礦井巷道掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)探析

王劭波

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046103)

雖然我國(guó)早在“十二五”時(shí)期就對(duì)有關(guān)巷道快速掘進(jìn)技術(shù)展開(kāi)了研究，并且經(jīng)不斷發(fā)展，在掘進(jìn)裝備和技術(shù)方面有了較大的進(jìn)步。然而，在機(jī)械化程度方面，綜掘工作面大大低于綜采工作面，導(dǎo)致采掘嚴(yán)重失衡，并存在一系列的問(wèn)題，比如自動(dòng)化程度較低、掘進(jìn)速度較慢等，無(wú)法最終實(shí)現(xiàn)掘裝與錨護(hù)的平行作業(yè)。此外，配套設(shè)備較為復(fù)雜，裝備的集成度較低。在總掘進(jìn)循環(huán)過(guò)程中錨護(hù)作業(yè)的時(shí)間占據(jù)50%以上，并且，掘錨一體化的程度較低，阻礙掘進(jìn)機(jī)發(fā)揮效能。目前，探究分析的重點(diǎn)主要還停留在單臺(tái)套的設(shè)備，比較缺少對(duì)綜掘工作面的掘、錨、探同步作業(yè)裝置和技術(shù)的研究，故目前的掘進(jìn)裝備普遍無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭生產(chǎn)高效率的目標(biāo)要求。

1 同步進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)的工藝分析

基于原始的掘進(jìn)巷道作業(yè)線中掘進(jìn)與錨護(hù)無(wú)法平行作業(yè)，只能交替作業(yè)的不足，本文提出以搖臂式掘進(jìn)機(jī)為龍頭，加以配套帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)、料斗式運(yùn)錨機(jī)、自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾以及除塵系統(tǒng)等，進(jìn)而相互組成有機(jī)的結(jié)構(gòu)，形成相互銜接、配合的作業(yè)線，見(jiàn)圖1。

圖1 掘進(jìn)與支護(hù)同步作業(yè)系統(tǒng)

搖臂式掘進(jìn)機(jī)邊進(jìn)行煤巖壁的截割，邊借助兩臺(tái)機(jī)載的液壓錨桿鉆機(jī)實(shí)施頂錨桿支護(hù)，在此過(guò)程中，固定于機(jī)身中的臨時(shí)支護(hù)裝備能夠?qū)敯宓闹ёo(hù)提供一定的幫助，此時(shí)因?yàn)榻馗畈靠梢赃M(jìn)行伸縮，故在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的各個(gè)工序中互相不干涉。在搖臂式掘進(jìn)機(jī)的后部配套運(yùn)錨機(jī)，能夠幫助補(bǔ)打搖臂式掘進(jìn)機(jī)未打的所有錨索和錨桿，也可以用來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)物料。從料斗式運(yùn)錨機(jī)進(jìn)行物料輸送到帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，其轉(zhuǎn)載機(jī)高度能夠適應(yīng)各類坡度，自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)料斗的左右伸縮，可以防止搖臂式掘進(jìn)機(jī)在擺動(dòng)和截割作業(yè)中漏料。邁步式自移機(jī)尾可以進(jìn)行自動(dòng)移動(dòng)，并且能夠自動(dòng)控制移動(dòng)的距離，進(jìn)而提升輸送帶收放的效率。同時(shí)，組成輸送系統(tǒng)的各類設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并且按照截割量自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)運(yùn)輸?shù)乃俣取３龎m系統(tǒng)放置于邁步自移機(jī)尾中，處理巷道中整體的粉塵。這樣，可以有效提升支護(hù)的效率，進(jìn)一步提高單機(jī)成巷的速度[1]。

2 掘進(jìn)與支護(hù)成套裝備

1) 搖臂式掘進(jìn)機(jī)。搖臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成包括刮板輸送機(jī)、鏟板、機(jī)身穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、滑移機(jī)架、臨時(shí)支護(hù)和錨桿機(jī)、截割部等，見(jiàn)圖2。搖臂式掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)進(jìn)行截割機(jī)構(gòu)進(jìn)刀截割和錨桿打設(shè)。除此之外，鉆機(jī)能夠進(jìn)行多角度多方位的動(dòng)作，比如左右移動(dòng)、升降以及旋轉(zhuǎn)等，打設(shè)不同位置的錨桿。位于機(jī)身頂部的除塵風(fēng)筒利用后部的除塵系統(tǒng)去除工作面產(chǎn)生的粉塵，降低粉塵對(duì)錨桿機(jī)工作人員視線的不利影響。并且，機(jī)身布置錨桿鉆機(jī)的過(guò)程中操作簡(jiǎn)便、維護(hù)便利。

圖2 搖臂式掘進(jìn)機(jī)

在煤礦掘進(jìn)過(guò)程中，由于機(jī)組的振動(dòng)較大，容易產(chǎn)生錨桿鉆機(jī)打孔振動(dòng)和截割振動(dòng)相互干擾的不利現(xiàn)象。若是干擾較為嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致錨桿鉆機(jī)無(wú)法進(jìn)行正常工作。因此，為有效避免振動(dòng)太大的問(wèn)題，在設(shè)備前后位置設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，以此來(lái)減輕錨桿打孔與設(shè)備截割以及安裝作業(yè)過(guò)程中的振動(dòng)力與反力。除此之外，當(dāng)截割的巷道寬度較大時(shí)，無(wú)法一次性將物料運(yùn)轉(zhuǎn)完成，只能等待錨桿支護(hù)結(jié)束之后調(diào)動(dòng)機(jī)器來(lái)裝運(yùn)剩下的物料，此時(shí)，效率較低，故基于此原因設(shè)置新型的扇形伸縮鏟板機(jī)構(gòu)，其在工作過(guò)程中會(huì)打開(kāi)伸縮裝置，變成和巷道一樣寬的鏟板，使物料可以一次轉(zhuǎn)運(yùn)裝載完成。當(dāng)調(diào)動(dòng)機(jī)組的時(shí)候，伸縮裝置會(huì)進(jìn)行縮回，便于調(diào)車行走。

2) 料斗式運(yùn)錨機(jī)。料斗式運(yùn)錨機(jī)的主要作用是物料轉(zhuǎn)運(yùn)以及幫助補(bǔ)打搖臂式掘進(jìn)機(jī)沒(méi)有打的錨桿。其主要組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，包括鉆臂工作機(jī)構(gòu)、機(jī)架、料斗、鉆架、左右行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、升降作業(yè)平臺(tái)、水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刮板輸送機(jī)以及錨桿倉(cāng)組。其中，鉆臂工作機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行高速有效的掘進(jìn)巷道錨護(hù)，通過(guò)聯(lián)接基座安置于料斗式運(yùn)錨機(jī)的前部，在具體的作業(yè)過(guò)程中，按照不同位置的鉆機(jī)錨護(hù)，借助滑軌伸縮來(lái)幫助鉆機(jī)進(jìn)行橫向移動(dòng)，借助旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)幫助鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)升降體上下升降鉆機(jī)。與此同時(shí)，鉆機(jī)橫移、升降由油缸以及回轉(zhuǎn)協(xié)同運(yùn)作，來(lái)調(diào)整鉆機(jī)的工作位置，以滿足在不同位置的巷道截面安裝錨桿的要求。

圖3 料斗式運(yùn)錨機(jī)

3) 帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)與自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾。帶式可調(diào)速轉(zhuǎn)載機(jī)是搭接于自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾和料斗式運(yùn)錨機(jī)當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)組成部分包括機(jī)頭部、行走小車、機(jī)尾部以及大跨度機(jī)架。其通過(guò)大跨距橋接來(lái)充分實(shí)現(xiàn)大搭接行程，并據(jù)此減少生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中延伸輸送帶的頻繁次數(shù)，從而提高煤礦巷道掘進(jìn)的速度和效率。在煤礦巷道的掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程當(dāng)中，遇斷層較多的時(shí)候，底板的縱向起伏、急劇變坡工況相應(yīng)也會(huì)增多，帶式轉(zhuǎn)載機(jī)被拉移的過(guò)程中，將借助紅外測(cè)距識(shí)別系統(tǒng)來(lái)測(cè)量其和邁步機(jī)尾之間的距離，并自動(dòng)調(diào)節(jié)剛性架高度，對(duì)機(jī)身姿態(tài)進(jìn)行智能控制，以規(guī)避剛性架最高點(diǎn)與頂板干涉碰撞及剛性架邁步自移機(jī)尾，并影響轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)身姿態(tài)等一系列問(wèn)題。控制系統(tǒng)通過(guò)變頻調(diào)速的功能，與錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)組刮板運(yùn)量和啟停充分進(jìn)行耦合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)載功能的綠色節(jié)能和智能調(diào)速。轉(zhuǎn)載裝置在轉(zhuǎn)運(yùn)物料過(guò)程中采用電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)輸送帶的方法，并保證物料運(yùn)輸過(guò)程中的節(jié)能高效。與此同時(shí)，自適應(yīng)邁步自移機(jī)尾還具備同步舉升軌跡自適應(yīng)以及長(zhǎng)距離整體快速邁步移動(dòng)等特色功能，能減少?gòu)?fù)雜地質(zhì)條件下輔助作業(yè)的時(shí)間，并以此來(lái)提高巷道掘進(jìn)速度。

3 同步進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)分析

搖臂式掘進(jìn)機(jī)具有外形尺寸較大、重量較重的特點(diǎn)，整機(jī)的功能不僅涵蓋懸臂式掘進(jìn)機(jī)功能，還包括臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)、機(jī)載鉆臂和除塵系統(tǒng)，成套裝備的自動(dòng)控制系統(tǒng)由每一部分的控制子系統(tǒng)所構(gòu)成。其中，搖臂式掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)核心之處在于操作與電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是防護(hù)等級(jí)IP67專用控制器，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、穩(wěn)定可靠的性能以及維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。并且，操作箱體積小，使其達(dá)到操作簡(jiǎn)便靈活，穩(wěn)定安全的目標(biāo)。操作與電控箱通過(guò)RS485通信方式進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，操作箱的液晶屏和電控箱的顯示屏共同配合顯示作業(yè)過(guò)程中整機(jī)的故障以及狀態(tài)等信息。除此之外，整個(gè)電控系統(tǒng)具備的功能還包括參數(shù)設(shè)置保護(hù)、故障診斷查詢、故障記憶以及遙控操作等。

1) 自適應(yīng)截割技術(shù)分析。自適應(yīng)截割技術(shù)通過(guò)借助一系列人工智能方式，比如專家系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，幫助搖臂式掘進(jìn)機(jī)按照作業(yè)過(guò)程中實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境和條件，自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)的截割速度，促使截割機(jī)構(gòu)實(shí)際的工作狀態(tài)和煤巖的硬度等條件相契合。與此同時(shí)，最優(yōu)化截割作業(yè)的過(guò)程環(huán)節(jié)，以此降低截齒的消耗并充分提高截割作業(yè)的效率。在這一系列的過(guò)程中，將采用截割工況智能決策與識(shí)別技術(shù)、截割巖石動(dòng)載荷特征識(shí)別和提取技術(shù)、控制截割轉(zhuǎn)速交流變頻調(diào)速技術(shù)以及控制負(fù)載壓力反饋截割牽引調(diào)速等技術(shù)。除此之外，傳感器被安置在電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)部件中，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器工作狀態(tài)的目的。

2) 自主導(dǎo)航技術(shù)分析。以識(shí)別掘進(jìn)機(jī)的環(huán)境、掘進(jìn)智能糾偏與精準(zhǔn)導(dǎo)控為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)巷道環(huán)境中搖臂式掘進(jìn)機(jī)的路徑方案。在此過(guò)程中，借助參數(shù)智能感知的方式，包括精確位姿、核心環(huán)境以及關(guān)鍵控制參數(shù)等，來(lái)構(gòu)建關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量的精準(zhǔn)測(cè)控和標(biāo)定系統(tǒng)。其中，通過(guò)綜合借助掘進(jìn)機(jī)的激光測(cè)距、機(jī)載超聲測(cè)障、雷達(dá)測(cè)斷面以及紅外測(cè)邊界等參數(shù)測(cè)量的方法來(lái)構(gòu)造感知平臺(tái)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)中線和空間的建模。并且，借助傾斜巷道中復(fù)雜底板掘進(jìn)機(jī)的自主糾偏理論和實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)態(tài)且多目標(biāo)的優(yōu)化進(jìn)化方法，對(duì)構(gòu)建的控制系統(tǒng)模型進(jìn)行求解，得出符合履帶調(diào)整約束的控制參數(shù)和糾偏對(duì)策，提出在掘進(jìn)過(guò)程中以多缸同步進(jìn)行控制為基礎(chǔ)的掘進(jìn)機(jī)俯仰位姿非連續(xù)控制的方法，以各關(guān)鍵參數(shù)(位姿、決策參數(shù)和控制)為依據(jù)的遠(yuǎn)程操控和精準(zhǔn)導(dǎo)控實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)[2]。

3) 故障診斷和工況檢測(cè)技術(shù)分析。借助微型電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，包括傳輸控制、數(shù)據(jù)的采集、健康的監(jiān)控、處理顯示以及故障查找診斷等。通過(guò)可編程的邏輯控制器處理各傳感器的信號(hào)，顯示并控制實(shí)際運(yùn)行的工況，在產(chǎn)生故障時(shí)，通過(guò)電控箱中的開(kāi)關(guān)裝置，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。通過(guò)這一系列的過(guò)程能夠充分實(shí)現(xiàn)斷面監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)功率、離機(jī)遙控操作以及工況的監(jiān)測(cè)與故障的診斷等一系列功能。與此同時(shí)，電控系統(tǒng)還有助于掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)故障的分析，構(gòu)建一個(gè)基于振動(dòng)量問(wèn)題診斷與預(yù)知維修局域網(wǎng)系統(tǒng)，據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集一些關(guān)鍵零部件的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)加速度等信號(hào)，并在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)分析出運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表及趨勢(shì)，并在有異常產(chǎn)生時(shí)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并發(fā)出報(bào)警。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于煤礦巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的諸如效率低、時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)法進(jìn)行掘裝與錨護(hù)平行作業(yè)以及自動(dòng)化程度低等一系列問(wèn)題，本文提出以搖臂式掘進(jìn)機(jī)為核心的同步進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)的系統(tǒng)，即綜合鉆機(jī)錨護(hù)功能和搖臂式掘進(jìn)機(jī)掘裝功能，并通過(guò)一系列配套技術(shù)實(shí)現(xiàn)巷道高效快速掘進(jìn)。以期為巷道掘進(jìn)作業(yè)效率的提高提供一種思路。