新型礦用巷道修復(fù)機(jī)研發(fā)與應(yīng)用

崔晉鋒

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048000）

引言

近年來隨著礦井采掘深度的不斷增加和支護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，深部復(fù)用巷道圍巖變形控制已成為制約礦井生產(chǎn)銜接的主要難題。以岳城煤礦為例，該礦巷修一般采用人工挑頂、風(fēng)鎬破碎等傳統(tǒng)方法來維護(hù)巷道，不但效果不理想，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還極易引發(fā)生冒頂、區(qū)域瓦斯突出等重大事故。因此，研制出一種專門用于煤礦巷道圍巖修復(fù)治理施工的專業(yè)化裝備顯得尤為重要。

1 現(xiàn)場概況

岳城煤礦為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)下屬礦井，主采3 號(hào)、15 號(hào)煤層。巷道斷面為矩形斷面，寬度設(shè)為4 500 mm，高為3 500 mmm，凈寬為4 300 mm，凈高為3 350 mm。受工作面回采影響，礦井巷道底鼓、幫鼓需經(jīng)常進(jìn)行巷修施工，主要是起底、擴(kuò)幫等工作，巷修作業(yè)大多集中在復(fù)用巷道。

經(jīng)過初步調(diào)研，將巷修過程中存在的主要問題歸納如下：

1）施工工程量大。巷道變形嚴(yán)重，部分底鼓達(dá)到1 m 多深，2 m 多寬，起底與運(yùn)輸工程量大，僅僅使用現(xiàn)有裝備無法滿足巷修要求[1]。

2）安全環(huán)境差。目前多采用人工作業(yè)，人員密集，破碎、運(yùn)輸各環(huán)節(jié)均存在安全隱患，給安全生產(chǎn)帶來一定壓力。而且放炮存在諸多隱患，容易引起事故。

3）輔助設(shè)備多。井下巷道維修需要進(jìn)行挑頂、擴(kuò)幫和起底等作業(yè)，需要不同的輔助設(shè)備，造成人員和資源占用較多，工效低。

2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述問題，擬設(shè)計(jì)一種新型礦用多功能巷道起底裝備，該機(jī)集起底、破煤、擴(kuò)幫、搭臺(tái)、裝卸功能于一體，可以對(duì)煤礦井下巷道底板鼓起及巷道變窄進(jìn)行破碎、挖掘、裝卸、臥底清運(yùn)、刷幫等修復(fù)作業(yè)。綜合現(xiàn)有調(diào)研的情況，機(jī)組的基本參數(shù)初步確定為：

1）根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，人工起底效率為2 m3/工，按照3 倍計(jì)算選用進(jìn)口阿特拉斯SB452 破碎錘，適配機(jī)型重量為7～13 t[2]。

2）根據(jù)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，機(jī)組結(jié)構(gòu)分為主機(jī)部、尾部組焊件、副油箱組件、駕駛臺(tái)組件、動(dòng)力臂擺動(dòng)座、伸縮動(dòng)力臂組件、中間連接部組件、快換裝置、作業(yè)部件等組成，整機(jī)寬不超1.2 m，總重不超過10 t，功率不超70 kW。

3）比照井下履帶行走設(shè)備，初步確定行走速度為1 m/s，根據(jù)機(jī)身質(zhì)量，選定行走部參數(shù)，確定馬達(dá)排量、工作壓力、減速器速比、驅(qū)動(dòng)鏈輪直徑等，確定爬坡能力為15°。

4）根據(jù)井下巷道斷面尺寸，為了適應(yīng)絕大多數(shù)礦井，保證順利挑頂和刷幫，機(jī)組的最大挖掘高度初定為2 100 mm，最大水平切削半徑定為2 800 mm。

5）破碎工況下，為保證堅(jiān)硬的砂巖的破碎，破碎錘的工作壓力需達(dá)到7 MPa 以上。

擬研發(fā)的多功能巷道修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 巷道修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)

主機(jī)是一個(gè)穩(wěn)固的整體鋼板焊接結(jié)構(gòu)，布置在機(jī)組的下部位置。它的前部通過銷軸與動(dòng)力臂擺動(dòng)座相連，后部通過螺栓與尾部組件相連，上部是駕駛臺(tái)及副油箱組件，兩側(cè)與行走部相連，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)部結(jié)構(gòu)圖

如圖，主油箱位于履帶行走機(jī)構(gòu)之間的機(jī)架內(nèi)，行走部內(nèi)側(cè)擋板為油箱左右隔板，前部凹槽內(nèi)后面板和尾部面板為油箱前后隔板，整體焊接成廂型結(jié)構(gòu)。主油箱內(nèi)部左右兩側(cè)斜向焊接了兩根Φ108 mm×1 300 mm 的圓鋼管，方便液壓管路、控制電纜從機(jī)組尾部向機(jī)頭安裝[3]。油箱尾部隔板設(shè)有吸油法蘭，此外前后隔板各設(shè)置了規(guī)格不一的回油接口，方便液壓管路就近回油。其中前后部分回油口通過鋼管焊接成一條主回油管路向主油箱上端面伸出，與副油箱回油過濾器連通。

3.2 動(dòng)力臂

動(dòng)力臂結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 動(dòng)力臂結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)力臂結(jié)構(gòu)如圖3 所示，動(dòng)力臂伸縮油缸布置于內(nèi)管組件內(nèi)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)外管組件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了作業(yè)裝置的伸縮；內(nèi)管組件在導(dǎo)向輪組件以及調(diào)整輪組件上下左右四個(gè)方向的約束下，于外管組件內(nèi)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)向輪組件布置于外管組件的底部兩端以及右側(cè)兩端，由導(dǎo)向輪、定位銷、緊定螺釘以及外殼組成；調(diào)整輪組件布置于外管組件的頂部兩端以及左側(cè)兩端，由偏心輪、定位銷、緊定螺釘、安全板以及外殼組成。調(diào)整輪組件為偏心結(jié)構(gòu)，當(dāng)伸縮臂內(nèi)外管間隙過大時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)相應(yīng)位置的偏心輪，對(duì)內(nèi)管組件進(jìn)行橫向及縱向的調(diào)整。調(diào)整步驟為：打開相應(yīng)調(diào)整輪組件外殼蓋板及安全板，向?qū)捥幮D(zhuǎn)偏心輪直至其與內(nèi)管達(dá)到合適位置，擰緊緊定螺釘并固定好安全板，最后合上蓋板進(jìn)行檢驗(yàn)調(diào)試。

3.3 快換裝置

快換裝置是一種快速更換作業(yè)裝置的連接裝置，它的內(nèi)部配備了自動(dòng)管路連接裝置。通過快換裝置，只需要將作業(yè)裝置掛在快換裝置的掛鉤上，通過抬起作業(yè)裝置，依靠自重就可完成裝配。通過操作鎖緊油缸，就可將快速裝置的液壓管路與作業(yè)裝置連通，開啟新的作業(yè)模式，主要結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 快換裝置結(jié)構(gòu)圖

如圖4，快換裝置內(nèi)有四條液壓管路，包括作業(yè)裝置執(zhí)行油缸的進(jìn)油管、回油管、噴水降塵管以及卸油管。通過對(duì)快換裝置鎖緊閥的控制，四條液壓管路與作業(yè)裝置的相應(yīng)四條管路相接通，從而在主機(jī)駕駛臺(tái)上就可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)裝置相關(guān)功能的操作。

3.4 液壓系統(tǒng)

修復(fù)機(jī)由55 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載敏感泵提供油源動(dòng)力，通過熱交換器進(jìn)行水冷卻。液壓系統(tǒng)的工作流程為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵進(jìn)行工作，液壓油經(jīng)安全閥后分為兩股，一股為高壓油，經(jīng)吸油過濾器進(jìn)入了三聯(lián)閥及六聯(lián)閥，另一股為低壓油，經(jīng)減壓閥降壓后，流入液壓啟動(dòng)開關(guān)。如啟動(dòng)開關(guān)閉鎖，先導(dǎo)油路無法進(jìn)入控制手柄及換向閥，此時(shí)機(jī)組無法進(jìn)行任何操作。只有打開液壓啟動(dòng)開關(guān)，先導(dǎo)油路進(jìn)入控制元件，才能操縱三聯(lián)閥及六聯(lián)閥驅(qū)動(dòng)執(zhí)行油缸完成相應(yīng)功能動(dòng)作。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及結(jié)論

巷道修復(fù)機(jī)于2019 年10 月17 日至2020 年5 月31 日在岳城礦13081 巷進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，共計(jì)擴(kuò)幫351 m，起底873.4 m。通過井下工業(yè)性試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，尺寸小，適合在巷道狹窄的情況下進(jìn)行巷道起底，出矸系統(tǒng)簡單，利用側(cè)卸車配合出矸效率高，巷修機(jī)行走情況良好，對(duì)于小坡度和坑洼處起底適應(yīng)性強(qiáng)。

2）巷道修復(fù)機(jī)各作業(yè)部件均能滿足施工要求，使用巷修機(jī)維護(hù)巷道提高了工效，安全性好。

3）設(shè)備操作簡單，操作人員易于掌握，用人少，人工成本低。

4）實(shí)現(xiàn)了械化起底作業(yè)，大幅減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。