煤礦單體液壓支柱及π型梁自動拆裝關(guān)鍵裝備設(shè)計研究

魏紅亮

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司，山西 長治 046204)

煤礦綜采工作面用單體液壓支柱通常簡稱為單體柱，在綜采工作面超前支護區(qū)域、沿空留巷滯后支護區(qū)域中具有重要的作用。

煤礦井下單體柱的打設(shè)與拆卸通常由人工完成，首先由專門的單體柱支護工將單體液壓柱、π型頂梁運送至工作地點；安裝單體柱時，先將π型頂梁抬起，再將單體液壓柱扶正頂在π型頂梁中間，然后升起單體液壓柱將π型頂梁頂升到巷道頂面鐵絲網(wǎng)處，人工用鋼絲將其綁在頂面鐵絲網(wǎng)處，將其掛在巷道頂面，待頂起3個π型頂梁后，依次安裝各單體液壓柱。安裝單體液壓柱時先由工人將其扶正，升起單體液壓柱，調(diào)整位置將π型頂梁頂在巷道頂面，隨后依次完成其余各單體液壓柱的立起、頂升。工作流程繁瑣、效率低下，且存在一定的安全隱患[1]。

隨著開采技術(shù)的不斷進步，很多礦井在回采過程中采用了沿空留巷技術(shù)，提高了煤炭回收率，但沿空留巷工藝保留巷道需要進行較長距離的滯后支護，因此單體柱拆裝工作量增大。

目前，國內(nèi)外尚沒有單體液壓支柱自動拆裝的相關(guān)專利及設(shè)備，工人進行支護作業(yè)時，大都采用同樣的工藝流程。因此，研究支護作業(yè)施工的智能化具有一定的前瞻性和創(chuàng)新性。

1 裝備設(shè)計思路

1.1 實現(xiàn)功能

1) 可實現(xiàn)單體液壓柱的抓取、旋轉(zhuǎn)；

2) 可實現(xiàn)π型頂梁的抓取、托舉；

3) 可實現(xiàn)單體液壓柱和π型頂梁的搬運功能。

1.2 性能需求

1) 因為其作業(yè)環(huán)境為井下高瓦斯環(huán)境，整套裝備須滿足煤安防爆要求；

2) 車輛駕駛須符合井下巷道作業(yè)要求，并且具有較好的爬坡和路面適應(yīng)能力。

1.3 項目的創(chuàng)新點

在煤礦井下巷道狹窄作業(yè)空間里，實現(xiàn)支護作業(yè)機械化和自動化施工。在沿空留巷支護作業(yè)中，進行施工少人化、無人化探索，為智慧礦山的構(gòu)建邁出新的步伐。

2 作業(yè)車結(jié)構(gòu)組成及功能

2.1 作業(yè)車組成

作業(yè)車主要由升降裝置、夾持裝置、助力機械手、履帶底盤、車身、動力機組、駕駛臺及控制系統(tǒng)組成，見圖1.

圖1 單體液壓支柱及π型梁自動搬運、拆裝作業(yè)車結(jié)構(gòu)示意(mm)

1) 升降裝置由框架、升降座、導(dǎo)向裝置、升降油缸、擺動油缸等組成，其作用是將頂梁舉升到安裝高度。

2) 夾持裝置安裝在升降裝置的升降座上，保證頂梁在上升過程中位置固定、不晃動。它由夾持座、夾頭、導(dǎo)向機構(gòu)、夾緊油缸及調(diào)平機構(gòu)等組成。

3) 助力機械手完成單體柱在鋪設(shè)和拆卸過程中的快速移動、定位以及單體柱上、下作業(yè)車。它由立柱、機械臂、機械手、控制盤、夾緊氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、平衡氣缸及空壓機、電源等組成。

4) 車身安裝在履帶底盤上作為各功能部件的載體,由車架和配重組成。

5) 駕駛臺由操縱臺、操縱手柄、電器開關(guān)、監(jiān)控面板及駕駛座椅組成。駕駛座椅可根據(jù)操作手的要求進行調(diào)整。

6) 履帶底盤由底盤支架、驅(qū)動輪(含馬達和減速機)、引導(dǎo)輪、支重輪、拖鏈輪、橡膠履帶及張緊機構(gòu)組成。

7) 動力機組由柴油發(fā)動機、液壓泵、液壓油箱、燃油油箱、控制閥、蓄電池、電器控制箱、散熱器等組成，為作業(yè)車作業(yè)和行駛提供動力。

8) 控制系統(tǒng)由燃油控制器、馬達調(diào)速器、油門控制器、油泵控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、電磁閥、液壓管路、電路及照明燈具等組成。

控制內(nèi)容包括：①發(fā)動機與油泵的功率匹配；②發(fā)動機自動暖機和防止過熱；③發(fā)動機快速增強功率；④蓄電池電量管理；⑤空壓機自動啟停；⑥作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)啟停及速度；⑦行走機構(gòu)啟停及速度；⑧轉(zhuǎn)向機構(gòu)啟停及速度；⑨照明；⑩駐車鎖定。

2.2 作業(yè)車功能

1) 頂梁及單體柱鋪設(shè)。如圖2所示，作業(yè)車到達作業(yè)位置后，工人將置于車身一側(cè)的頂梁抬下，至車前橫轉(zhuǎn)90°，將其放在夾持裝置內(nèi)；啟動夾緊油缸回縮，夾緊機構(gòu)將頂梁定位夾緊。啟動升降油缸，升降裝置將頂梁舉升至安裝位置；工人在梯架上用鐵絲將頂梁固定在巷道頂部的鋼筋網(wǎng)上；啟動夾緊油缸外伸，松開頂梁，升降裝置下降回位。如此，完成一個頂梁的鋪設(shè)。接著，工人手持助力機械手控制盤，推動機械臂轉(zhuǎn)動至車身另一側(cè)，通過控制盤上的按鈕操縱機械手夾持單體柱；上提機械臂，單體柱呈水平裝態(tài)離開車身后，操縱控制盤使單體柱旋轉(zhuǎn)90°，呈豎直狀態(tài)；推送單體柱至規(guī)定位置著地，墊平單體柱底部；用軟管連接單體柱，向單體柱輸入乳化液至規(guī)定壓力。如此，分別完成頂梁兩端的單體柱的鋪設(shè)。按此步驟，在初步完成一定數(shù)量支護(一梁兩柱)的鋪設(shè)后，依次完成各梁中部單體柱的鋪設(shè)，最終實現(xiàn)一梁三柱的支護。

圖2 單體液壓支柱及π型梁自動搬運、拆裝作業(yè)車在平坦路面上作業(yè)(mm)

當(dāng)遇到傾斜路面時，如圖3所示，夾持裝置自帶、調(diào)平機構(gòu)，升降裝置前后方向俯仰，履帶車有前后左右移動功能，使得頂梁具備6個自由度，能夠在各種傾斜路面實現(xiàn)快速調(diào)平，保證鋪設(shè)作業(yè)順利進行。

圖3 單體液壓支柱及π型梁自動搬運、拆裝作業(yè)車在傾斜路面上作業(yè)

2) 頂梁及單體柱拆卸。頂梁及單體柱的拆卸與鋪設(shè)的動作相同，順序相反。

3) 頂梁及單體柱搬運。頂梁及單體柱分置在車身兩側(cè)固定，每次可搬運2梁4柱。

2.3 作業(yè)車性能

1) 操控性。作業(yè)車采用液壓驅(qū)動，動力輸出平穩(wěn)，通過調(diào)節(jié)液壓油流量可以方便地控制運動機構(gòu)的執(zhí)行速度。車上設(shè)置駕駛臺，作業(yè)人員在駕駛座椅上通過手柄操作，操控性能良好。

2) 行駛性。作業(yè)車裸車(不帶頂梁和單體柱)尺寸為：長3.4 m、寬1.4 m、高2.7 m，符合巷道通行條件。轉(zhuǎn)向半徑1.7 m，可以在巷道內(nèi)調(diào)頭，為施工作業(yè)提供了良好條件。

作業(yè)車設(shè)計自重約2.7 t，全重約3.4 t(每次搬運工件0.7 t)，選用承載3.5 t的橡膠履帶底盤及功率相匹配的柴油發(fā)動機，動力充足，爬坡能力強，行駛噪音小。

3) 安全性。按照國家標準《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》, 確定井下高瓦斯環(huán)境的危險等級，再依據(jù)危險等級進行相應(yīng)的“電氣設(shè)備的選擇、電氣設(shè)備的安裝、電氣線路的設(shè)計以及接地設(shè)計”，在作業(yè)車制造上，嚴格按照煤礦井下產(chǎn)品質(zhì)量保證體系，對采購、加工、裝配、調(diào)試、實驗各環(huán)節(jié)全面監(jiān)控。

3 存在的問題

1) 作業(yè)車柴油燃料加油距離較遠，本身輔助運輸不便。單體液壓支柱及π型梁自動搬運、拆裝作業(yè)車的主要作業(yè)地點為煤礦綜采工作面，距離井下柴油加油硐室遠，考慮到作業(yè)車體積較小，燃油箱容量有限，還需考慮由其他井下運輸車輛將作業(yè)車運輸?shù)骄C采工作面，涉及到轉(zhuǎn)載和換裝。

2) 作業(yè)車機械臂旋轉(zhuǎn)和托舉過程中，可能受到異物的干擾。煤礦綜采工作面巷道支護中外露的錨桿和錨索，巷道變形，處理巷道變形而搭設(shè)的大板和木垛，巷幫敷設(shè)的電纜、水管、瓦斯管路，都將對作業(yè)車的旋轉(zhuǎn)、托舉、升降等造成影響。

4 結(jié) 語

煤礦單體液壓支柱及π型梁自動拆裝設(shè)備的投入使用，使支護工作用工從9人降至3人，單個工作面每年能節(jié)約人工費用90萬元，支護作業(yè)用時減少一半。在現(xiàn)有井下采煤工藝不變的前提下，綜采工作面兩巷采用單體液壓支柱+π型梁支護短時間內(nèi)還無法改變，該裝置的應(yīng)用可減輕勞動強度、提高作業(yè)效率。