復雜條件下煤巷快掘系統關鍵參數確定及應用

高小虎，高 鵬

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

截止2020年，我國煤炭智能化礦井將近200家，與之匹配的快掘系統也得到了相應的發展[1-3]。巷道開拓作為礦井煤炭資源釋放的基礎，掘進速度與匹配的巷道支護技術尤為重要。《中國制造2025》明確提出：設備轉型是助力能源企業改革的關鍵技術，優質資源加速釋放有利于國民經濟穩定的發展[4-5]。

2014年，首套國產高效快速掘進系統應用于神東大柳塔煤礦5-2煤層的52501工作面，試驗得出其掘進效率是傳統綜掘的2～4倍。我國眾多專家學者從設備、支護工藝、采動圍巖變化等方面取得了豐碩成果。為實現巷道的長期穩定，采用合理的一次支護和二次支護來實，巖巷采用切縫藥包提高了爆破效率[6-7]。同時張農等[8]提出以空頂自穩距離為基礎參數的煤巷圍巖分類方法，突破復雜條件高密度錨桿錨索組合支護技術的瓶頸。毛清華等[9]建立的控制系統傳遞函數模型和基于PID的控制方法實現了煤礦懸臂式掘進截割頭位置的精確控制。黃陵礦區在2020年全面從生產到管理均邁入智能化的發展[10-12]。因此，提高巷道掘進單進速度，是企業進一步發展的必然要求。

通過生產設備、快掘工藝及邏輯對比分析，充分借鑒前人煤巷掘進-支護、圍巖等經驗。以陜西黃陵二號煤礦303掘進工作面為工程背景，開展復雜條件下煤巷快掘系統裝備的應用型研究，以期滿足煤礦的“一礦一策”的實質性生產要求，具有現實必要性。

1 快掘設備構成

1.1 傳統掘進工藝現狀

1.1.1 巷道掘進存在的關鍵問題

傳統掘進工藝交叉作業現象嚴重，導致掘進效率低，存在重大安全隱患。通過分析截割效率、支護、運輸、工序、輔助作業和環境6項主導因素，綜合得出14種影響掘進的因素，如圖1所示。

圖1 巷道掘進存在的關鍵問題Fig.1 Key problems in roadway excavation

1.1.2 原因分析

截割效率低：①聯巷工程量大，工藝繁瑣；②部分斷面截割速度慢，影響截割率。

支護效率低：①支護工序銜接性差；②臨時支護與上網自動化程度低。均需要人工輔助完成。

運輸效率低：轉接搭接長度短，更易產生撒煤。

工序均衡性差：①支護時間占比長；②掘、支、運交叉作業嚴重。

輔助作業環節多：①各裝備間協同性差；②輔助運輸困難；③系統移動繁瑣。所有接續作業均需要人工操作，人員占比高。

人機與環境不協調：①復任教業環境差；②設備故障排查困難；③工序勞動強度高。

通過歸納傳統影響掘進效果的因素，實現快掘系統的高效運轉，必須實現主要部件配合，使得掘、支、運平行作業。

1.2 快掘主要構成

快速掘進系統復雜，搭接環節多，是以空間換時間，是將掘進的工藝實現平衡。通過掘進的截割、支護的平行作業工序，融入到影響制約礦井成巷效率的掘進、運輸、錨護因素中。利用現有空間，將掘+錨+運的各關鍵部件整合。生產前掘錨機臨時支護開啟，穩定靴支撐。截割施工循環共分為7步，依次是截割、降臨時支護、收穩定靴、推進、鋪網、開啟升臨時支護和穩定靴、聯網、永久支護。因此，依次優化掘、支、運下的7種工序，形成平行作業是提高掘進效率的關鍵因素，有必要設計出關鍵部件的對應參數。

2 快掘設備關鍵部件參數確定

快速掘進系統主要由掘錨一體機、錨護轉載破碎一體機、連續運輸系統構成。通過計算進行各部件的運動和受力狀態分析，可得出關鍵技術參數。

2.1 機架及截割臂受力情況

根據實際需求，截割高度(4.6 m)、寬度(3.8 m)、支護高度(10.3 m)，截割距(1 m)等，得出機架及截割臂結構強度，如圖2所示。機架初始狀態下的整體處于穩定狀態約1.37 MPa。施加外力后，機架固定端受力最大，為102.67～171.11 MPa；搖臂固定端、履帶端基本處于穩定狀態。搖臂不受力時，強度明顯較低且低于機架穩定時的狀態。當滾筒截割時，搖臂Ⅰ端受力最大，在100～164.47 MPa之間。因此，所選鋼材必須進行熱處理，以滿足生產的需要。

圖2 掘錨機主機架、截割臂結構強度分布Fig.2 Structural strength distribution of main frame and cutting arm of roadheader

2.2 低比壓掘錨一體機

為了保證掘錨一體機工作狀態的穩定，根據生產需求將履帶寬度設計為800 mm，有利于降低比壓。履帶板、鏈輪采用8 000 t靜壓機靜壓模鍛，履帶板、鏈輪受力特征如圖3所示。履帶板屬于行走部件，受力時的分布特征基本呈現對稱，中間部位的受力最大，約6.62 MPa。中間部位的受力是其余兩孔的4.2倍。鏈輪運動狀態下，主要存在一個截齒為主受力點，隨著鏈輪運動的變化，受力點的應力具有明顯對稱性。因此，壓掘錨一體機檢修中，重點對履帶中部及齒輪磨損情況進行檢修，防治履帶斷鏈。

圖3 履帶板、鏈輪受力分布情況Fig.3 Stress distribution of track shoe and sprocket

2.3 錨護轉載破碎機

2.3.1 裝置組成

錨護轉載破碎一體機(錨桿轉載機)是集頂錨索支護、側幫錨桿支護、轉載破碎、履帶行走、牽引車等功能于一體的高技術集成度高的綜合機組。主要由左右行走機構、主機架、滑軌總成、風筒組件、自動錨鉆機、左右側幫錨鉆裝置、受料部、卸料部、破碎部、液壓系統、除塵系統和電氣系統等組成。該設備是整套快速掘進裝備組形成掘、支、運平行作業的關鍵設備之一，與掘錨一體機配套使用，進行錨索與側幫錨桿施工，同時將掘錨一體機落下的煤破碎，轉運和牽引可彎曲膠帶機，最大限度的釋放出掘錨一體機的掘進能力。

2.3.2 技術優勢

錨護轉載破碎一體機集頂錨索和幫錨桿支護、轉載、破碎、履帶行走功能于一體，4個全自動錨索鉆機獨立平行作業，支護效率高。2個獨立的側幫錨鉆裝置，鉆臂方位調整靈活且范圍大，適應巷道斷面大；操控系統采用總線的自動控制系統，通過現場總線傳遞信號，進行精準的電液控制。電氣系統采用PLC控制，配有漢字顯示裝置，保護功能齊全；整機自動化程度高，工人勞動強度小，支護效率高。

2.3.3 主要參數

根據設計巷道尺寸及圍巖特點，鉆車設計寬度為2 800 mm，高度為2 250 mm，機長為9 000 mm。為了不影響工作面掘進速度，調定最大調動速度為10 m/min，爬坡能力為±12°。其中伸縮臂套筒主要用于實現左右錨鉆鉆架的伸縮，由于其為懸臂結構，受力較為惡劣，伸縮臂套筒受力時應力分布圖如圖4所示，變形分布如圖5所示。由圖4、圖5可知，最大應力為241.25 MPa，最大值出現在油缸耳處；伸縮臂套筒受力時最大變形為3.7 mm，最大值出現在頂端。

圖4 伸縮臂套筒應力分布 Fig.4 Stress distribution of telescopic arm sleeve

圖5 伸縮臂套筒變形分布Fig.5 Strain diagram of telescopic arm sleeve

2.4 掘錨一體機

2.4.1 裝置組成

掘錨一體機是根據黃陵礦區的實際條件和需求研制的。整機采用多電機獨立驅動，模塊化設計方法，包含6大部件和4大系統，分別是截割部、裝載部、臨時支護、錨鉆裝置、底盤、運輸部；水冷噴霧系統、電控系統、液壓系統、集中潤滑系統。

2.4.2 技術優勢

截割與錨護平行作業，伸縮式臨時支護可前探至迎頭，作業控頂距小，能適應較差的頂板條件。采用油缸推進截割，截割時機身保持不動，降低履帶調動時對底板的破壞；低比壓履帶行走系統適應低硬度底板條件，履帶行走采用交流變頻調速技術，牽引能力強。行走減速器功率質量比為0.05 kW/kg，是傳統掘進機行走減速器的2倍。機載4頂和2幫錨桿機，6臺錨桿機可同時工作；鉆機操作采用進口電磁多路閥遙控操作，可實現“一人多機”便捷操控。鉆臂方位調整機構安全可靠、便于操作和調整，錨護作業減小設備移動，降低工作量。鉆機轉速高速700 r/min，低速100 r/min，最大扭矩可達315 N·m，生產能力25 t/min。

2.5 快掘設備確定

通過上述分析可知，快掘設備整體滿足高強度、高溫度和耐磨的要求。形成主要部件之間的平行作業，提高機械效率。主要設備配套見表1。

表1 快掘系列裝備配套Table 1 Rapid excavation equipment matching

3 現場應用效果

3.1 試驗場地地質條件

快速掘進系統試驗工作面為該礦井303膠帶巷，該巷道設計長度為4 209 m，寬度為5.4 m，高度為3.8 m。303工作面位于井田三盤區中部，西部、北部為未采區，南部緊鄰301工作面，東至三盤區輔運大巷，工作面走向方位為266°，工作面回采標高為+705～+731 m。303工作面地面對應位置位于焦溝附近，地表為中-低山林區，對應地表高度最高點為+1 440 m，最低點為+1 180 m，開采深度為485～715 m。303工作面開采煤層為2號煤層，屬于侏羅系中統延安組。煤層賦存特征及圍巖特性如圖6、表2所示。

圖6 煤層柱狀圖Fig.6 Coal seam histogram

表2 煤層圍巖物理特性Table 2 Physical characteristics of surrounding rock of coal seam

3.2 生產組織及掘進進尺

快速掘進系列裝備在黃陵二礦303工作面試驗運行期間，每班作業人數18人，總計54人，相較原人數降低了67.5%。實現了空間上的平行作業，提高了掘進效率，實現了“機械化換人，自動化減人”的總體目標。試驗期間每月分別完成進尺量593 m、608.6 m、588.8 m、624.7 m、603.5 m、611.7 m(6月份為零星工程，無掘進量)，平均每月進尺約605 m，總進尺3 630.3 m。快掘技術相比傳統綜掘尺(約270 m/月)高出335 m左右，人均提效約2倍，作業時間由25%提高至70%。粗略計算人工成本減少約1 600萬元/a。

3.3 支護效果

對快掘系統支護下的303工作面膠帶巷頂板及兩幫進行變形監測，監測結果如圖7、8所示。可見，頂板及幫部變形總體呈現降低趨勢，比較而言，巷道兩幫變化具有起伏特征。通過監測數據可知，初始支護狀態下，頂板及巷道的變形量在6～10 mm之間。隨支護時間的加長，頂板及兩幫位移量急劇減小；位移量減小到3 mm以內。總體的頂板及兩幫的變形量平均未超過5 mm，達到了較好的支護效果，滿足生產實際要求。

圖7 頂板位移情況Fig.7 Roof displacement

圖8 巷道兩幫位移情況Fig.8 Displacement of two sides of roadway

4 結論

(1)分析出影響掘進的6種因素，提出綜合利用空間、平行作業的快速掘進生產系統優化的方向。

(2)通過計算得出快掘主要部件的受力特征，提出必須選用高強度鋼、寬履帶，降低設備重心，重點檢修的環節。

(3)通過現場試驗，快速掘進成套設備與配套技術工藝可以滿足黃陵礦區復雜條件下高效快速掘進的生產需求，相比傳統綜掘工藝，改善工作面人員作業環境，提高了人員安全性，減少了人員勞作強度，符合煤礦“機械化換人，自動化減人”總體要求。