煤礦井下開槽工藝與施工裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

姚會(huì)軍

(國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)公司開拓準(zhǔn)備中心，陜西 神木 719315)

神東煤炭集團(tuán)經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)最大的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，擁有13座現(xiàn)代化礦井，年產(chǎn)量超2億t。公司自成立之初就以建成世界一流煤炭企業(yè)為目標(biāo)，長(zhǎng)期以來(lái)一直引領(lǐng)中國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展方向。目前，煤礦井下的主要生產(chǎn)設(shè)備都已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，正在向智能化、智慧化的方向努力推進(jìn)，但在部分礦務(wù)工程的施工工藝和裝備方面，還有很多與現(xiàn)代化礦井不匹配、不協(xié)調(diào)的地方。隨著神東綜采快速回采技術(shù)和先進(jìn)掘進(jìn)技術(shù)裝備的大量應(yīng)用，為了保證礦井通風(fēng)和排水的需要，每天都需要開鑿大量的密閉槽和水泵槽等，長(zhǎng)期以來(lái)這些工作均是由人工采用風(fēng)鎬和刨錘的方式進(jìn)行，存在用人多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、高空作業(yè)有較大的安全隱患等不利條件，特別是人工開槽效率低嚴(yán)重制約了綜采工作面的回采速度和連掘面的掘進(jìn)進(jìn)尺[1-5]，因此急需改變目前的開槽工藝，實(shí)現(xiàn)開槽作業(yè)快速化、機(jī)械化。

1 煤礦井下開槽工藝及裝備的發(fā)展

煤礦井下密閉槽、水泵放置槽的開鑿，長(zhǎng)期以來(lái)一直是人工使用風(fēng)鎬和刨錘的組合工藝進(jìn)行開槽，其效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，用人多，作業(yè)人員安全隱患大。進(jìn)入2000年后，隨著煤礦機(jī)械化水平的不斷提高，神東煤炭集團(tuán)在采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等方面的裝備和技術(shù)均走在了煤炭行業(yè)的前列，引領(lǐng)了中國(guó)煤炭企業(yè)的發(fā)展方向，但在非主流裝備方面，神東公司也有一部分沒有跟上時(shí)代的發(fā)展步伐，一直停滯不前。自2010年提出大神東建設(shè)以來(lái)，減人提效已成為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注的焦點(diǎn)，密閉開槽用人多、施工效率低一直是難以突破的課題，先后嘗試使用了各種開槽工具，但均不理想。直至2016年，隨著兩臂錨桿鉆車的投入使用，神東員工自主開發(fā)了一套直徑為40 mm+80 mm+120 mm+200 mm的4層塔式組合鉆頭(圖1)，利用兩臂錨桿鉆車的鉆臂變位靈活，能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂?shù)變蓭瓦M(jìn)行鉆孔的特點(diǎn)，將組合鉆頭安裝在鉆臂的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)上進(jìn)行鉆孔開槽的新方式。此開槽工藝的出現(xiàn)，改變了密閉開槽只能依賴風(fēng)鎬和刨錘的歷史，人工工效和安全狀況均得到了大幅提升，也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。2018年，神東公司在全面落實(shí)機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人的大背景下，神東員工不等不靠，又自主研發(fā)了第三代開槽設(shè)備——全液壓礦用開槽機(jī)。全液壓礦用開槽機(jī)的問世，使煤礦井下巷道開槽作業(yè)向前邁了一大步，填補(bǔ)了煤礦井下巷道開槽作業(yè)無(wú)機(jī)械化裝備的空白。

圖1 塔式多層組合鉆頭的結(jié)構(gòu)

2 鉆孔開槽技術(shù)的研制及其特點(diǎn)

鉆孔開槽技術(shù)是以兩臂錨桿鉆車為平臺(tái)、以左右2個(gè)鉆臂為動(dòng)力，通過研制1套大孔徑的塔式多層組合鉆頭，安裝在兩臂錨桿鉆車的左右2個(gè)鉆臂上，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需開槽煤壁處的鉆孔作業(yè)。鉆頭裝置由一級(jí)鉆頭、二級(jí)鉆頭、三級(jí)鉆頭、四級(jí)鉆頭通過連接桿焊接而成，其每級(jí)鉆頭角度為120°。鉆頭尾部設(shè)有連接套與鉆桿相連，鉆頭與鉆桿全部采用中空結(jié)構(gòu)，高壓水通過水道送入鉆頭頂部，將鉆下來(lái)的煤粉排出孔外，同時(shí)也起到冷卻鉆頭抑制粉塵的作用。其施工工藝：將兩臂錨桿鉆車開到需要施工的巷道中間位置，左右2個(gè)鉆臂分別施工兩側(cè)的頂及兩幫，將鉆臂擺到距離開槽位置500 mm，安裝專用鉆桿鉆頭，通過鉆臂的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，利用推進(jìn)油缸緩慢推進(jìn)，在所需開槽部位鉆出直徑為200 mm、深度為500 mm的孔，自下而上進(jìn)行順序作業(yè)，最后形成蜂窩狀的孔洞，再用風(fēng)鎬或手錘進(jìn)行簡(jiǎn)單修幫作業(yè)，最后形成所需要的密閉槽。此種施工工藝簡(jiǎn)單、省事省力、投入成本低，可替代90%的人工作業(yè)，綜合工效是人工開槽的4～5倍。具有較高的行業(yè)推廣價(jià)值。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 礦用快速開槽機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2018年，第1臺(tái)礦用快速開槽機(jī)研制成功并投入使用，是煤礦井下開槽工藝的突破性改變。實(shí)現(xiàn)了完全替代人工作業(yè)，可一次完成所需的開槽作業(yè)，不需人工修整。開槽機(jī)是一種以液壓傳動(dòng)為動(dòng)力的履帶式行走設(shè)備，主要由行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)、后支撐裝置、液壓系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)7大部分組成，具有結(jié)構(gòu)合理、機(jī)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、操作方便、安全性好、工作效率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)[6-9]。其主要組成機(jī)構(gòu)：①行走機(jī)構(gòu)。采用履帶式行走裝置由低速大扭矩液壓馬達(dá)和減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。②回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)支撐和左右2根液壓伸縮油缸組成，可以實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的左右擺動(dòng)，滿足不同的開槽寬度。③截割機(jī)構(gòu)。截割機(jī)構(gòu)由截割臂和銑挖頭組成，是開槽機(jī)的核心部分，安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方，兩者通過螺栓進(jìn)行剛性連接，截割臂模擬人體手臂采用三軸設(shè)計(jì)分為大臂和小臂，可以實(shí)現(xiàn)工作臂的寬幅上下移動(dòng)，滿足不同高度和深度的開槽作業(yè)。④后支撐裝置。由1根液壓伸縮油缸和穩(wěn)定靴組成，在生產(chǎn)時(shí)將其放下?lián)巫〉装?，保證了開槽機(jī)在開槽作業(yè)時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定性，提高了工作效率。⑤液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)主要由一臺(tái)柱塞變量泵和負(fù)載敏感比例閥配套設(shè)計(jì)，可以有效降低系統(tǒng)發(fā)熱量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。⑥水路系統(tǒng)。由板式冷卻器和螺旋噴霧裝置組成，其能起到對(duì)液壓系統(tǒng)和截割頭冷卻，同時(shí)也能起到降塵的作用，避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員造成呼吸性粉塵傷害。⑦電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)主要由1臺(tái)QIZ-80/1140真空磁力啟動(dòng)器和1臺(tái)45 kW防爆電機(jī)組成，并設(shè)有語(yǔ)音啟動(dòng)報(bào)警裝置和3個(gè)急停按鈕，能夠保證在設(shè)備周圍工作人員的安全。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 礦用開槽機(jī)整體結(jié)構(gòu)

表1 礦用開槽機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 開槽機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

截割頭、截齒是開槽機(jī)的關(guān)鍵部件，其材質(zhì)和制造工藝對(duì)開槽機(jī)的截割性能影響較大。由于開槽機(jī)施工場(chǎng)地地質(zhì)條件的不確定性，要求截齒必須具有較高的硬度、良好的耐沖擊性和抗磨性，從而保障開槽機(jī)在截割較硬煤(巖)時(shí)具有穩(wěn)定的工作狀態(tài)。穩(wěn)定的工作狀態(tài)不僅對(duì)截齒的材質(zhì)有較高的要求，而且截齒的外形、截齒的排列方式等，對(duì)于開槽機(jī)的性能影響也是非常重要的。開槽機(jī)截齒是鎬形的，具有良好的自銳性和耐沖擊性，在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。由于各礦井的地質(zhì)條件不同，截割的煤體硬度也不盡相同，截齒消耗量大、截割效率低已成為施工中較為突出的問題。在所有影響開槽機(jī)工作效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，截齒切削角的影響是最關(guān)鍵的。通過對(duì)開槽機(jī)截齒的載荷、不同切削角對(duì)截齒與齒座的受力情況與應(yīng)力分布情況，對(duì)研究改進(jìn)截割頭的設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)其使用壽命、提高工作可靠性與經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

3.2.1 截齒切削角的分析與研究

在開槽機(jī)的設(shè)計(jì)中，截割頭的設(shè)計(jì)是最核心的內(nèi)容，它包括截齒的安裝角度、齒尖軸向間距和螺旋頭數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的確定。截齒的各種安裝參數(shù)直接影響開槽機(jī)破巖的性能。截割頭看似簡(jiǎn)單，實(shí)則非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，特別是截齒的安裝布置參數(shù)眾多，其間既相互影響、又相互關(guān)聯(lián)，各參數(shù)的取值直接影響開槽機(jī)的工作穩(wěn)定性。截齒的切削角δ是截齒中心線與齒尖截割軌跡切線的夾角，其作用是使截齒能很容易進(jìn)入巖體。較大的切削角能夠提高截割的效率，但對(duì)其磨損較為嚴(yán)重，很容易使齒尖變鈍，導(dǎo)致無(wú)法切入巖體或增加截割阻力；切削角較小時(shí)，所需進(jìn)給力將增大，容易使截齒過載，此時(shí)，截齒不僅軸線方向承受負(fù)載，而且齒尖方向負(fù)載更大，使進(jìn)給力與切削力比值增大，因此切削角的選取很重要。如圖3所示，δ為截齒尖運(yùn)動(dòng)方向V與截齒方向矢量F之間夾角。

圖3 截齒齒尖運(yùn)動(dòng)方向與截齒方向矢量之間的關(guān)系

3.2.2 截齒的載荷計(jì)算

開槽機(jī)截割巖體時(shí)，作用在截齒上的力有切削力Fs、徑向力Fr、橫向力Ft，3個(gè)力組成截齒的三維力系坐標(biāo)如圖4(a)所示。圖4(a)中，z軸通過齒尖M點(diǎn)，平行截割滾筒旋轉(zhuǎn)軸線；x軸通過齒尖M和旋轉(zhuǎn)中心O′；y軸垂直于xz平面并通過M點(diǎn)。

圖4 截齒三維力系坐標(biāo)

通過圖4(b)、圖4(c)得到Fs、Fr、Ft三個(gè)力在各坐標(biāo)軸的投影分量為：

(1)

α為與y軸夾角，由式(2)求取：

(2)

式中，Vs為截割頭水平擺動(dòng)速度；ω為—截割頭回轉(zhuǎn)角速度；RM為截齒齒尖M的回轉(zhuǎn)半徑。

截齒的切削力的理論值可由艾萬(wàn)斯(Evans)理論確定：

(3)

式中，h為截齒切深；Rc為巖石抗壓強(qiáng)度；β為齒尖角；X為巖石硬度比，X=Rc/Rt；Rt為巖石抗拉強(qiáng)度。

3個(gè)力的關(guān)系取為：Fs∶Fr∶Ft=1.0∶1.5∶0.2。

取巖石的抗壓強(qiáng)度300 MPa，抗拉強(qiáng)度30 MPa。截齒工況參數(shù)：轉(zhuǎn)速20 r/min，橫切速度1.5 m/min，在不同Vs時(shí)，各坐標(biāo)軸方向的合力Fx、Fy、Fz值見表2。

表2 截齒橫切速度在不同Vs時(shí)各坐標(biāo)軸方向的合力值

截齒的空間位置是由截齒的三維空間角度—倒角β、轉(zhuǎn)角α和仰角γ來(lái)決定的。倒角β是截齒座繞截齒軸線旋轉(zhuǎn)的角度，用來(lái)調(diào)整齒座與輪轂之間的接觸。在不考慮倒角的情況下，各參數(shù)間關(guān)系(圖5)。

圖5 截齒各參數(shù)間的關(guān)系

轉(zhuǎn)角α是截齒中心線與通過截齒齒座支承面中點(diǎn)的切線投影線之間的夾角，即截齒回轉(zhuǎn)軸線在YZ平面上的投影線與Y軸的夾角，這樣能保證在截割過程中形成力矩，使截齒在齒座中能產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，從而使截齒達(dá)到均勻磨損的目的；仰角γ是截齒在實(shí)際位置與參考位置截齒軸線之間的夾角，即截齒回轉(zhuǎn)軸線與YZ平面間的夾角，用于調(diào)整截齒的切削角；截齒回轉(zhuǎn)軸線與Y軸夾角為截齒的設(shè)計(jì)切削角δ；截齒回轉(zhuǎn)軸線與齒尖運(yùn)動(dòng)方向VM間夾角為截齒的實(shí)際切削角δ′。

截齒的切削角δ是齒尖截割軌跡與截齒中心線的夾角，此參數(shù)是保證截齒是否能以較好的位置對(duì)巖體進(jìn)行截割[10-12]。設(shè)計(jì)切削角δ通常取45°～48°，其具體的取值還沒有嚴(yán)格規(guī)定。切削角大雖能提高切削效率，但對(duì)截齒磨損相對(duì)嚴(yán)重，易造成截齒的合金頭損壞或脫落，使截齒變鈍，難以切入巖體。切削角小時(shí)，所需進(jìn)給力將會(huì)增大，易造成截齒超載，此時(shí)，截齒不僅軸線方向承受較大負(fù)載，而齒尖方向負(fù)載更大，這樣對(duì)截齒的損壞同樣也很嚴(yán)重。取轉(zhuǎn)角為10°、設(shè)計(jì)切削角為45°～48°，在不同橫切速度Vs下實(shí)際切削角δ′值見表3。

表3 不同橫切速度Vs下實(shí)際切削角δ′值

通過對(duì)截齒的載荷計(jì)算以及截齒切削角在不同橫切速度下的變化情況分析，可以得出其應(yīng)力大小與橫切速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及設(shè)計(jì)切削角對(duì)合金頭所受應(yīng)力的影響情況。根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出，正確選擇設(shè)計(jì)切削角δ，可以降低對(duì)截割頭的損壞，提高其使用壽命和工作時(shí)的穩(wěn)定性。另外，在確定截齒間距時(shí)，還要考慮到各部位截齒的受力情況。位于截割頭2個(gè)端部的截齒主要作用是為了保護(hù)截齒在左右擺動(dòng)截割時(shí)不受到被截割體沖擊，位于圓弧段的截齒主要是為了使截齒在做橫向截割時(shí)有一個(gè)由淺到深的截割過程，減小巖體對(duì)截割頭的沖擊載荷。由于兩端部和圓弧段截齒的截割條件較差，其阻力較大，回轉(zhuǎn)半徑較小，單個(gè)截齒的受力相對(duì)較大，故需縮小齒尖軸向間距。位于直線段的截齒承擔(dān)的是主要的截割任務(wù)，故為了提高截割效率，就應(yīng)采用較大的齒尖軸向間距。

綜上所述，復(fù)雜工況條件下開槽機(jī)的截割頭的截齒應(yīng)選擇螺旋線狀分布，相比于平行分布式截齒更加可靠、堅(jiān)固，其中位于端部和圓弧段的截齒齒尖軸向間距應(yīng)按弧度變化依次減小，位于直線中間段的截齒齒尖軸向間距最大。截割頭的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，影響截割頭結(jié)構(gòu)的參數(shù)也相對(duì)較多，截齒的安裝參數(shù)是直接影響截割頭的工作性能最主要的因素。因此，選擇合理的倒角、轉(zhuǎn)角和仰角對(duì)提高開槽機(jī)的截割性能至關(guān)重要。

4 取得成果及效益分析

4.1 取得成果

通過對(duì)礦用開槽機(jī)關(guān)鍵部件的研究分析和整機(jī)各組成部分的合理布局及優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)礦用履帶式液壓開槽機(jī)，開槽機(jī)在神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦進(jìn)行了為期2年的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)取得圓滿成功。其取得主要成果：①實(shí)現(xiàn)了礦井密閉開槽作業(yè)的機(jī)械化；②實(shí)現(xiàn)了小體積、大作為，能一次性完成頂、底、兩幫不同方位的開槽作業(yè)；③避免了高空作業(yè)時(shí)需搭建臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)帶來(lái)的安全隱患，保障了工作人員的安全；④避免人工操作手持式風(fēng)鎬和刨錘的強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)工人造成的傷害，降低了職業(yè)病發(fā)病率；⑤大幅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，操作人員只需通過操作液壓手柄或遙控器就可以進(jìn)行開槽作業(yè)；⑥實(shí)現(xiàn)減員提效的目標(biāo)，操作人員由每班4人減為1人即可，綜合人工工效提升在20倍以上；⑦優(yōu)化了施工工藝，實(shí)現(xiàn)了開槽作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程；⑧填補(bǔ)了煤礦井下開槽作業(yè)無(wú)機(jī)械化施工的空白。

4.2 直接經(jīng)濟(jì)效益

開槽機(jī)投入使用之前，開槽工作只能用人工作業(yè)，存在用人多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，安全隱患高，作業(yè)不規(guī)范，尤其是槽型和槽深等工程質(zhì)量難以得到保證，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化水平低。開槽機(jī)投入以后，現(xiàn)場(chǎng)的施工安全和施工質(zhì)量都得到了保障，操作人員由4人減為1人，綜合工效提升在20倍以上，效益按照目前煤礦井下最低人工工資300元/班計(jì)算：傳統(tǒng)開槽工藝人工費(fèi)用為6 000元/道；開槽機(jī)開槽工藝人工費(fèi)用為300元/道，設(shè)備配件消耗和大修費(fèi)用800元/班，共計(jì)約1 100元/道；開槽機(jī)開槽較人工開槽節(jié)約費(fèi)用為4 900元/道。一臺(tái)設(shè)備一年大約開槽在720道左右(月開槽60道)，共計(jì)節(jié)約費(fèi)用為353萬(wàn)元/臺(tái)。截至2020年底，已在神東煤炭集團(tuán)推廣使用15臺(tái)，可創(chuàng)造效益為5 300萬(wàn)元/a。

4.3 間接經(jīng)濟(jì)效益

礦用開槽機(jī)開槽實(shí)現(xiàn)了水泵槽、密閉槽、巷道修型作業(yè)的機(jī)械化施工，省人、省力、安全可靠，加快了巷道建設(shè)，間接提高掘進(jìn)進(jìn)尺和綜采回采速度，同時(shí)也避免了開槽作業(yè)給員工帶來(lái)的職業(yè)危害，降低了職業(yè)病的發(fā)病率。

5 結(jié)語(yǔ)

礦用開槽機(jī)的成功研制和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了開槽作業(yè)的機(jī)械化施工，在安全、效益、質(zhì)量、職業(yè)健康等方面均取得了良好的效果。其設(shè)備性能穩(wěn)定、故障率低，日常配件消耗量小，施工期間用人少，完全可以取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式，是煤礦井下開槽技術(shù)的一大突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)煤炭企業(yè)井下開槽作業(yè)無(wú)機(jī)械化施工的空白。目前，全球工業(yè)技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入4.0階段，隨著我國(guó)“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施和國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”要求的提出，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展已成為井工裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。此開槽技術(shù)除神東煤炭集團(tuán)以外的礦井還沒有完全推廣使用，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。神東煤炭集團(tuán)公司作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，率先在煤礦井下開槽技術(shù)方面走在了國(guó)內(nèi)前列，目前該技術(shù)成果已在神東煤炭集團(tuán)各礦井進(jìn)行了全面推廣應(yīng)用，取得了良好的效果，是神東煤炭集團(tuán)踐行“機(jī)械化替人，自動(dòng)化減人”的重點(diǎn)推廣成果，下一步將在現(xiàn)有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上加大研究的深度和廣度，向智能化方向推進(jìn)，為早日建成國(guó)際一流能源企業(yè)貢獻(xiàn)力量。