護盾式掘進機的設計與應用

張 星，周建龍，鞏孔正，李 軍

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安 710200）

引言

掘進是煤礦生產的核心環(huán)節(jié)之一，對礦井安全、生產布局和開采效率影響重大。隨著重點煤礦高效集約化的深入，對巷道掘進進尺需求大幅增加。適用于大斷面一次成巷的掘錨系統(tǒng)已經普遍應用于煤礦生產，而煤礦掘進面掘錨不同步、錨護時間長、掘進隊伍龐大、空頂距要求嚴格等問題突出，已成為制約礦井安全、高效、集約化生產的共性關鍵問題。

掘錨成套裝備是適用于高產高效礦井煤礦巷道快速掘進的掘錨一體化設備，主機是全斷面橫軸掘進機，后配鉆錨、運輸及除塵等設備，護盾式掘進機將橫軸掘進機與護盾式臨時支護有機地組合起來，減少掘進過程中產生的空頂距，采用邁步式移動方式，設計的滑臺裝置與配套的鉆錨機組相配合，在一個截割步距內完成掘錨工序，適用范圍廣、掘進效率高，可實現(xiàn)掘錨同步，在煤礦巷道快速掘進、提高錨桿支護效果及促進安全生產等方面具有很大的優(yōu)勢[1-3]。

1 護盾式掘進機的總體設計

護盾式掘進機主要由截割機構、裝載機構、運輸機構、滑臺機構、前護盾、后護盾、超前探鉆機、液壓系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、水系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等組成，可配套鉆錨機、帶式轉載機、自移機尾和智能控制中心等，可實現(xiàn)掘進面的截割、支護和煤巖的連續(xù)運輸?shù)纫?，以及實現(xiàn)掘錨同步、分段支護、連續(xù)轉運、高效除塵、集控與協(xié)同控制等功能于一體的智能化快速掘進系統(tǒng)，促進安全、高效、智能、快速掘進[4]。

根據小保當煤礦的需求，定制研發(fā)適應于大斷面膠運順槽（截割斷面寬度6.5 m、高度4.3 m）的掘進機，相關參數(shù)要求如下：

截割寬度6～6.5 m、截割高度3～4.4 m，截割功率270 kW，接地比壓0.28 MPa，前護盾和后護盾，系統(tǒng)壓力25 MPa，濕式除塵+泡沫除塵，隔爆兼本質安全型電控系統(tǒng)。

除塵系統(tǒng)選用負壓除塵，將風機電機布置在機尾，用風筒延伸至掘進端，另一側也布置有風筒，為巷道進風，由于護盾為全斷面包圍式結構，因此風筒可在盾體內上方沿兩側布置。

2 盾體的設計

盾體分為前后兩部分，通過銷軸連接到前后底座上，底座兩側設計有推移油缸，在前后盾體的頂部也設計有兩個推移油缸，前底座上設計有滑臺裝置，液壓平臺及電控裝置設置于后底座，通過四個推移油缸可實現(xiàn)盾體的前進。

盾體兩側的設計為分體結構，通過油缸可實現(xiàn)上下運動，具體過程為：前盾體離頂，后盾體撐頂，推移油缸前伸，推動前盾體前移，接著前盾體撐頂，后盾體離頂，推移油缸拉動后盾體前進，繼而完成一個步距，此過程頂部兩個油缸會發(fā)生傾斜受拉，因此在前后盾體落差值上會設置一個范圍，當落差值接近設定值時系統(tǒng)報警。另外，盾體兩側內部也設有油缸傳感器，以此來檢測前后盾體的落差。

盾體底部也分前后兩部分，前底板安裝鏟板部和滑臺裝置，鏟板寬度與截割寬度相匹配，為方便井下運輸和安裝，特將鏟板兩側設計為可伸縮式，并設計限位裝置，后底板安裝液壓操作平臺及電控系統(tǒng)。運輸機橫跨前后盾體，前端與鏟板內側鉸接，向后沿滑臺底座朝上傾斜，一運刮板采用中單鏈結構，在龍門處設計有破碎裝置，防止大塊煤掉落后卡鏈，后底座上設計有二運連接裝置，可配合一運將煤巖從后側運出。

為保證巷道成型質量，將盾體前端兩側和頂部伸縮板前端均設計為尖齒形，可以去除煤壁兩次高點，為之后的錨護創(chuàng)造良好條件。另外，在后盾體底座上設計有抬底油缸，目的是防止底板浮煤較多時導致底板起伏，盾體前進困難。

根據小保當煤礦賦存地質條件下的快速掘進裝備的支護工藝要求，錨桿的間排距為1 m，因此，設計推移油缸行程為1 m。

截割時，機組配備的濕式除塵和泡沫降塵裝置使工作面除塵率達到98%以上，司機可站在盾體內側，使用遙控操作，視線好而且安全。

3 滑臺的設計

為滿足掘錨同步的要求，在前盾體底座上設計有滑臺裝置，將截割部安裝到滑臺上，通過兩個導向柱和滑臺推移油缸實現(xiàn)機組不動時截割部前進割煤。

為保證支護要求，滑臺油缸行程也是1 m，截割時，截割部抬起，油缸推動滑臺帶動截割前進進刀，然后截割下降割煤，截割降到地面后，滑臺油缸收回，截割拉底煤，完成一個截割動作?；_兩側各裝有一套超前鉆探，滿足“逢掘先探”的要求。當遇到有夾矸或硬煤時，進刀量可適當減少。

截割滾筒寬6～6.5 m，可實現(xiàn)巷道斷面一次成型，配合同等寬度尺寸的鏟板，保證落煤的連續(xù)裝運。

4 應用

首臺研發(fā)的大斷面橫軸護盾式掘進機，用于小保當煤礦112204 膠運順槽長度為6 300 m，設計在2-2煤層中，該煤層賦存于延安組第四段頂部，平均煤厚5.55 m，以厚煤層為主，采用沿底掘進方式，并預留300 mm 的底煤。

經過初步應用，日進尺40 m，操作安全性高、故障率小，能夠實現(xiàn)掘錨同步。后配套的鉆錨機組高效快速、鉆孔位置準確，經過后期磨合，日進尺穩(wěn)產50 m以上，達到快速掘進的設計目的。新研發(fā)投入的國產大斷面橫軸式掘錨機，可有效降低我國在大斷面煤巷快速掘進裝備方面對國外產品的依賴，降低整機購置、配件及服務成本、縮減配件工期。同時，提升了我國高端煤機研發(fā)與制造的技術水平，對于智能煤礦、智慧礦區(qū)的建設起到技術與裝備支撐作用。