寺河礦多功能自動化快速封迎頭設備的研究與應用

范 愷

（晉能控股煤業集團寺河礦，山西 晉城 048200）

引言

在煤礦開采過程中，我國一直非常重視煤礦瓦斯突出的防治工作，并制定了一系列防突措施，在煤與瓦斯突出礦井，通常采取工作面預測的方法來完成局部防突工作。晉能控股煤業集團寺河礦是一座千萬噸高瓦斯突出礦井，除區域防突措施外，工作面預測為最主要的瓦斯突出防治手段，工作面預測前為避免迎頭片幫傷人，必須將工作面迎頭封好，才能進行工作面預測[1]。目前寺河礦封迎頭主要依靠人工來完成，在封迎頭過程中勞動強度大、時間長，容易造成安全事故。為了優化和改進工作面封迎頭工藝，降低工人勞動強度，提高安全作業效率，急需對瓦斯突礦井工作面機械化封迎頭設備進行研究，進而保證有效提高巷道掘進速度、迎頭作業的安全性以及自動化程度。

1 寺河礦現狀

晉能控股煤業集團寺河礦現采用EBZ220型掘進機及其配套設備掘進。使用EBZ220型掘進機割煤，配備SGW-40T型溜子、DSP-1070/1000型膠帶出煤。采用錨桿機支護頂部錨桿和錨索，采用ZQS-50/1.6S-0.4-0.63MPa-320rpm手持式風動鉆機完成巷幫的錨桿支護工作。割煤循環完成后，采用手持風動鉆機對掘進工作面進行封迎頭，采用ZQS系列鉆機和螺旋麻花鉆桿完成工作面預測。

在掘進工作面防突準掘距離為零時，按照規定需停止掘進，進行工作面防突預測，待預測達標后方可進行下一循環掘進。防突預測前需對工作面迎頭進行支護，當巷道支護空頂剩余最后一排時，需使用長釬桿對迎頭煤體進行敲幫問頂，當最后一排支護完成后，需人工在裸露煤體下使用手持風動鉆機施工錨桿，錨桿施工完成后掛迎頭護網（高分子塑料網）并緊固錨桿。在對迎頭進行支護的整個作業過程中，需安排專人監管，人員在作業過程中一直都暴露于空幫下，存在安全隱患。

2 機械化封迎頭裝備的研究

2.1 研究目標

本課題針對掘進工作面巷道斷面寬度6.6 m、高度5.5 m，需要研制一種可保護迎頭的多功能的現代化裝備，主要解決工作面迎頭防護、迎頭釋放孔、探測孔及錨桿錨索支護作業。經過對裝備總體結構設計，機械化封迎頭設備主要配備兩套鉆臂及可伸展的護迎頭裝置、機械鉆孔裝置，整機液壓控制裝置、電氣控制裝置，收放自如調整方便，能夠滿足不同地質條件和巷道斷面的使用要求，如圖1所示。

圖1 機械化封迎頭設備結構圖

2.2 主要結構

2.2.1 行走機構

封迎頭設備的行走是由油泵提供動力給液壓馬達，液壓馬達通過減速機構驅動鏈輪將動力傳遞給履帶實現行走，兩條履帶各由一臺液壓馬達驅動，履帶張緊機構由前部惰輪、后部張緊輪組、張緊油缸組成，給張緊油缸供液、泄液使得張緊油缸伸縮運動，油缸的伸縮運動使得張緊輪組前后運動，這樣可調整履帶的張緊程度，固定履帶的支撐架通常稱作為履帶架，機體兩側履帶架通過定位槽及8個M24高強度螺栓固定，在履帶的兩側面分別開有一個方槽，以便張緊油缸更換時的拆卸，兩側履帶的行走減速機分別使用8個高強度螺栓與履帶架聯接。行走由操作臺操縱十聯閥控制，將控制行走的兩個手柄同時向前推動，即實現該封迎頭設備的向前行走；將兩個手柄同時向后拉，即實現該封迎頭設備的向后行走；當操作鉆車進行轉彎時，要根據彎道的轉向及角度，將一個手柄向前推的同時向后拉另一個手柄或一個手柄向后拉的同時向前推另一個手柄，如圖2所示。

圖2 設備行走機構

2.2.2 封迎頭支護

封迎頭支護是本裝備進行巷道支護作業的重要部件，封迎頭裝置設置在機組最上方，采用油缸+機械的結構，通過油缸伸縮向上抬起及向前伸縮，護網可靈活伸出收回，最高施工高度可達5.5 m，如圖3所示。當進行迎頭防護時，操縱操作閥手柄，通過支護升降油缸及支護回轉油缸整體調整封迎頭裝置，將伸縮臂向前伸出，將前防護網及側防護網伸出，擋梁伸出，橫梁升起，對迎頭、頂板、側幫實施防護，如圖4所示。

圖3 封迎頭支護裝置收起

圖4 封迎頭支護裝置展開

2.2.3 前部支撐機構

前部支撐機構裝于機體前部位置，與左右鉆臂可整體滑動到鉆車前方。鉆孔施工前，前部支撐伸出，與地面接觸，穩定整車，如圖5、圖6所示。

圖5 前部支撐收回圖

圖6 前部支撐伸出圖

2.2.4 液壓系統

液壓系統是由泵站、油箱、液壓馬達、油缸、閥組、操作臺及相互聯接的高壓管路組成[2]。液壓系統主要提供設備的動力，鉆車的前后行走、行走履帶的張緊、鉆臂機構的各種動作、推進機構的各種動作、封迎頭支護裝置的伸縮及其他各種動作、前部支撐機構的升降以及提供設備在作業過程中所需的動力。泵站是由一臺防爆電機（45 kW），驅動一臺負載敏感雙聯泵，經四組比例換向閥，將由泵體輸出的壓力油分別送給各執行機構，來完成封印頭設備各部件的動作。在控制臺上各裝有一組（共兩組）十聯換向閥，通過操作十聯換向閥上的手柄來實現各油缸及液壓馬達的動作，并通過操作手柄還能實現各油缸及液壓馬達的無級調速；其中，行走機構由操作者操縱十聯閥上的手柄，控制十聯閥向行走液壓馬達供油，通過液壓馬達上的換向閥來控制行走馬達的正、反轉，實現鉆車的前進、后退。系統的壓力值可通過操作臺的一個壓力表顯示。

2.2.5 電氣部分

該封迎頭設備的電氣系統主要是由一臺礦用隔爆電機（45 kW）和礦用隔爆兼本質安全型真空電磁起動器等兩大部分組成[3]。使用礦用隔爆兼本質安全型真空電磁起動器來實現電機的起、停及各種保護和報警功能。電氣附件包括：甲烷傳感器，機身前后照明燈，工作臺電機啟停按鈕，機身左、右工作臺急停按鈕，電機起動電鈴。主控電氣系統主要包括主回路部分、電源部分、保護部分、控制部分及顯示部分等幾部分。

本裝備使用礦用隔爆兼本質安全型真空電磁起動器，性能達到國內先進技術水平，可替代進口市場，前景廣闊，并選用了多功能綜合保護器，采用了先進的微處理器高精度的數據處理及先進的保護算法、保護精度高，反應速度快。本系列本質安全型真空電磁起動器符合在煤礦井下介質中有瓦斯、爆炸性煤塵等可燃性、爆炸性混合物氣體、煤塵的環境中使用，在交流電壓1 140 V，額定電流至120 A、200 A的電路中，可以實現直接或遠距離控制礦用隔爆型三相鼠籠式異步電動機的起動、停止之用，還可以在被控電動機停止時進行換向。

3 應用

該裝備在晉能控股煤業集團寺河礦掘進工作面進行了工業性試驗。在工作面最后一排支護完成后，需對工作面迎頭進行支護時，將該機器迅速開至工作面迎頭，通過支護升降油缸及支護回轉油缸整體調整封迎頭裝置，將伸縮臂向前伸出，將前防護網及側防護網伸出，擋梁伸出，橫梁升起，對迎頭、頂板、側幫實施防護，再使用該機器上的鉆臂機構對迎頭進行支護工作。根據為期一個月的現場使用效果及統計，使用過程中節約了一半的勞動力，縮短了工作時間，并且安全得到了更好的保障，應用前后對比統計如下頁表1所示。

4 結語

該裝備以晉能控股煤業集團寺河礦井下生產過程中包迎頭工藝存在不足為背景進行研究。本人結合現場實際，通過對護迎頭裝置結構的設計來實現職工作業環境的安全；通過對機械鉆孔裝置結構的設計來降低職工的勞動強度；通過對前部支撐機構的研究使得設備在運行中保持平穩；通過對裝備總體結構設計，使該裝備機構緊湊，操作方便，能夠方便快捷地對迎頭進行快速安全封護，并且在輔助工序施工完畢后又能安全高效地進行撤離。通過對該設備的研究，既促進了礦井高效率的生產，又保證了職工在生產過程中的生命安全，進一步為礦井的安全生產保駕護航。

表1 使用效果對比表