煤礦井下移動風橋裝置的研制*

閆飛

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司, 山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

風橋是在煤礦井下進、回風巷道的交叉地點，將兩股平面交叉的風流隔成立體交叉的一種通風設施，以避免風流短路，使進、回風流隔開互不干擾，在井下通風系統中起著非常重要的作用。傳統使用的風橋是一種固定建筑物，通常修建一座風橋需要30～40 d，施工工序復雜、工程量大、周期較長，不利于快速形成通風系統，而風橋服務到期后只能封閉廢棄，修建風橋時所投入的材料無法回收利用，造成較大的浪費[1-2]。目前對風橋的研究主要集中在風橋的施工工藝上，如大斷面風橋設計施工和復雜條件下風橋施工方案優化設計，沒有對修建風橋相關裝備的研究。針對以上問題，設計研制了一種移動風橋裝置，機械化替代風橋修建中的部分工序，在完成風橋施工后可以重復應用到下一座風橋的修建。

1 移動風橋裝置的功能

風橋的修建施工會引起巷道圍巖應力的重新分布，在修建時首先要對被跨巷道進行加固和防護，這一環節是整個風橋的施工過程中耗時最長、工程量最大的工序。特別是如果施工中使用掘進機掘進，在被跨巷道中需要大量的臨時支護措施，以保障掘進機安全通過，工人勞動強度大。臨時支護使用的單體支柱、木垛、工字鋼等擠占巷道空間，會影響巷道正常風流，也對行人、車輛的通行造成阻礙，存在較大的安全隱患。

為保證風橋施工安全、提高施工效率，需要研制一種移動風橋裝置應用到風橋的修建過程中。移動風橋裝置在風橋修建時能夠快速到位形成可靠支撐，作為工作平臺供掘進設備從上方安全通過，不阻斷所跨巷道正常風流。同時針對風橋修建材料一次性投入、浪費嚴重的問題，移動風橋裝置應具備自行走功能，在完成風橋施工后能夠重復應用到下一座風橋的修建中。

2 移動風橋裝置的設計

2.1 支撐系統設計

掘進跨巷過程中，移動風橋裝置作為工作平臺供掘進機通過，需要承受掘進機通過過程中的壓力。掘進機靜止時對風橋的壓力為自身重力，在工作時除自身重力外，還有來自截割頭的外力，則掘進機對風橋的最大壓力為[3]

Fmax=G1+Fw

(1)

式中，G1為掘進機自身重力，N；Fw為外力施加于履帶上的力，Fw=(1.5～2.0)G1。

以常用的EBZ120型掘進機為例，掘進機整機重量為35 t，取Fw=2.0G1，掘進機對風橋最大壓力為1 080 kN，考慮到掘進過程中留有底煤，移動風橋裝置工作時需承受的壓力取整為1 100 kN。為了在形成穩定支撐的同時滿足被跨巷道通風以及行人、車輛的正常通行，在設計中采取了以下技術措施：

1) 底座采用分體式跨騎龍門結構，根據井下常用防爆車輛的外形尺寸，龍門寬度設計為2 800 mm，底座上設置了過車斜橋，以便行人與車輛正常通行。

2) 頂梁采用積木式拼接形式，能夠根據需要調節長度，適應多種巷道斷面。

3) 設置2根立柱油缸控制頂梁升降，4根伸縮套筒承受來自頂梁的壓力[4]，套筒外側有連接桿，使頂梁接頂充分。

4) 頂梁兩側有伸縮嵌入機構，底座四角處有輔助支撐機構，兩種機構都裝有倒刺，使移動風橋裝置與煤壁、底板充分接觸，增強穩定性。

2.2 行走系統設計

移動風橋裝置的行走系統要滿足行走時的牽引力要求，又要具備良好的通過性和較高的靈活性，在工作時還要承受掘進機通過時的壓力。為滿足以上要求，移動風橋裝置的行走系統采取了以下技術措施[5-8]：

1) 履帶行走機構具有承載能力大、接地比壓低的優點，移動風橋裝置選用履帶行走機構，采用左右馬達分別驅動的方式，將2套結構相同但相互獨立的履帶行走機構在底座兩側對稱布置，增強對底板的適應性和可靠性，使裝置便于直線行走和轉彎。

2) 考慮到整機的穩定性和便于加工、維護，減少履帶板的壓應力，履帶選用滑動結構，履帶鏈與履帶架平面接觸，同時采用大節距履帶板。

3) 行走減速器采用四級減速結構型式，第一級為弧齒錐齒輪傳動，第二、三級為直齒圓柱齒輪傳動，第四級為行星齒輪傳動，齒輪材料選用20Cr2Ni4A，硬齒面齒輪，精度為6級。

2.3 控制系統設計

1) 全部動作采用液壓傳動，由電動機驅動恒功率變量柱塞泵作為動力源，控制閥為負載敏感比例控制閥。比例控制閥將壓力隨時傳遞給變量柱塞泵，泵根據各回路負載情況控制供給系統的壓力和排量，從而控制各執行元件的運動速度。行走馬達選用可自動切換排量擋位的行走液壓馬達，能根據行走阻力自動選擇擋位。

2) 電氣系統采用PLC集中控制模式，驅動繼電器和中間繼電器完成動作，具有短路、過載、缺相、過熱等保護功能，可使用有線遠控或無線遙控來操作，一般為無線遙控。系統采用比例電磁閥和比例放大器，通過模擬量對2套履帶行走機構分別進行比例控制，實現行走機構的遙控無極變速。遙控系統基于Modbus協議，設計了內置天線遙控器，遙控距離不低于30 m。

2.4 主要技術參數

移動風橋裝置如圖1所示。主要技術參數：適用高度為3 500～5 500 mm，適用寬度為4 000～5 500 mm，龍門寬度為2 800 mm，接地比壓支撐時為0.56 MPa，行走時為0.12 MPa，行走驅動方式為左右液壓馬達分別驅動，行走速度為0～15 m/min，整機質量為30 t。

1-伸縮嵌入機構； 2-立柱油缸; 3-底座; 4-伸縮套筒; 5-輔助支撐機構; 6-過車斜橋; 7-頂梁。

3 移動風橋的應用

在兩條巷道交叉位置進行處理后，將移動風橋裝置布置于被跨巷道中間位置，底座上的輔助支撐裝置伸出，保證裝置整體穩定。升起升降立柱，頂梁充分接頂形成支護，用限位銷軸將伸縮套筒固定，同時伸縮嵌入機構伸出支撐墻壁，增強裝置支撐的穩定性。掘進施工時移動風橋裝置作為施工平臺，供掘進機和人員從上部通過，巷道貫通期間被跨巷道行人、車輛可經斜橋從橋面下通行。掘進施工結束后，鋪設鋼板、工字鋼和膠墊，澆注厚度300 mm混凝土，完成風橋的修建。待上巷道穩定成型后，回撤移動風橋裝置，可用到下一座風橋的修建，如圖2所示。

圖2 移動風橋工藝示意圖

移動風橋裝置制造出樣機后于2019年8月在三道溝煤礦進行了工業性試驗，利用本裝置共用時20 d完成了一座風橋的修建，較以往節約10 d以上。風橋修建過程中因臨時支護工作量大大減少，工人勞動強度明顯降低，減少了施工、通風安全隱患，同時減少材料投入約10萬元。

4 結論

移動風橋裝置的設計和應用，替代了復雜的臨時支護工序，提高工作效率、減少安全隱患，為風橋施工提供了新的技術和裝備，對于礦井快速形成通風系統、提高安全環保管理水平有重要作用。主要表現在以下3個方面：

1) 縮短風橋修建時間10 d以上，利于礦井產能釋放，提高經濟效益。

2) 明顯減少臨時支護工作量，不影響巷道正常風流，降低勞動強度、減少安全隱患。

3) 減少井下廢棄材料的投入，符合綠色開采理念，同時每座風橋可節約材料費用約10萬元。