護(hù)盾式智能快掘機(jī)器人在榆北礦區(qū)的應(yīng)用

俞遠(yuǎn)鈺

[摘? ? 要]為了徹底解決采掘失衡的難題，通過(guò)與相關(guān)單位合作，榆北煤業(yè)公司率先采用了井下煤巷大斷面護(hù)盾式智能快掘機(jī)器人系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，快掘效率高、運(yùn)行平穩(wěn)，徹底破解了榆北礦區(qū)大斷面巷道掘進(jìn)難題和井下采掘失衡導(dǎo)致的生產(chǎn)接續(xù)緊張的困擾。

[關(guān)鍵詞]智能;掘進(jìn);快速

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–0–02

Application of Shield Intelligent Fast Driving Robot in Yubei Mining Area

Yu Yuan-yu

[Abstract]In order to completely solve the problem of mining imbalance and achieve the goal of mining balance， through cooperation with relevant units， the company took the lead in adopting the large section shield type intelligent fast driving robot system of underground coal roadway. Through the test， the fast driving efficiency is high and the operation is stable， which completely solved the problem of large section roadway driving in Yubei mining area and the production continuity tension caused by underground mining imbalance.

[Keywords]intelligence; driving; fast

煤礦綜采技術(shù)與裝備的快速發(fā)展推動(dòng)了煤炭產(chǎn)能大幅增加，這對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)既是機(jī)遇，同時(shí)也給安全生產(chǎn)管理帶來(lái)壓力，特別是煤巷破碎頂板掘進(jìn)中暴露出的巷道支護(hù)不及時(shí)發(fā)生冒頂片幫、掘進(jìn)效率低支護(hù)滯后、支護(hù)必停機(jī)、掘進(jìn)與支護(hù)無(wú)法平行作業(yè)等問(wèn)題，直接影響井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員人身安全，煤炭企業(yè)呈現(xiàn)出不同程度采掘失調(diào)，掘進(jìn)工程滯后影響礦井正常接續(xù)。隨著科技水平不斷進(jìn)步，安全、快速、高效已成為煤礦可持續(xù)發(fā)展的主題，為解決采掘不平衡難題，榆北煤業(yè)公司與西科大、遼寧天安、西安煤機(jī)廠等單位聯(lián)合研發(fā)了一套煤巷大斷面護(hù)盾式智能快掘機(jī)器人系統(tǒng)，并在公司所屬礦井煤巷掘進(jìn)巷道投入試運(yùn)行，經(jīng)試驗(yàn)效果良好、掘進(jìn)效率高，徹底解決了采掘失衡、掘進(jìn)與支護(hù)無(wú)法平行作業(yè)難題。

1 護(hù)盾式智能快掘機(jī)器人系統(tǒng)介紹

采用的智能快速掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)是集探、掘、支、錨、運(yùn)、破、通風(fēng)與除塵等掘進(jìn)施工的各工藝環(huán)節(jié)于一體，集智能截割、自動(dòng)運(yùn)網(wǎng)、自動(dòng)鉆錨等技術(shù)為一體，有著一鍵啟停、截割斷面精準(zhǔn)定形、定向掘進(jìn)、掘錨平行、多機(jī)器人智能協(xié)同等先進(jìn)功能，包含了巷道掘進(jìn)過(guò)程一鍵智能截割、巷道全斷面一次精準(zhǔn)成形等多項(xiàng)技術(shù)。

該系統(tǒng)總長(zhǎng)約100 m，裝機(jī)功率806.5 kW，臥底深度200 mm，適用于掘進(jìn)截割硬度≤f4，頂板中等穩(wěn)定的近水平煤層，片幫與夾矸共存的大斷面煤巷掘進(jìn)（寬4.2～6.5 m，高3.5～4.5 m），生產(chǎn)能力1000 t/h，適應(yīng)坡度±10°。

該系統(tǒng)破解了復(fù)雜地質(zhì)條件智能掘進(jìn)難題，日進(jìn)尺由30 m達(dá)到50 m，月進(jìn)尺可達(dá)1500 m，效率提高60%以上;掘進(jìn)面操作人員由18人減少至8人。大幅提高了巷道掘進(jìn)速度，有效提高了支護(hù)質(zhì)量，助推煤礦井下巷道實(shí)現(xiàn)安全、智能、快速掘進(jìn)。

2 主要組成及功能

系統(tǒng)關(guān)鍵部分由三大機(jī)器人組成，分別為護(hù)盾機(jī)器人、錨桿支護(hù)機(jī)器人、運(yùn)網(wǎng)機(jī)器人?？傮w結(jié)構(gòu)由五大系統(tǒng)構(gòu)成，分別為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)。

（1）機(jī)械系統(tǒng)主要由前后盾體、鏟板部、截割滑臺(tái)、截割部、第一運(yùn)輸機(jī)、二運(yùn)帶式輸送機(jī)及自移機(jī)尾組成。五大系統(tǒng)精確配合，協(xié)調(diào)一致，靈活完成巷道掘進(jìn)、支護(hù)、原煤運(yùn)輸作業(yè)。

①盾體作為其他功能結(jié)構(gòu)的載體，為工作人員提供安全可靠的作業(yè)空間，并對(duì)掘進(jìn)后暴露的頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。盾體為矩形斷面，斷面尺寸為高3 900 mm，寬6 400 mm，總長(zhǎng)為9 400 mm。盾體高度方向通過(guò)液壓油缸實(shí)現(xiàn)600 mm調(diào)節(jié)量，同時(shí)該油缸還擔(dān)負(fù)承載任務(wù)。盾體分前盾體和后盾體，前、后盾體設(shè)置有上下兩組推移油缸，實(shí)現(xiàn)前、后盾體的循環(huán)移動(dòng)。每個(gè)盾體由若干部分拼裝而成，盾體上還設(shè)有伸縮梁、掩護(hù)板等其他功能結(jié)構(gòu)。

②鏟板部主要由鏟板本體、五齒星輪、液壓馬達(dá)、液壓缸、扭距軸、運(yùn)輸機(jī)鏈輪軸等組成。鏟板本體呈一定角度傾斜鉸接于整機(jī)前部，兩側(cè)上表面裝有裝載裝置，鏟板兩側(cè)可通過(guò)連接在前盾底座上的油缸，實(shí)現(xiàn)張開(kāi)和縮回;鏟板主體可以通過(guò)連接在前盾底座上的油缸，實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。五齒星輪由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，無(wú)級(jí)調(diào)速，避免電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)水、減速機(jī)密封容易損壞故障。

③截割部主要功能是截割掘進(jìn)。采用橫軸截割頭，滾筒長(zhǎng)度可根據(jù)巷道寬度在6 000～6 500 mm調(diào)節(jié)，進(jìn)刀尺寸為1 000 mm，實(shí)際進(jìn)刀尺寸可根據(jù)煤質(zhì)軟硬度情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。截割時(shí)由上向下一次成型，速度快、效率高，破煤過(guò)斷層能力強(qiáng)、截割振動(dòng)小、穩(wěn)定性好。截割部由截割頭、截割臂、減速機(jī)、截割電機(jī)組成。截割頭為圓筒形，截割頭直徑為1 000 mm，在其表面分布鎬形截齒。截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩軸，帶動(dòng)截割頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)工作。截割頭與截割臂通過(guò)螺栓固定，截割臂通過(guò)固定在截割滑臺(tái)上的舉升油缸，實(shí)現(xiàn)截割臂升降，從而帶動(dòng)截割頭在煤壁從上而下截割。

④運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)采用雙電機(jī)加減速機(jī)驅(qū)動(dòng)的中間套筒滾子鏈方式，過(guò)載能力強(qiáng)，過(guò)煤量大。運(yùn)輸機(jī)溜槽采用高強(qiáng)耐磨板焊接而成，提高了整體的強(qiáng)度和耐磨性。為防止跳鏈發(fā)生，采用液壓缸漲緊技術(shù)進(jìn)行漲緊。

操作平臺(tái)緊連在后盾體上，是框架式高架平臺(tái)，在平臺(tái)上面擺放油泵電機(jī)、液壓油箱、電控箱及操縱閥等液壓、電氣元件。

⑤皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)隔爆滾筒，電動(dòng)滾筒帶動(dòng)托輥上的阻燃皮帶運(yùn)行，輸送帶采用液壓漲緊，實(shí)現(xiàn)快速過(guò)煤。

（2）液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、泵站、多路閥、油缸、液壓馬達(dá)、冷卻器、過(guò)濾器以及各膠管總成、接頭、密封件等組成。

（3）水系統(tǒng)主要由球閥、反沖洗過(guò)濾器、減壓閥、水泵、水管、管接頭和水表等組成，來(lái)水壓力為3～7 MPa，減壓閥調(diào)定壓力為2 MPa，水流量≥230 L/min。

（4）電氣系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)遙控作業(yè)，同時(shí)對(duì)截割電機(jī)、星形馬達(dá)、一運(yùn)刮板機(jī)、油泵電機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。電氣系統(tǒng)主要由PLC電控箱、遙控器、行程傳感器、壓力傳感器、照明燈、急停按鈕、甲烷傳感器及電纜等組成。

（5）通風(fēng)除塵系統(tǒng)由正壓通風(fēng)和負(fù)壓除塵兩部分組成。正壓通風(fēng)設(shè)置在盾體內(nèi)部通風(fēng)管路與巷道正壓通風(fēng)風(fēng)筒相連接，形成供風(fēng)通道。負(fù)壓除塵由礦用濕式除塵風(fēng)機(jī)來(lái)完成。除塵風(fēng)機(jī)通過(guò)骨架風(fēng)筒與設(shè)置在盾體內(nèi)部通風(fēng)管路相連，形成除塵通道，將掘進(jìn)面的粉塵通過(guò)管路吸走并處理干凈。設(shè)置在盾體內(nèi)部的兩條管路分別與正壓通風(fēng)和負(fù)壓除塵連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)面供風(fēng)和除塵的目的。

運(yùn)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在錨桿支護(hù)臺(tái)車(chē)與操作臺(tái)之間，人工將鋼絲網(wǎng)放在運(yùn)網(wǎng)平臺(tái)上，通過(guò)送網(wǎng)機(jī)器人運(yùn)至支護(hù)位置，液壓油缸將鋼絲網(wǎng)頂升至巷道頂部，利用錨桿支護(hù)臺(tái)車(chē)上的垂直、水平錨桿鉆機(jī)進(jìn)行巷道頂幫錨桿、錨索支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了巷道支護(hù)不停機(jī)、掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)。

3 工作過(guò)程

截割滾筒通過(guò)鏟板部、第一運(yùn)輸機(jī)、二運(yùn)皮帶機(jī)將截割下的原煤運(yùn)出。設(shè)置有頂、幫錨桿鉆錨支護(hù)作業(yè)平臺(tái)固定在后盾體后部，在盾體掩護(hù)下對(duì)后部巷道頂幫進(jìn)行永久支護(hù)，在截割滾筒向前掘進(jìn)時(shí)，對(duì)新暴露的巷道依靠盾體進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，通過(guò)盾體后部設(shè)置的鉆錨支護(hù)作業(yè)平臺(tái)對(duì)后部巷道頂幫進(jìn)行永久支護(hù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)和永久支護(hù)平行作業(yè)，杜絕了掘進(jìn)巷道空頂作業(yè)現(xiàn)象。

該系統(tǒng)可根據(jù)不同地質(zhì)條件和巷道斷面形狀實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道連續(xù)支撐，不僅充分滿足井下巷道綜掘、支護(hù)等作業(yè)與掘進(jìn)截割設(shè)備有效配合要求，而且完全適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件。

該系統(tǒng)將原掘進(jìn)作業(yè)掘一步一退機(jī)、頻繁交換作業(yè)模式，改變?yōu)闊o(wú)退機(jī)作業(yè)、在盾體后部進(jìn)行永久支護(hù)新模式，減少了不同工序之間交替所消耗的準(zhǔn)備時(shí)間，顯著提升了掘進(jìn)機(jī)開(kāi)機(jī)、掘進(jìn)效率。

4 優(yōu)點(diǎn)

該智能快掘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤巷快速、安全、高效掘進(jìn)要求，顯著提高了巷道掘進(jìn)效率和支護(hù)安全程度。與傳統(tǒng)掘錨一體機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）可靠性高。該機(jī)器人以安全可靠為第一目標(biāo)，液壓泵、主要液壓閥及附件、密封件、電氣元器件等均采用國(guó)際品牌。鏟板部星輪裝載機(jī)構(gòu)采用低速大扭矩馬達(dá)，對(duì)鏟板的外形結(jié)極及性能相對(duì)于橫軸掘錨機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，使其更加適應(yīng)巷道采掘的工作要求。采用全封閉油箱，確保了油液清潔度，增加了液壓系統(tǒng)可靠性。采用負(fù)荷敏感多路閥，液壓系統(tǒng)發(fā)熱量少。采用進(jìn)油、管路、回油三級(jí)過(guò)濾，有效降低液壓元件磨損。外噴霧系統(tǒng)能最大程度降塵及避免火花。柱塞泵流量增大，提高液壓系統(tǒng)動(dòng)力及各執(zhí)行元件動(dòng)力。截割滾筒截齒布置合理，破煤過(guò)斷層能力強(qiáng)、截割振動(dòng)小、工作穩(wěn)定性好。

（2）作業(yè)效率高?？蓪?shí)現(xiàn)各油缸動(dòng)作速度的變頻控制，無(wú)極調(diào)速。截割滾筒采用國(guó)際一流技術(shù)，設(shè)計(jì)單刀力大，截齒布置合理。

（3）智能化程度高。電氣系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)載、斷壓、欠壓和失壓保護(hù)功能，提高了安全保護(hù)能力，具備齊全的保護(hù)、故障診斷和排除故障方法顯示。

（4）極佳除塵效果?？蓸O大提高降塵效果，及時(shí)對(duì)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的煤塵進(jìn)行回收和噴霧滅塵，凈化了巷道，為工作人員提供良好環(huán)境。

（5）巷道精準(zhǔn)成型，工程質(zhì)量達(dá)標(biāo)。該系統(tǒng)掘進(jìn)過(guò)程中，截割滾筒工作平穩(wěn)無(wú)抖動(dòng)，加之現(xiàn)場(chǎng)頂幫穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)巷道斷面一次精準(zhǔn)成型，掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)對(duì)巷道頂幫進(jìn)行支護(hù)，達(dá)到工程質(zhì)量達(dá)標(biāo)、掘進(jìn)效率高的效果。

5 不足之處

（1）該智能快掘系統(tǒng)占用巷道斷面大，行人側(cè)空間受限，在作業(yè)人員運(yùn)送配件及材料時(shí)，空間受限可能會(huì)發(fā)生物體打擊、擠傷等事故。

（2）頂幫支護(hù)作業(yè)屬高空作業(yè)，可能存在高處墜落、錨桿鉆機(jī)纏繞衣物等風(fēng)險(xiǎn);支護(hù)過(guò)程中，空間受限。鉆機(jī)操作人員作業(yè)工序相同，人員交叉作業(yè)，操作人員因配合、協(xié)調(diào)不到位，存在意外傷害等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）維護(hù)檢修難度大，無(wú)法做到故障精準(zhǔn)定位、短時(shí)修復(fù)。由于該系統(tǒng)屬?lài)?guó)內(nèi)技術(shù)先進(jìn)設(shè)備，仍處于理論轉(zhuǎn)化為成果的試驗(yàn)階段，系統(tǒng)成果應(yīng)用仍然建立在探索和實(shí)踐基礎(chǔ)上。系統(tǒng)本身存在一些設(shè)計(jì)缺陷，加之作業(yè)人員操作不當(dāng)?shù)纫自斐上到y(tǒng)故障，檢修人員水平不高，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確判斷故障。廠家暫時(shí)無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行修改，這對(duì)快掘系統(tǒng)后期平穩(wěn)運(yùn)行是一大考驗(yàn)。

（4）配件單一，等待及更換配件時(shí)間較長(zhǎng)。該智能快掘系統(tǒng)至少由4家單位合作研發(fā)、制造而成，組裝配件由多個(gè)廠家提供。一旦機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)生配件故障或損壞需更換時(shí)，礦井及廠家無(wú)配件或配件不足，將導(dǎo)致該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，嚴(yán)重制約巷道月度單進(jìn)水平。

（5）該機(jī)器人系統(tǒng)如截割部、前后盾體等，體積大、重量重，若此類(lèi)大件發(fā)生故障需拆卸維修，難度非常大。①人員檢修空間受到很大限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多人配合拆卸，效率低;②拆除件屬大件設(shè)備，拆除后如何從工作面運(yùn)至裝車(chē)點(diǎn)值得思考;③大件在起吊過(guò)程中起吊點(diǎn)和起吊設(shè)備選擇又是一大難題。

（6）目前該機(jī)器人系統(tǒng)處于試驗(yàn)階段，作業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)操作不熟練，對(duì)系統(tǒng)原理未充分掌握，對(duì)系統(tǒng)故障精確判斷、維護(hù)保養(yǎng)和故障處理更是短板，嚴(yán)重制約機(jī)器人系統(tǒng)功能充分發(fā)揮。需邀請(qǐng)廠家技術(shù)人員常駐礦井，經(jīng)常對(duì)操作、技術(shù)人員進(jìn)行理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)授課培訓(xùn)，努力提高作業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和專(zhuān)業(yè)技能，為該系統(tǒng)功能充分發(fā)揮提供技術(shù)保障和支持。

6 結(jié)論

該護(hù)盾式智能快速掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在國(guó)內(nèi)屬先進(jìn)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)不停機(jī)、掘進(jìn)與永久支護(hù)同步作業(yè)，運(yùn)行效果平穩(wěn)，掘進(jìn)效率高。能實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)超前的目的，徹底破解了礦井采掘失衡難題，非常適合在陜北礦區(qū)大斷面煤巷及半煤巖巷巷道掘進(jìn)工程中的推廣應(yīng)用。

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