巷道拐彎開門快速轉運施工技術的創新

任曉東，劉 凱，朱 敬，吳琳琳

（1.兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東 濟寧 273500；2.鄒城市技工學校，山東 濟寧 273500；3.山東天河科技股份有限公司，山東 濟寧 273500）

技術創新，是企業前進的動力，也給社會發展帶來活力。近年來，山東省堅持推進新舊動能轉換，對技術創新也提出了新的要求。作為傳統能源行業，煤礦一直給人以產業低端、產能落后的感覺；然而鮑店煤礦積極抓住機遇，鼓勵創新，讓傳統動能換發新的活力。

眾所周知，掘進和回采是煤礦生產的重要環節，采掘技術及其裝備水平直接關系到煤礦生產的能力和安全。鮑店煤礦積極推進技術創新，采用巷道拐彎開門快速轉運法，提高了采掘效率與安全性。

1 創新背景

1.1 政策支持

國家安全監管總局印發《關于推動安全生產科技創新若干意見》（安監總科技[2016]100號），系統部署新形勢下安全生產科技創新工作，提出要著力推進“機械化換人、自動化減人”，強力推進單班入井超千人礦井科技減人工作。山東省提出《關于加強全省煤礦智慧化建設和智能化改造的指導意見》，推廣煤炭開采自動化、信息化和智能化，這都在政策上推進了創新發展。

1.2 項目合作

“新型巷道拐彎開門快速轉運施工技術”項目，由山東天河科技股份有限公司研發，兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦現場應用。

1.3 技術背景

當遇到巷道開門與回采巷道垂直或接近垂直的情況時，需要進行拐彎開門施工。傳統施工方式有以下兩種：

（1）炮掘開門。炮掘工藝的主要優點是技術裝備投資少，適應性強，操作簡單，是我國目前采用仍然較多的一種采掘工藝，但是，也存在著效率低、勞動條件差的缺點。

（2）掘進機直接拐彎開門。掘進機的應用，大大提升了施工機械化，效率高，安全性好，常用掘進機、轉載機、皮帶運輸機配套的方式開門。然而，常見的掘進機長度（見表1、表2）普遍超過了煤礦順槽寬度，拐彎開門時常規方式的難以使用。

表1 我國煤巷懸臂式掘進機參數

表2 我國半煤巖巷、巖巷懸臂式掘進機參數

施工時將橋式轉載機拆除并安設刮板輸送機，刮板輸送機搭接至皮帶機尾；進入拐彎開門約80m時，拆除刮板輸送機，將皮帶機延長過拐彎開門，安裝轉運皮帶機搭接至順槽皮帶機尾并重新安裝橋式轉載機。該工藝作業環節多，效率低，勞動強度大，作業環境復雜，安全性差。

2 創新目標

創新巷道拐彎開門施工技術，可以提高作業機械化水平，降低人員勞動強度，提高安全性，減少輔助環節。目前巷道掘進設備機械化水平的提高，大大加快了掘進進尺速度并顯著降低作業人員勞動強度；但針對復雜條件，其配套運輸系統不夠完善，出矸能力低，勞動強度大，嚴重制約了巷道掘進速度。因此，提高掘進機配套運輸設備機械化水平，是提高掘進進尺速度的關鍵。本項目研究成功，可顯著降低作業人員勞動強度，提高進尺速度，具有良好的發展前景。技術創新研究面向鮑店煤礦的巷道拐彎開門作業，預計可提高拐彎開門施工速度30%左右，切合國家對煤炭行業的發展要求，具有重要的現實意義。

為解決上述傳統方案存在的問題，基于現有的綜掘機工作方式，研發人員提出了綜合轉載、長距離運輸、機械化、自動化施工方案及配套的施工裝備。工藝目標：結構為掘進機-回轉式皮帶運輸機-遙控履帶式皮帶運輸機-提升皮帶運輸機，即三節皮帶機方案。以該工藝為指導，開發配套的皮帶機等裝備和配套的控制系統。

圖1 系統組成

3 創新方案設計

3.1 方案比較

研發團隊對市場現有技術進行了收集和分析：

（1）梭車方案。梭車屬短臂機械化開采工作面后配套運輸設備，與連續采煤機配套使用，主要用于不適合進行長臂工作面開采的短臂開采工作面，同時也可作為巷道快速掘進的后配套運輸工具。主要適用于巷道頂板比較完整，壓力較小、硬度較低的煤巷使用，過斷層或半煤巖巷道無法使用該設備，不適合鮑店煤礦實際情況。

圖2 梭車方案

（2）安裝刮板運輸機方案。使用刮板機代替懸臂式掘進機后的橋式皮帶機，人工將煤矸卸至刮板機，通過刮板機轉運至皮帶機尾處。該工藝作業環節多，安裝、延展、撤除刮板機工作量大，勞動強度高，嚴重影響著巷道拐彎開門施工速度，同時造成工作面作業環境復雜，安全性差等問題。

（3）履帶式皮帶機方案。這種方案克服了傳統移動式皮帶機依靠輪胎支撐，動力需要外接、移動借外力的缺點，它擁有自動力、適應各種現場環境行走，具有安全可靠的特點。憑借其良好的環境適應力，廣泛應用于機場、港口、碼頭、車站、礦山、倉庫、沙石料等諸多作業場所。但由于履帶式皮帶機體型太大，目前只用于地面作業。

3.2 總體方案設計

基于當前巷道拐彎開門作業施工現狀及配套設備技術參數、鮑店煤礦煤巷結構特點，對總體方案進行設計，提出總體設計框架。研發團隊將本套機組分成三大模塊設計，提出創新計劃，即回轉皮帶機部分、遙控履帶式皮帶機部分、提升皮帶機部分。

回轉皮帶機通過托架布置于掘進機尾部，使用電滾筒做皮帶機動力，尾部設有回轉裝置，與遙控履帶式皮帶機相連，經過測量，鮑店礦所使用掘進機回轉角度±60°。

遙控履帶式皮帶機，通過滑軌和回轉裝置與第一節相連，使此節與第一節能相對回轉或伸縮。皮帶機通過回轉平臺布置于履帶上，使皮帶機與履帶能相對轉角±120°，擬采用液壓動力驅動馬達減速機帶動滾筒做動力源，輸送能力大于6m3/min，采用前低后高形式，后端往第三節落料，履帶行走穩定、爬坡能力強，適用于底板條件較復雜巷道。

提升皮帶機，通過膠輪行進，可人工調整位置，前端收遙控履帶式皮帶機的料，后端往皮帶機送料，擬采用液壓動力驅動馬達減速機帶動滾筒做動力源，輸送能力大于6m3/min。

遙控履帶式皮帶機采用遙控控制，方便作業人員操作，并能及時注意煤矸輸送情況，整套機組在三維參數化設計軟件SolidWorks環境下建立裝備的虛擬樣機模型，進行干涉檢查，避免結構設計錯誤。使用有限元方法（FiniteElementMethod FEM），對機械結構進行受力分析并進行優化設計，確保結構強度的同時降低設備的總體重量。

擬采用的設備總體方案見圖3。

圖3 設備總體方案

3.3 關鍵部件設計

（1）回轉皮帶機方案設計

所研究的回轉皮帶機使用二運托架連接在掘進機尾部，通過連接軸，可使皮帶機回轉±60°。皮帶機接料端配置有柔性接料斗，可滿足不同角度接料。同時應具有懸臂角度調整裝置，保證落料高度。該方案中，受限于掘進機落料尺寸，各機構應集成性高，小巧靈活，生產能力滿足生產需要。落料點設有回轉機構與導軌小車。

（2）遙控履帶式皮帶機方案設計

根據井下現場底板條件，確定采用履帶行走機構實現自主行走。調研現有掘進機及皮帶機各技術參數，確定此節皮帶機采用的馬達減速器扭矩與帶速，因設備要求高度較低，液壓泵站及控制系統隱藏于車斗下方，并采用遙控控制各動作執行。

（3）無線遙控控制系統設計

開發一套智能控制無線遙控系統，使操作人員位于掘進機一側即可控制遙控履帶式皮帶機，便于觀察現場情況，保證安全。

4 創新亮點

項目創新性提出了綜掘機巷道拐彎開門快速轉運施工技術與裝備，研制一套集二次轉載、長距離運輸、卸載等多功能轉運機組。本課題將顯著提高拐彎開門工程施工速度，改善工作面作業環境，提高作業安全性。其創新點如下：

1）提出一種巷道拐彎開門施工快速轉運施工技術，采用三節皮帶機組合方案實現接料、轉載、運輸作業，提高作業機械化水平，提高作業效率，解決原有工藝中安裝、延展、撤除刮板機所占用的時間。

2）設計一組三節式皮帶機構，第一節與掘進機相連，第二節由履帶底盤實現自主行走，第三節由膠輪帶動，三節設備相互配合，滿足巷道拐彎開門運料需求；遙控履帶式皮帶機，通過履帶底盤實現自主行走，保證能前端接回轉皮帶機送來的料，后方往提升皮帶機送料的要求，通過高低速配置，解決爬坡等問題。

5 結語

1）“巷道拐彎開門作業快速轉運技術” 實現了煤矸機械化輸送作業，三節式皮帶機完成運輸作業。從根本上消除了安全隱患，保證了工人作業安全。機械化運輸作業，解決了作業人員勞動強度大的問題，減少了作業人數，改善了作業環境，提高作業安全系數，確保作業人員人身健康。

2）減少作業人數，提高工作效率，年直接人工成本節約80萬元，同時可減少因安全問題造成的經濟損失；煤矸運輸效率提高20%以上，通過機械化裝備，采掘速度大大提高，節省工程成本600萬元。

3）隊伍得到鍛煉，促進了礦企合作，聯合創新模式得到進一步發展，為下一步全面落實智慧礦山提供了智力支持。