障的分析，構(gòu)建一個基于振動量問題診斷與預(yù)知維修局域網(wǎng)系統(tǒng)，據(jù)此來實現(xiàn)實時監(jiān)測并采集一些關(guān)鍵零部件的轉(zhuǎn)速、振動加速度等信號，并在相應(yīng)的時間內(nèi)分析出運行狀態(tài)報表及趨勢，并在有異常產(chǎn)生時對故障數(shù)據(jù)進行保存并發(fā)出報警。

4 結(jié) 語

由于煤礦巷道掘進過程中產(chǎn)生的諸如效率低、時間長、無法進行掘裝與錨護平行作業(yè)以及自動化程度低等一系列問題，本文提出以搖臂式掘進機為核心的同步進行掘進和支護作業(yè)的系統(tǒng)，即綜合鉆機錨護功能和搖臂式掘進機掘裝功能，并通過一系列配套技術(shù)實現(xiàn)巷道高效快速掘進。以期為巷道掘進作業(yè)效率的提高提供一種思路。