WPZ-45/700LY 型煤礦用遠控巷道修復(fù)機關(guān)鍵技術(shù)

李旭濤，張 寧，李旺年

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來隨著煤炭開采強度和深度的增加，劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)導(dǎo)致破碎巖層條件下的巷道變形嚴(yán)重，其中巷道圍巖變形、破碎等問題日益突出[1-3]。目前巷道圍巖修復(fù)的設(shè)備主要有：①用風(fēng)鎬進行破碎處理，然后人工清理，其優(yōu)點是機動靈活，但缺點是勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，另外人工修復(fù)側(cè)幫和頂板時，難度與危險性很大，這與國家安監(jiān)總局提出“機械化換人，自動化減人”還存在一定差距；②采用挖掘式裝載機和礦用鏟車等大型設(shè)備清理底鼓、片幫和頂板破碎，其優(yōu)點是機械化作業(yè)，工人勞動強度小、作業(yè)面積大，但缺點是設(shè)備存在功能單一、施工效率不高、適用性不強、側(cè)幫和頂板作業(yè)施工困難[4]，并且，施工人員坐在設(shè)備上直接操控設(shè)備進行施工作業(yè)時，無法遠離頂板垮落區(qū)，增加了安全隱患[5-7]。因此，研制一款功能多樣、適應(yīng)性強，并且可遠程操作的煤礦用巷道修復(fù)機尤為必要。

1 修復(fù)機整體方案

1.1 巷道修復(fù)治理工藝

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開采的深度越來越大，導(dǎo)致煤礦巷道地應(yīng)力增高、巷幫松軟破碎、圍巖變形嚴(yán)重等問題，針對不同類型的煤礦井下巷道，巷道圍巖治理工程的工藝流程是不同的，治理措施與成本亦相差較大[8-10]。對于服務(wù)期較長的開拓巷道可采取圍巖注漿、高預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等技術(shù)重新加固施工，而服務(wù)期較短的采準(zhǔn)巷道（包括準(zhǔn)備巷道和回采巷道），尤其是回采巷道的底鼓治理，挖底后恢復(fù)巷道斷面尺寸就可以繼續(xù)投入使用[11-12]。

因此，可以看出巷道斷面的恢復(fù)是巷道修復(fù)治理的前提，煤礦用巷道修復(fù)機是專門用于巷道圍巖斷面恢復(fù)施工的專用設(shè)備，主要具有破碎、挖裝、運輸、吊裝、臥底、掏水溝及自行走等功能。

1.2 修復(fù)機結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

煤礦用遠控巷道修復(fù)機整體外形結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 煤礦用遠控巷道修復(fù)機整體外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall shape structure of remote control roadway repair machine for coal mine

遠控修復(fù)機主要技術(shù)參數(shù)為：①工作裝置：裝載能力40 m3/h，卸料高度2.8 m，回轉(zhuǎn)角度±38°，鏟斗容量0.4 m3，破碎錘沖擊頻率10～18 Hz，破碎錘滑動距離0.25 m，互換時間3 min；②泵站：電機額定功率45 kW，油泵Ⅰ泵排量71 mL/r，油泵Ⅱ泵排量10 mL/r，油箱有效容積320 L；③行走裝置：行走速度0.8 km/h，爬坡能力15°；④整機：遠控距離20 m，質(zhì)量10 000 kg，外形尺寸7.7 m×1.2 m×1.5 m。

1.3 修復(fù)機功能和技術(shù)特點

1）可遠程遙控施工作業(yè)。為滿足側(cè)幫和頂板等危險區(qū)域巷道修復(fù)施工作業(yè)，修復(fù)機采用無線遙控控制方式施工作業(yè)，遠控距離20 m，操縱端響應(yīng)時間1 s。

2）可全斷面施工作業(yè)。修復(fù)機具有靈活多變的執(zhí)行機構(gòu)和快換裝置，可進行破碎、裝載、側(cè)卸和銑挖等作業(yè)，可在低矮變形巷道快速完成全斷面施工作業(yè)。

3）機身矮小。修復(fù)機采用窄型低重心車體平臺設(shè)計，寬度僅為1.2 m,高度1.5 m（不包括防護棚），考慮極限工作位置車體穩(wěn)定性和震動問題，滿足巷道狹窄的施工條件。

4）修復(fù)機液壓系統(tǒng)采用LUDV 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同負(fù)載壓力的多個執(zhí)行元件同時進行快速與精確控制，各元件互不干涉，操作性能好，執(zhí)行起點和工作速度只與操縱手柄角度有關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)。

5）模塊化設(shè)計，安裝、轉(zhuǎn)場簡單可靠。修復(fù)機主要由履帶車體、動力裝置和工作裝置3 大部分組成，采用模塊化設(shè)計，各部分可獨立拆卸和安裝，而且各部分相關(guān)零件安裝孔與中煤科工集團西安研究院類似產(chǎn)品一至，便于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的互換。動力裝置包括：電磁啟動器、風(fēng)冷散熱器、液壓油箱和電機等部件；工作裝置包括：工作臂、執(zhí)行機構(gòu)和快換裝置等部件。修復(fù)機履帶采用重型履帶，單邊履帶馬達扭矩可達22 000 N·m，動力強勁，轉(zhuǎn)場時提高了修復(fù)機搬運和安裝效率，減輕了工人勞動強度。

6）一機多用，功能集成，完成不同種類施工作業(yè)。修復(fù)機主要用于狹窄變形巷道修復(fù)施工作業(yè)，施工作業(yè)過程中主要涉及破碎、挖裝、運輸、吊裝、臥底、掏水溝及自行走等工作，因此，必須要求修復(fù)機在結(jié)構(gòu)尺寸做到盡可能小的情況下，還要求對修復(fù)設(shè)備的功能進行高度集成、一機多用，通過快速更換各種執(zhí)行機構(gòu)，完成不同種類施工作業(yè)[7]。

7）智能化、自動化程度高，減輕作業(yè)人員勞動強度，提高作業(yè)人員安全。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工作機構(gòu)

工作機構(gòu)又稱工作臂，是修復(fù)機的重要連接、變幅部件，其左端與執(zhí)行機構(gòu)相連，右端與履帶車體相連。工作機構(gòu)主要由偏轉(zhuǎn)機構(gòu)、基礎(chǔ)臂、伸縮油缸、變幅油缸、膠管護板、伸縮臂及調(diào)角油缸組成，工作機構(gòu)外形結(jié)構(gòu)如圖2。偏轉(zhuǎn)機構(gòu)在偏轉(zhuǎn)油缸的帶動下實現(xiàn)沿機體方向左右擺動，并且在偏轉(zhuǎn)機構(gòu)下方設(shè)計有回轉(zhuǎn)支撐，巷道修復(fù)過程中破碎和裝載時的沖擊力，主要由偏轉(zhuǎn)油缸和回轉(zhuǎn)支撐來承受，所以偏轉(zhuǎn)機構(gòu)強度和剛度必須設(shè)計合理可靠[13-15]。為提高修復(fù)機工作范圍和施工效率，工作機構(gòu)還設(shè)計有伸縮臂，伸縮臂在伸縮油缸的作用下，沿箱型基礎(chǔ)臂內(nèi)的導(dǎo)軌進行滑動，最大伸縮距離600 mm，由于基礎(chǔ)臂和伸縮臂之間存在頻繁滑動，因此在2 個箱型體之間設(shè)計有耐磨承力滑塊。另外，考慮到工作機構(gòu)的可靠性及整體性，在工作機構(gòu)上方設(shè)計有膠管護板，在膠管護板內(nèi)部安裝有過板接頭，防止巷道修復(fù)施工過程中由于膠管損壞帶來的效率低下等問題。

圖2 工作裝置外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Working structure

2.2 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是修復(fù)機重要的執(zhí)行部件，執(zhí)行機構(gòu)的種類決定修復(fù)機所能承攬工作類別。與巷道修復(fù)相關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)主要有：側(cè)卸鏟斗、破碎機構(gòu)、銑挖機構(gòu)、鉆裝機構(gòu)及機械手等。主要以側(cè)卸鏟斗和破碎機構(gòu)做以簡要說明，執(zhí)行機構(gòu)外形結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)外形結(jié)構(gòu)Fig.3 Actuator structure

側(cè)卸鏟斗由鏟斗連接體、側(cè)卸油缸和鏟斗焊接體等部件組成，主要用于矸石的鏟運和裝載?？紤]車輛的裝載有可能在修復(fù)機左右兩側(cè)，因此在側(cè)卸鏟斗上設(shè)計有2 組銷軸連接孔和2 組油缸連接孔，通過銷軸和側(cè)卸油缸不同位置的安裝，實現(xiàn)修復(fù)機卸料方向的改變。另外，在鏟斗焊接體前端設(shè)計材料為16Mn 調(diào)質(zhì)處理的高硬度斗齒，在鏟斗焊接體上、下表面分別焊接有加強筋板，提高鏟斗的剛度和強度，提升修復(fù)機的可靠性。

破碎機構(gòu)由破碎錘、連接組件、擺角油缸及給進油缸等部件組成，主要用于變形巷道圍巖的破碎。破碎是巷道圍巖修復(fù)治理的先決條件，因此破碎錘采用韓國進口知名品牌，提高修復(fù)機破碎效率和可靠性。在破碎錘下方設(shè)計有滑動導(dǎo)軌和給進油缸，破碎錘在給進油缸的作用下，實現(xiàn)破碎錘沿導(dǎo)軌方向的往復(fù)滑動，滿足破碎的最佳效果。另外，在連接組件兩側(cè)設(shè)計有2 組擺角油缸安裝孔，通過擺角油缸安裝孔的切換，滿足破碎機構(gòu)垂直于巷幫兩側(cè)進行破碎施工作業(yè)，提高修復(fù)機工作范圍及施工效率。

2.3 快換裝置

為解決修復(fù)機多個工作機構(gòu)的快速更換問題，設(shè)計開發(fā)了一種手動快換裝置。常規(guī)快換裝置是通過液壓油缸的伸縮來實現(xiàn)快換裝置的開啟和閉鎖動作，并通過鎖緊機構(gòu)轉(zhuǎn)動來達到鎖定的目的[16]，這種方式在挖掘機行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。但是，修復(fù)機巷道修復(fù)工作主要以破碎和裝載矸石為主，快換裝置頻繁受到高頻振動和沖擊，液壓油缸式的快換裝置并不能滿足設(shè)計要求，因此研究設(shè)計出一種手動快換裝置，主要由套筒扳手、連接座及曲柄滑塊機構(gòu)等組成，更換執(zhí)行機構(gòu)時，只要保證執(zhí)行機構(gòu)上的銷軸與快換裝置上的溝槽緊密配合，然后轉(zhuǎn)動快換裝置上的套筒扳手，即可完成執(zhí)行機構(gòu)的更換?？鞊Q裝置外形結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 快換裝置外形結(jié)構(gòu)Fig.4 Quick change device structure

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由電機、液壓泵、電磁閥、液壓油箱、風(fēng)冷散熱器及液壓油缸等組成。修復(fù)機采用2 泵開式LUDV 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同負(fù)載壓力的多個執(zhí)行元件同時進行快速與精確控制，各元件互不干涉，執(zhí)行機構(gòu)和工作速度只與操縱手柄角度有關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)，變量泵通過液壓膠管與隔爆電磁閥相連，隔爆電磁閥通過液壓膠管與履帶總成的行走馬達，快換裝置、執(zhí)行機構(gòu)的液壓油缸相連通，定量泵通過液壓膠管與風(fēng)冷散熱器的液壓馬達相連通。

2.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是修復(fù)機完成遠控施工作業(yè)的核心，電控系統(tǒng)主要硬件有：遙控操縱器、電控箱、電磁閥、位移傳感器、無線接收器及油缸等部件，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of control system structure

電控箱的核心是防爆可編程控制器，控制器嵌入控制程序，負(fù)責(zé)計算控制參數(shù)和處理狀態(tài)信息[17]，磁滯位移傳感器為油缸動作位置檢測單元，通過電流模擬量輸入端口將油缸動作信息反饋給防爆可編程控制器，防爆可編程控制器實現(xiàn)油路工作狀態(tài)的切換和液壓油缸的伸縮從而構(gòu)成控制閉環(huán)，并由隔爆可編程控制器進行PID 位置控制[18-20]。無線接收器與無線遙控器相互通信，進行控制信息與狀態(tài)信息的交互，兩者通過433 無線通信模塊以433/315 MHz 頻率進行自動跳頻通信，能夠有效防止無線電干擾。操作人員利用有線/無線遙控操縱器進行遙控操作，遠控距離20 m。

3 型式試驗

為驗證修復(fù)機各項性能指標(biāo)及遠控系統(tǒng)工作的可靠性，修復(fù)機型式試驗于2019 年7 月在中煤科工集團西安研究院有限公司智能鉆探裝備及煤層氣開發(fā)產(chǎn)業(yè)基地進行，累計完成地面修復(fù)進尺50 m，修復(fù)厚度為0.3～1.2 m，遠控距離20 m,平均起底效率約2.8 m/h。

試驗結(jié)果表明，修復(fù)機參數(shù)基本達到設(shè)計要求，驗證了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及各項功能，檢驗了電控系統(tǒng)的各項性能，該設(shè)備具備較高的可靠性。

4 結(jié) 語

1）研制的煤礦用遠控巷道修復(fù)機具有施工效率高、工人勞動強度小、并且配備側(cè)卸式鏟斗及破碎錘等執(zhí)行機構(gòu)，適用性強，功能多樣等顯著特點。

2）整機具備鑿、鏟、裝、運為一體的功能，可以實現(xiàn)遠離巷道頂板冒落危險區(qū)域的遠控操作，提高巷道修復(fù)工作效率，為煤礦井下巷道圍巖修復(fù)治理的快速可靠施工提供裝備保證。

3）試驗結(jié)果表明煤礦用遠控巷道修復(fù)機各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求，并且充分證明修復(fù)機結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可靠性，修復(fù)機的研制為煤礦井下低矮變形巷道圍巖治理施工提供了裝備保障, 特別是針對煤礦井下巷道頂板和側(cè)幫危險區(qū)域的修復(fù)施工提供研究思路。