WPZ-45/700LY 型煤礦用遠控巷道修復機關鍵技術

李旭濤，張 寧，李旺年

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來隨著煤炭開采強度和深度的增加，劇烈的礦山壓力顯現導致破碎巖層條件下的巷道變形嚴重，其中巷道圍巖變形、破碎等問題日益突出[1-3]。目前巷道圍巖修復的設備主要有：①用風鎬進行破碎處理，然后人工清理，其優點是機動靈活，但缺點是勞動強度大，工作環境惡劣，另外人工修復側幫和頂板時，難度與危險性很大，這與國家安監總局提出“機械化換人，自動化減人”還存在一定差距；②采用挖掘式裝載機和礦用鏟車等大型設備清理底鼓、片幫和頂板破碎，其優點是機械化作業，工人勞動強度小、作業面積大，但缺點是設備存在功能單一、施工效率不高、適用性不強、側幫和頂板作業施工困難[4]，并且，施工人員坐在設備上直接操控設備進行施工作業時，無法遠離頂板垮落區，增加了安全隱患[5-7]。因此，研制一款功能多樣、適應性強，并且可遠程操作的煤礦用巷道修復機尤為必要。

1 修復機整體方案

1.1 巷道修復治理工藝

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，地下開采的深度越來越大，導致煤礦巷道地應力增高、巷幫松軟破碎、圍巖變形嚴重等問題，針對不同類型的煤礦井下巷道，巷道圍巖治理工程的工藝流程是不同的，治理措施與成本亦相差較大[8-10]。對于服務期較長的開拓巷道可采取圍巖注漿、高預應力錨桿（索）等技術重新加固施工，而服務期較短的采準巷道（包括準備巷道和回采巷道），尤其是回采巷道的底鼓治理，挖底后恢復巷道斷面尺寸就可以繼續投入使用[11-12]。

因此，可以看出巷道斷面的恢復是巷道修復治理的前提，煤礦用巷道修復機是專門用于巷道圍巖斷面恢復施工的專用設備，主要具有破碎、挖裝、運輸、吊裝、臥底、掏水溝及自行走等功能。

1.2 修復機結構和技術參數

煤礦用遠控巷道修復機整體外形結構如圖1。

圖1 煤礦用遠控巷道修復機整體外形結構Fig.1 Overall shape structure of remote control roadway repair machine for coal mine

遠控修復機主要技術參數為：①工作裝置：裝載能力40 m3/h，卸料高度2.8 m，回轉角度±38°，鏟斗容量0.4 m3，破碎錘沖擊頻率10～18 Hz，破碎錘滑動距離0.25 m，互換時間3 min；②泵站：電機額定功率45 kW，油泵Ⅰ泵排量71 mL/r，油泵Ⅱ泵排量10 mL/r，油箱有效容積320 L；③行走裝置：行走速度0.8 km/h，爬坡能力15°；④整機：遠控距離20 m，質量10 000 kg，外形尺寸7.7 m×1.2 m×1.5 m。

1.3 修復機功能和技術特點

1）可遠程遙控施工作業。為滿足側幫和頂板等危險區域巷道修復施工作業，修復機采用無線遙控控制方式施工作業，遠控距離20 m，操縱端響應時間1 s。

2）可全斷面施工作業。修復機具有靈活多變的執行機構和快換裝置，可進行破碎、裝載、側卸和銑挖等作業，可在低矮變形巷道快速完成全斷面施工作業。

3）機身矮小。修復機采用窄型低重心車體平臺設計，寬度僅為1.2 m,高度1.5 m（不包括防護棚），考慮極限工作位置車體穩定性和震動問題，滿足巷道狹窄的施工條件。

4）修復機液壓系統采用LUDV 控制系統，實現對不同負載壓力的多個執行元件同時進行快速與精確控制，各元件互不干涉，操作性能好，執行起點和工作速度只與操縱手柄角度有關，與負載壓力無關。

5）模塊化設計，安裝、轉場簡單可靠。修復機主要由履帶車體、動力裝置和工作裝置3 大部分組成，采用模塊化設計，各部分可獨立拆卸和安裝，而且各部分相關零件安裝孔與中煤科工集團西安研究院類似產品一至，便于相關標準之間的互換。動力裝置包括：電磁啟動器、風冷散熱器、液壓油箱和電機等部件；工作裝置包括：工作臂、執行機構和快換裝置等部件。修復機履帶采用重型履帶，單邊履帶馬達扭矩可達22 000 N·m，動力強勁，轉場時提高了修復機搬運和安裝效率，減輕了工人勞動強度。

6）一機多用，功能集成，完成不同種類施工作業。修復機主要用于狹窄變形巷道修復施工作業，施工作業過程中主要涉及破碎、挖裝、運輸、吊裝、臥底、掏水溝及自行走等工作，因此，必須要求修復機在結構尺寸做到盡可能小的情況下，還要求對修復設備的功能進行高度集成、一機多用，通過快速更換各種執行機構，完成不同種類施工作業[7]。

7）智能化、自動化程度高，減輕作業人員勞動強度，提高作業人員安全。

2 關鍵技術

2.1 工作機構

工作機構又稱工作臂，是修復機的重要連接、變幅部件，其左端與執行機構相連，右端與履帶車體相連。工作機構主要由偏轉機構、基礎臂、伸縮油缸、變幅油缸、膠管護板、伸縮臂及調角油缸組成，工作機構外形結構如圖2。偏轉機構在偏轉油缸的帶動下實現沿機體方向左右擺動，并且在偏轉機構下方設計有回轉支撐，巷道修復過程中破碎和裝載時的沖擊力，主要由偏轉油缸和回轉支撐來承受，所以偏轉機構強度和剛度必須設計合理可靠[13-15]。為提高修復機工作范圍和施工效率，工作機構還設計有伸縮臂，伸縮臂在伸縮油缸的作用下，沿箱型基礎臂內的導軌進行滑動，最大伸縮距離600 mm，由于基礎臂和伸縮臂之間存在頻繁滑動，因此在2 個箱型體之間設計有耐磨承力滑塊。另外，考慮到工作機構的可靠性及整體性，在工作機構上方設計有膠管護板，在膠管護板內部安裝有過板接頭，防止巷道修復施工過程中由于膠管損壞帶來的效率低下等問題。

圖2 工作裝置外形結構Fig.2 Working structure

2.2 執行機構

執行機構是修復機重要的執行部件，執行機構的種類決定修復機所能承攬工作類別。與巷道修復相關的執行機構主要有：側卸鏟斗、破碎機構、銑挖機構、鉆裝機構及機械手等。主要以側卸鏟斗和破碎機構做以簡要說明，執行機構外形結構如圖3。

圖3 執行機構外形結構Fig.3 Actuator structure

側卸鏟斗由鏟斗連接體、側卸油缸和鏟斗焊接體等部件組成，主要用于矸石的鏟運和裝載。考慮車輛的裝載有可能在修復機左右兩側，因此在側卸鏟斗上設計有2 組銷軸連接孔和2 組油缸連接孔，通過銷軸和側卸油缸不同位置的安裝，實現修復機卸料方向的改變。另外，在鏟斗焊接體前端設計材料為16Mn 調質處理的高硬度斗齒，在鏟斗焊接體上、下表面分別焊接有加強筋板，提高鏟斗的剛度和強度，提升修復機的可靠性。

破碎機構由破碎錘、連接組件、擺角油缸及給進油缸等部件組成，主要用于變形巷道圍巖的破碎。破碎是巷道圍巖修復治理的先決條件，因此破碎錘采用韓國進口知名品牌，提高修復機破碎效率和可靠性。在破碎錘下方設計有滑動導軌和給進油缸，破碎錘在給進油缸的作用下，實現破碎錘沿導軌方向的往復滑動，滿足破碎的最佳效果。另外，在連接組件兩側設計有2 組擺角油缸安裝孔，通過擺角油缸安裝孔的切換，滿足破碎機構垂直于巷幫兩側進行破碎施工作業，提高修復機工作范圍及施工效率。

2.3 快換裝置

為解決修復機多個工作機構的快速更換問題，設計開發了一種手動快換裝置。常規快換裝置是通過液壓油缸的伸縮來實現快換裝置的開啟和閉鎖動作，并通過鎖緊機構轉動來達到鎖定的目的[16]，這種方式在挖掘機行業應用十分廣泛。但是，修復機巷道修復工作主要以破碎和裝載矸石為主，快換裝置頻繁受到高頻振動和沖擊，液壓油缸式的快換裝置并不能滿足設計要求，因此研究設計出一種手動快換裝置，主要由套筒扳手、連接座及曲柄滑塊機構等組成，更換執行機構時，只要保證執行機構上的銷軸與快換裝置上的溝槽緊密配合，然后轉動快換裝置上的套筒扳手，即可完成執行機構的更換。快換裝置外形結構如圖4。

圖4 快換裝置外形結構Fig.4 Quick change device structure

2.4 液壓系統

液壓系統主要由電機、液壓泵、電磁閥、液壓油箱、風冷散熱器及液壓油缸等組成。修復機采用2 泵開式LUDV 控制系統，實現對不同負載壓力的多個執行元件同時進行快速與精確控制，各元件互不干涉，執行機構和工作速度只與操縱手柄角度有關，與負載壓力無關，變量泵通過液壓膠管與隔爆電磁閥相連，隔爆電磁閥通過液壓膠管與履帶總成的行走馬達，快換裝置、執行機構的液壓油缸相連通，定量泵通過液壓膠管與風冷散熱器的液壓馬達相連通。

2.5 電控系統

電控系統是修復機完成遠控施工作業的核心，電控系統主要硬件有：遙控操縱器、電控箱、電磁閥、位移傳感器、無線接收器及油缸等部件，控制系統結構如圖5。

圖5 控制系統結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of control system structure

電控箱的核心是防爆可編程控制器，控制器嵌入控制程序，負責計算控制參數和處理狀態信息[17]，磁滯位移傳感器為油缸動作位置檢測單元，通過電流模擬量輸入端口將油缸動作信息反饋給防爆可編程控制器，防爆可編程控制器實現油路工作狀態的切換和液壓油缸的伸縮從而構成控制閉環，并由隔爆可編程控制器進行PID 位置控制[18-20]。無線接收器與無線遙控器相互通信，進行控制信息與狀態信息的交互，兩者通過433 無線通信模塊以433/315 MHz 頻率進行自動跳頻通信，能夠有效防止無線電干擾。操作人員利用有線/無線遙控操縱器進行遙控操作，遠控距離20 m。

3 型式試驗

為驗證修復機各項性能指標及遠控系統工作的可靠性，修復機型式試驗于2019 年7 月在中煤科工集團西安研究院有限公司智能鉆探裝備及煤層氣開發產業基地進行，累計完成地面修復進尺50 m，修復厚度為0.3～1.2 m，遠控距離20 m,平均起底效率約2.8 m/h。

試驗結果表明，修復機參數基本達到設計要求，驗證了其結構穩定性及各項功能，檢驗了電控系統的各項性能，該設備具備較高的可靠性。

4 結 語

1）研制的煤礦用遠控巷道修復機具有施工效率高、工人勞動強度小、并且配備側卸式鏟斗及破碎錘等執行機構，適用性強，功能多樣等顯著特點。

2）整機具備鑿、鏟、裝、運為一體的功能，可以實現遠離巷道頂板冒落危險區域的遠控操作，提高巷道修復工作效率，為煤礦井下巷道圍巖修復治理的快速可靠施工提供裝備保證。

3）試驗結果表明煤礦用遠控巷道修復機各項技術指標滿足設計要求，并且充分證明修復機結構、液壓系統及電控系統設計的合理性和可靠性，修復機的研制為煤礦井下低矮變形巷道圍巖治理施工提供了裝備保障, 特別是針對煤礦井下巷道頂板和側幫危險區域的修復施工提供研究思路。