黃陵二礦輔運巷快速掘進(jìn)系統(tǒng)裝備研究

張宏升,高文博,馬曉博,鮑銀輝

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

隨著煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)械化程度的提高,錨桿、錨網(wǎng)支護(hù)速度難以適應(yīng)快速掘進(jìn),這在一定程度上制約著煤礦巷道掘進(jìn)速度[1-2]。常用的掘進(jìn)與支護(hù)組合方式有連續(xù)采煤機(jī)配錨桿鉆機(jī)、掘進(jìn)機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)、掘錨一體機(jī)等[3-4]。

目前煤礦井下巷道掘進(jìn)常常受到高地應(yīng)力的影響,加上機(jī)械掘進(jìn)的影響,巷道圍巖完整性較差[5-6]。在這種情況下,使用連續(xù)采煤機(jī)配錨桿鉆機(jī)時,通常需要采取短掘短支的支護(hù)模式,限制了掘進(jìn)速度[7-8];使用掘進(jìn)機(jī)配單體錨桿鉆機(jī)時,輔助作業(yè)難度較大、機(jī)械化程度低、掘進(jìn)速度較慢[9-10]。錨掘一體機(jī)掘進(jìn)、支護(hù)的自動化水平較高,在開挖完成后無需后退,就能完成圍巖支護(hù),對于地質(zhì)條件的適應(yīng)性較強(qiáng)[11-14]。黃陵煤礦215輔運巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)條件比較復(fù)雜,圍巖破碎區(qū)域較多,在巷道掘進(jìn)過程中采用基于智能控制的掘錨一體機(jī),實現(xiàn)了巷道的快速掘進(jìn)與支護(hù),且降低了工人工作量,提高了掘進(jìn)安全性。

1 巷道概況

黃陵煤礦215輔運巷煤層厚度2.7～3.6 m,平均厚度為3.0 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單,含0～3層夾矸,煤層傾角0°～4°,平均傾角2°。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。巷道掘進(jìn)工作面為矩形設(shè)計,掘?qū)?.6 m,掘高3.8 m,面積17.48 m2。已有地質(zhì)材料及鄰近回采面揭露顯示,215輔運巷掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)存在多處斷層,且圍巖較為松軟、破碎,巷道掘進(jìn)時容易出現(xiàn)片幫、圍巖變形量大等問題,煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 快速掘進(jìn)系統(tǒng)

快速掘進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示。適應(yīng)巷道寬度不小于5.2 m。適應(yīng)巷道高度不小于3.8 m。膠帶搭接行程約為20 m。系統(tǒng)總長約為100 m。電壓等級為1 140 V。該系統(tǒng)實現(xiàn)了掘進(jìn)工作面掘進(jìn)、支護(hù)、運輸全工序機(jī)械化連續(xù)作業(yè);皮帶輸送機(jī)拉移次數(shù)降低,實現(xiàn)了巷道掘進(jìn)快速推進(jìn)。有助于增強(qiáng)巷道粉塵綜合治理,改善作業(yè)環(huán)境。智能化技術(shù)助推綜掘工作面實現(xiàn)安全、減人、增效掘進(jìn)。

圖1 快速掘進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 Rapid tunneling system

配套設(shè)備包括EBZ260M-2掘錨機(jī),作用是完成巷道掘進(jìn)、出料及頂錨桿的支護(hù);CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車,作用是完成滯后錨桿、錨索的補強(qiáng)支護(hù);可彎曲皮帶轉(zhuǎn)載機(jī),作用是與邁步自移機(jī)尾重合搭接,保障連續(xù)掘進(jìn);DWZY800/1200邁步自移機(jī)尾,作用是機(jī)尾可自移,自動延伸帶式轉(zhuǎn)載機(jī);干式除塵系統(tǒng)(選配),作用是控制及處理工作面粉塵;智能控制系統(tǒng),作用是對系統(tǒng)裝備進(jìn)行系統(tǒng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1 EBZ260M-2掘錨機(jī)

掘錨機(jī)如圖2所示。掘錨機(jī)的長×寬×高為14.0 m×3.4 m×2.1 m;鏟板寬度為3.6 m;截割功率為260 kW;履帶板寬度為650 mm;可截割硬度不大于90 MPa;機(jī)載錨桿鉆機(jī)2臺;機(jī)重100 t;鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為315 N·m;定位可掘最大高度5.0 m;鉆箱額定轉(zhuǎn)速為600 rpm;定位可掘最大寬度為6.1 m;鉆箱最大進(jìn)給長度為1 820 mm。

圖2 EBZ260M-2掘錨機(jī)Fig.2 EBZ260M-2 excavating and anchoring machine

掘錨機(jī)特點:機(jī)身兩側(cè)為鉆機(jī)系統(tǒng),機(jī)身上方為操作臺。錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)軌道為整體鑄造式。通過電液遙控控制錨桿鉆機(jī)系統(tǒng),適應(yīng)不同狀況巷道全斷面支護(hù)。通過機(jī)械化作業(yè)完成錨桿、錨索支護(hù),增加臨時支護(hù)裝置,提高人員作業(yè)安全、降低勞動強(qiáng)度,避免打孔時人員淋水,降低噪音,改善人員作業(yè)環(huán)境。

2.2 CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車

鉆車如圖3所示。適應(yīng)巷道寬度范圍為5 300～6 900 mm;適應(yīng)巷道高度范圍為3 500～5 500 mm;行走方式為履帶行走;行走速度范圍為0～10 m/min;爬坡能力范圍為±10°;接地比壓為0.15 MPa;鉆臂數(shù)量為5個;鉆箱最大扭矩為310 N·m;除塵方式為濕式;電氣系統(tǒng)電壓1 140 V;煤礦用錨桿鉆車采用跨騎式結(jié)構(gòu),履帶行走,可彎曲皮帶機(jī)從鉆車下方穿過;各個鉆臂獨立平行作業(yè),可同時進(jìn)行頂板和側(cè)幫支護(hù),支護(hù)效率高;緊湊型、模塊化跨騎式機(jī)身結(jié)構(gòu);復(fù)雜機(jī)身結(jié)構(gòu)條件下除塵風(fēng)道集成。

圖3 CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車Fig.3 CMM5-30Y straddling anchor rod drilling vehicle

2.3 可彎曲皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)

轉(zhuǎn)載機(jī)運輸距離約為54 m;膠帶寬度為1 000 mm;驅(qū)動功率為2×45 kW;運輸能力最大為1 600 t/h;帶速范圍為0～4 m/s;膠帶張緊行程為1 800 mm;膠帶張緊方式為液壓油缸自動張緊;水平最小可彎半徑為10 m;驅(qū)動形式為電動滾筒;調(diào)速方式為變頻調(diào)速;可實現(xiàn)移動式的彎曲運輸,移動采用被動牽引,皮帶架下方布置膠輪和獨立的油氣懸掛機(jī)構(gòu);動力站通過液壓馬達(dá)+減速器+銷齒銷排機(jī)構(gòu)在邁步剛性架上行走,可拖動可彎曲膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)后退;動力站的操作帶遙控功能,動力站的移動和膠帶的啟停可遙控操作。

2.4 DWZY800/1200邁步自移機(jī)尾

自移機(jī)尾如圖4所示。裝機(jī)功率為55 kW;外形尺寸為21 290 mm×2 290 mm×835 mm;整機(jī)重量約為22 t;供電電壓為1 140/660 V;移動方式為無反復(fù)撐頂自移式;適應(yīng)帶寬為800 mm;運輸能力為800 t/h;搭接行程為10 m、14 m、17 m、20 m;推移行程為1 200 mm;側(cè)移油缸行程為120 mm;抬升行程為250 mm;適應(yīng)變坡角度小于<8°;自帶動力源,可自適應(yīng)巷道的起伏變化;無需退機(jī)拉移、打地錨,可實現(xiàn)機(jī)身自移;無需反復(fù)撐頂即可實現(xiàn)整機(jī)的抬升、推移、調(diào)偏;可布置移變、電纜車、材料車等,減少輔助設(shè)備拖移工序;可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作。

圖4 DWZY800/1200邁步自移機(jī)尾Fig.4 DWZY800/1200 walking self-moving machine tail

2.5 干式除塵系統(tǒng)

干式除塵系統(tǒng)如圖5所示。處理風(fēng)量為600 m3/min(偏差不超過8%);適應(yīng)巷道面積不大于24 m2;電壓為660/1 140 V;風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為2×55 kW;排灰電機(jī)功率為0.75 kW;外形尺寸(含風(fēng)機(jī))不大于12.0 m×1.4 m×1.2 m;總粉塵除塵效率不小于99.5%;呼吸性粉塵除塵效率不小于99%;濾袋形式為旁插扁框濾袋;壓縮空氣消耗量不大于3.5 m3/min;壓縮空氣壓力不大于0.45 MPa;整機(jī)質(zhì)量不大于6 700 kg。

圖5 干式除塵系統(tǒng)Fig.5 Dry dust-removing system

干式除塵風(fēng)機(jī)類型為扁框濾袋式干式除塵風(fēng)機(jī),濾布類型為扁框無龍骨。濾布采用旁插結(jié)構(gòu),濾布在設(shè)備一側(cè)進(jìn)行拆裝,方便現(xiàn)場維護(hù)。清灰方式為采用時序式的全自動連續(xù)清灰,無需人工操作。

2.6 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)有6大功能:①本機(jī)、視距、超視距、地面控制;②邊界標(biāo)定、記憶切割;③工作人員安全管控;④工況監(jiān)測、故障診斷;⑤慣性導(dǎo)航系統(tǒng);⑥集中供電、時頻監(jiān)控。

實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾一鍵遠(yuǎn)程智能控制,掘進(jìn)機(jī)和自移機(jī)尾控制相互閉鎖。除了能適應(yīng)矩形、梯形、拱形等規(guī)則巷道,還可以根據(jù)巷道實際情況進(jìn)行不規(guī)則形狀記憶切割。具體操作方法是工作人員使用遙控器和上位機(jī)按照所需形狀進(jìn)行切割示教,然后存儲該示教的切割路徑與控制工藝,不斷循環(huán)該示教完成巷道標(biāo)準(zhǔn)化掘進(jìn)。

使用超帶寬定位技術(shù)計算機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與工人之間的距離;通過紅外防入侵技術(shù)識別未佩戴標(biāo)識卡進(jìn)入工作面的人員,并進(jìn)行安全預(yù)警與自動保護(hù)停機(jī);報警范圍最大可達(dá)到100 m,報警方式有機(jī)器聲光報警、標(biāo)識卡語音報警、標(biāo)識卡震動報警3種;每臺設(shè)備布置1臺基站,實時定位誤差小,精度可達(dá)30 cm;可以設(shè)置不同種類標(biāo)識卡,并規(guī)定部分標(biāo)識卡具有免報警特殊權(quán)限,例如駕駛員在本機(jī)危險區(qū)域內(nèi)免除報警。遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)Fig.6 Remote monitoring system

自移機(jī)尾機(jī)載組合開關(guān),可實現(xiàn)對工作面成套設(shè)備集中供電、遠(yuǎn)程停送電、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸且可搭載機(jī)尾報警裝置、紅外傳感器和機(jī)尾攝像頭。視頻監(jiān)控,即工作面組合視頻監(jiān)控,具有抓拍、錄像、回放、存儲、拷貝和視頻識別等功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

掘錨一體化技術(shù)實施后巷道進(jìn)尺的變化見表2。應(yīng)用初期因作業(yè)不熟練,巷道月掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)192～321 m;后期隨作業(yè)的繼續(xù)深入,巷道掘進(jìn)進(jìn)尺基本穩(wěn)定在300 m左右,提高了掘進(jìn)效率和圍巖支護(hù)效率。基于智能控制的掘錨一體機(jī)和普通綜掘機(jī)進(jìn)尺數(shù)據(jù)如圖7所示。基于智能控制的掘錨一體機(jī)能夠更快、更好的掘進(jìn)巷道并進(jìn)行圍巖支護(hù),日平均進(jìn)尺相比于普通綜掘機(jī)增加1倍多。

圖7 掘進(jìn)機(jī)平均進(jìn)尺Fig.7 Average footage of excavator

表2 掘錨一體化巷道進(jìn)尺

4 結(jié)論

(1)該系統(tǒng)實現(xiàn)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)、支護(hù)、運輸全工序機(jī)械化連續(xù)作業(yè);皮帶輸送機(jī)拉移次數(shù)降低,實現(xiàn)巷道掘進(jìn)快速推進(jìn)。有助于增強(qiáng)巷道粉塵綜合治理,改善作業(yè)環(huán)境。

(2)實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾一鍵遠(yuǎn)程智能控制,掘進(jìn)機(jī)和自移機(jī)尾控制相互閉鎖。除了能適應(yīng)矩形、梯形、拱形等規(guī)則巷道,還可以根據(jù)巷道實際情況進(jìn)行不規(guī)則形狀記憶切割。

(3)通過紅外防入侵技術(shù)識別未佩戴標(biāo)識卡進(jìn)入工作面的人員,并進(jìn)行安全預(yù)警與自動保護(hù)停機(jī);報警范圍最大可達(dá)到100 m。實時定位誤差小,精度可達(dá)30 cm;可以設(shè)置不同種類標(biāo)識卡,并規(guī)定部分標(biāo)識卡具有免報警特殊權(quán)限。