礦用矩形全斷面掘進機的研制

李剛

摘要：根據掘進過程中存在掘進與錨護不能同時作業、巷道成形質量不高、無法杜絕零空頂作業、勞動強度高、效率極低，安全風險大等問題。開發出一套全斷面成巷掘進機，實現掘進、支護、錨護以及連續運輸同時作業，簡化工序，減輕勞動強度，實現掘進工作面迎頭全封閉支護的高效快速掘進，達到零空頂，實現掘進面快速一次成巷的目的。

關鍵詞：掘進工作面;矩形全斷面;連續運輸;遠程遙控控制

Abstract： According to the problems existing in the process of driving， such as driving and bolting can not be operated at the same time， the quality of tunnel forming is not high， zero empty roof operation can not be eliminated， labor intensity is high， efficiency is extremely low， and safety risk is large. A set of full face roadheader is developed to realize the simultaneous operation of driving， supporting， anchoring and continuous transportation， simplify the working procedure， reduce the labor intensity， realize the efficient and rapid driving of the head-on full closed support of the driving face， achieve the goal of zero empty roof， and realize the rapid one-time tunneling of the driving face.

Key words： heading face;rectangular full section;continuous transportation;remote control

0? 引言

我國已成為世界第一大煤炭生產和消費國，由于受能源結構的制約以及國民經濟高速發展的需求，在今后相當一段時間內對煤炭的需求量還會進一步加大。然而，在影響我國煤炭生產的采煤、掘進和運輸三大環節中，采煤和運輸的功效已經達到了世界一流水平，但掘進功效始終成為制約煤炭產量進一步提高的重要瓶頸，影響掘進效率主要因素是支護效率與支護水平，支護的可靠性成了制約掘進效率的關鍵因素[1，2]。

現階段煤礦煤巷掘進主要采用懸臂式掘進機、連采機、掘錨機等裝備，在掘進過程中存在很多不足：都不能完成全斷面一次成型;掘進與錨護不能同時作業;形成的巷道質量不高，需要二次修整;掘進過程中產生大量的浮矸、浮煤，需要人工清理;無法杜絕零空頂作業，輔助工作量大，勞動強度高，效率極低，安全風險大;除塵效果差，工作環境惡劣。針對以上問題，為了快速高效實現掘進全斷面一次成巷、掘進與支護同時作業，簡化工序，開發出一套掘支同步作業、掘進工作面迎頭全封閉支護的高效掘進裝置勢在必行。

1? 設計原則

①掘進工作面空間狹小，設備多，掘進機機頭、推進支護裝置、裝運系統、除塵系統，錨護系統以及后配套連續運輸系統必須具有良好的配套性能、適應性、工藝性以及不影響通風要求。

②實現全斷面一次成巷，達到掘進、支護、錨護以及連續運輸同步作業。

③為了達到安全、有效的全封閉支護，掘進機機頭與推進支護裝置穩定性好，滿足巷道支護要求的工作阻力以及足夠的推拉動力，實現遠程遙控控制，有效控制巷道的圍巖變形。

④保持高效的設備推拉邁步移動，同時適應巷道的變化，達到小角度轉彎的目的。

⑤裝運系統以及后配套連續運輸系統運輸能力滿足全斷面快速裝載與連續運輸的目的;除塵系統保持工作面良好的工作環境。

2? 礦用矩形全斷面掘進機組成以及結構特點

礦用全斷面矩形快速掘進機（如圖1所示）整機外形尺寸5.8m×3.8m×12.5m，掘進斷面尺寸5.8m×3.8m，整機重量230t，設計掘進能力平均月進尺3000m。主要由矩形掘進機機頭、推進支護裝置、側向支撐機構、導向主梁、刮板運輸機、鞍架調向機構、超前支護錨桿機組、電氣控制系統、導向系統、液壓系統和除塵等系統等組成，主要特點如下：

①整機采用分體式的結構，實現了掘進與錨桿支護的同時作業，使打錨桿不再成為提高掘進功效的制約因素，矩形掘進機機頭與推進支護裝置通過鞍架調向機構鉸接，之間空間通過機頭伸縮式防護板支護，實現整機的邁步推移、比較小的轉彎半徑的靈活調向以及全封閉支護。

②4組鞍架調向機構推移行程1.5m，保障掘進時推進支護裝置的震動比較小，提高整機系統的穩定性;自帶4組超前錨桿臨時支護，可以應對頂底板情況相對較差的地質條件。

③矩形掘進機機頭重量約150t（如圖2所示），掘進機機頭采用復合層次組合式刀盤，復合層次組合式刀盤包括一個中心大刀盤和周圍四個小刀盤，其中中心大刀盤采用鎬形齒、小刀盤采用扁形齒，復合層次組合式刀盤組合截割形成矩形斷面，掘進機機頭完成全斷面割煤。

④刮板運輸機布置于導向主梁中，前部凸出在大截割頭下部（如圖3所示），有利于增大有效落煤面積，提高前端的清煤效果，尾部運輸至轉載機上，可實現左右擺動。運輸機采用套筒滾子中單鏈刮板運輸、黃油缸張緊形式，槽寬760mm，落煤高度1000mm。

⑤推進支護裝置采用框架結構（如圖4所示），整體寬度5000mm，支撐力5000kN，支撐高度3.0-4.5m，可實現全封閉支護，同時為機頭提供足夠的推進力。主要有頂梁、底座、前、后連桿、掩護梁、立柱、調架油缸以及提升油缸組成;左右分別通過四連桿機構進行鉸接，保證總體穩定性;通過4根立柱為整套設備提供支撐力;整個液壓系統配備2個油箱，分別隱藏于底座后部;頂梁上部均布21件可拆卸的聚氨酯塊，降低整機對巷道頂板反復支撐以及錨桿索的破壞;左右設置導軌機構，為側向支撐機構提供可靠的導向作用;前后布置4套提升機構，提高整體設備對底板的適應性。

3? 主要技術參數及工作原理

3.1 主要技術參數

移動形式：邁步前移

刀盤總截割功率/kW：1300

系統壓力/MPa：20

電壓/V：3300

支撐高度/mm：2500～3800

推進行程/mm：1500

最大推進速度/m/min：0.3

輸送量/t/h：1200

鏈速/m/s：1.7

運輸功率kW：37×2

適應巷道尺寸/m：5.8×3.8

控制方式：遠程電液控制

整機重量/t：230

3.2 工作原理

礦用全斷面矩形快速掘進機主要通過矩形掘進機機頭、推進支護裝置、鞍架調向機構相互邁步前移，后配套連續運輸系統主要由四臂錨桿轉載機、帶式轉載機和邁步自移機尾組成（如圖5所示），可實現快掘工作面掘進、運輸、支護、錨護平行作業[3，4]。主要工作過程分為以下4個步驟：

①設備組裝準備狀態。先采用傳統的掘進機+二運的方式掘巷約100m，然后將礦用全斷面矩形快速掘進機、四臂錨桿轉載機、皮帶轉載機和邁步自移機尾等設備布置于巷道內，皮帶轉載機和邁步自移機尾搭接行程為60m，四臂錨桿轉載機前部2臺頂部錨護裝置，后部2臺幫錨裝置，前部設置2.0m長度的受料斗，與礦用全斷面矩形快速掘進機搭接行程為1.5m。

②推進支護裝置與側向支撐機構支撐頂部以及煤幫，通過鞍架調向機構縱向推動矩形掘進機機頭掘進1.5m，同時物料通過連續運輸系統運輸到皮帶機上;通過4臺頂部錨護裝置錨護巷道頂部錨桿后，將機頭兩側支撐機構支撐煤幫，拉動推進支護裝置前移1.5m。

③帶式轉載機與四臂錨桿轉載機聯動，跟隨矩形掘進機前移1.5m，同時對兩幫錨桿、頂部剩余的錨桿以及錨索進行錨護，完成1.5步距小循環。

④重復以上循環推進工藝，將矩形掘進機、四臂錨桿轉載機以及帶式轉載機移動60m后，邁步前移自移機尾60m，完成60m大循環掘進工藝。重復以上動作即可實現零空頂、高效、安全、連續快速掘進的目的。

4? 結論

①針對目前掘進過程中不能完成全斷面一次成型，無法杜絕零空頂作業，安全風險大等問題，設計研發了一套安全可靠，遠程控制，實現掘支運同步作業、掘進工作面迎頭全封閉支護的高效礦用全斷面矩形快速掘進機，使得掘進能力平均月進尺達到3000m。

②矩形掘進機機頭與推進支護裝置通過鞍架調向機構鉸接，實現整機的邁步推移、比較小的轉彎半徑，提高設備的適應性。

③推進支護裝置采用框架結構，保證設備整體穩定性以及全封閉支護。

參考文獻：

[1]胡林.綜掘臨時支護技術的研究與應用[J].煤炭科學技術，2008，36（6）：9-11.

[2]王翔，關于巷道成型質量影響因素研究[J].科技創新導報，2015，5（15）：67-68.

[3]王建國.高效快掘后配套設備的應用[J].煤礦機械，2014，35（9）：149-151.

[4]楊東輝，寧掌玄，呂兆恒，等.新型邁步自移式超前臨時支架的研制與應用[J].煤炭科學技術，2015，43（6）：112-115，84.