煤礦井下自動化高速掘進系統分析

王永軍

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部趙莊二號井，山西 長治 046000）

引言

煤礦井下的綜采作業是截割、臨時支護、永久支護、鏟運的結合，涉及工序和設備較多。受井下復雜的地質環境影響，現有綜采面的自動化綜采程度不高，井下作業人員多，已經成為限制井下綜采作業效率進一步提升的瓶頸。在對各個綜采作業工序現狀進行分析后發現目前臨時支護多采用錨桿支護，效率低，安全性差，無法實現隨掘進機的自移式支護，成為對綜采效率影響最大的因素。本文結合煤礦井下的實際情況提出一種新的煤礦井下自動化高速掘進工藝。

1 煤礦井下高速掘進系統結構

該煤礦井下高速掘進系統，以自移式自動支護設備為核心，可實現與掘進設備、運錨設備的自動匹配作業，解決了傳統掘進方案中影響掘進效率提升的最關鍵瓶頸，該高速掘進系統的整體結構如圖1所示[1]。

由圖1可知，該高速掘進系統主要包括掘進設備、自移式支護設備、運錨機、通風系統、輸送系統等。在掘進作業過程中，掘進機在自主截割控制系統的作用下進行巷道掘進和落煤作業，掘進過程中的落料通過轉載機傳輸到帶速輸送機上，完成落煤的自動傳輸。

隨著掘進機的不斷前進，自移式支護設備不斷調整自身的支護狀態，和掘進機的進給作業保持同步性，實現對新截割作業區域的臨時支護。隨著掘進機的移動，在掘進機后側的運錨設備自動進行打孔及錨桿固定，完成巷道井下的永久支護，礦井通風系統則負責在巷道掘進過程中不斷輸入新鮮的空氣，確保井下掘進面上的通風安全。

圖1 煤礦井下高速掘進系統結構示意圖

該井下高速掘進系統的優點在于，基本工藝流程和現行巷道掘進工藝流程一致，只需對臨時支護段進行優化，以自移式支護設備取代傳統的人工支護，并對綜合控制系統進行優化即可，改造成本低，可靠性好，便于大范圍推廣。

2 自移式支護設備整體結構

結合巷道掘進過程中臨時支護的需求，自移式支護設備需要能夠保證移動過程中的穩定性，同時還要保證對支護區域支護的穩定性，因此本文所提出的自移式支護裝置的整體結構如圖2所示。

由圖2可知，該支護裝置主要包括了支架、側支撐和頂梁三個部分[2]，各個支架（分奇數組支架和偶數組支架）通過串聯的形式進行組合，每個支架呈“門”型結構，以跨越的形式支護在掘進機的上側，實現對新掘進區域的保護。每個支架能夠獨立地調整支護高度和傾斜度，從而能夠適應井下復雜的地質環境，提高使用的靈活性，支護裝置兩側設置的側支撐結構主要用于對巷道兩側進行支護，防止出現側幫垮落，在支護裝置的上側布置由頂梁，呈“X”狀布置結構，具有較大的支護面積和支護穩定性。整個自移式支護裝置通過電信號進行控制，各個動作均通過執行油缸驅動，結構緊湊，可靠性高。

圖2 自移式支架整體結構

3 支架組結構

自移式支護裝置的支架組包括偶數組支架和奇數組支架，兩者相互配合，實現自移式支架組的靈活調整，具有模塊化程度高、適應性強的優點。奇數組支架主要包括了前探梁、平移機構、頂梁等，其整體結構如圖3所示。

圖3 奇數組支架結構示意圖

由圖3可知，在奇數組支架上設置有前探梁，主要是用于在支護時輔助設置鋼絲網、錨索等，奇數組上的頂梁均通過油缸獨立控制，能夠呈現較大的支護傾角，對巷道頂板的適應力強，滿足不同頂板的支護需求。支架的立柱采用了套筒式結構，支座和立柱通過球體鉸接，立柱通過油缸調節，能夠實現不同高度的調整，從而適應不同地質條件下的巷道。平移機構是一種類似剪刀型的裝置[3]，用于對奇數組支架和偶數組支架進行連接，確保在移動過程中能夠靈活調整自移式支護裝置的支護狀態，具有柔性好、靈活性高的優點。

偶數組液壓支架的整體結構如圖4所示[4]。

圖4 奇數組支架結構示意圖

由圖4可知，偶數組支架和奇數組支架最大的區別在于偶數組支架沒有前探梁，而且只要2個頂梁。主要目的是實現和奇數組支架的相互配合、交錯支撐，保證在移架時能夠盡可能地增加對頂板的支護面積。同時偶數組支架的側支撐結構和奇數組支架的也不同，主要是和奇數組支架的側支撐形成交替，滿足在交替過程中盡量增大側幫支護面積的需求。

4 結論

1）煤礦井下高速掘進系統，以自移式自動支護設備為核心，可實現與掘進設備、運錨設備的自動匹配作業，解決了傳統掘進方案中影響掘進效率提升的最關鍵瓶頸；

2）自移式支護裝置的支架組包括偶數組支架和奇數組支架，兩者相互配合，實現自移式支架組的靈活調整，具有模塊化程度高、適應性強的優點。