護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 星，周建龍，鞏孔正，李 軍

（西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710200）

引言

掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)之一，對礦井安全、生產(chǎn)布局和開采效率影響重大。隨著重點(diǎn)煤礦高效集約化的深入，對巷道掘進(jìn)進(jìn)尺需求大幅增加。適用于大斷面一次成巷的掘錨系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)，而煤礦掘進(jìn)面掘錨不同步、錨護(hù)時(shí)間長、掘進(jìn)隊(duì)伍龐大、空頂距要求嚴(yán)格等問題突出，已成為制約礦井安全、高效、集約化生產(chǎn)的共性關(guān)鍵問題。

掘錨成套裝備是適用于高產(chǎn)高效礦井煤礦巷道快速掘進(jìn)的掘錨一體化設(shè)備，主機(jī)是全斷面橫軸掘進(jìn)機(jī)，后配鉆錨、運(yùn)輸及除塵等設(shè)備，護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)將橫軸掘進(jìn)機(jī)與護(hù)盾式臨時(shí)支護(hù)有機(jī)地組合起來，減少掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的空頂距，采用邁步式移動(dòng)方式，設(shè)計(jì)的滑臺裝置與配套的鉆錨機(jī)組相配合，在一個(gè)截割步距內(nèi)完成掘錨工序，適用范圍廣、掘進(jìn)效率高，可實(shí)現(xiàn)掘錨同步，在煤礦巷道快速掘進(jìn)、提高錨桿支護(hù)效果及促進(jìn)安全生產(chǎn)等方面具有很大的優(yōu)勢[1-3]。

1 護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)

護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、滑臺機(jī)構(gòu)、前護(hù)盾、后護(hù)盾、超前探鉆機(jī)、液壓系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、水系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等組成，可配套鉆錨機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、自移機(jī)尾和智能控制中心等，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)面的截割、支護(hù)和煤巖的連續(xù)運(yùn)輸?shù)纫螅约皩?shí)現(xiàn)掘錨同步、分段支護(hù)、連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)、高效除塵、集控與協(xié)同控制等功能于一體的智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)，促進(jìn)安全、高效、智能、快速掘進(jìn)[4]。

根據(jù)小保當(dāng)煤礦的需求，定制研發(fā)適應(yīng)于大斷面膠運(yùn)順槽（截割斷面寬度6.5 m、高度4.3 m）的掘進(jìn)機(jī)，相關(guān)參數(shù)要求如下：

截割寬度6～6.5 m、截割高度3～4.4 m，截割功率270 kW，接地比壓0.28 MPa，前護(hù)盾和后護(hù)盾，系統(tǒng)壓力25 MPa，濕式除塵+泡沫除塵，隔爆兼本質(zhì)安全型電控系統(tǒng)。

除塵系統(tǒng)選用負(fù)壓除塵，將風(fēng)機(jī)電機(jī)布置在機(jī)尾，用風(fēng)筒延伸至掘進(jìn)端，另一側(cè)也布置有風(fēng)筒，為巷道進(jìn)風(fēng)，由于護(hù)盾為全斷面包圍式結(jié)構(gòu)，因此風(fēng)筒可在盾體內(nèi)上方沿兩側(cè)布置。

2 盾體的設(shè)計(jì)

盾體分為前后兩部分，通過銷軸連接到前后底座上，底座兩側(cè)設(shè)計(jì)有推移油缸，在前后盾體的頂部也設(shè)計(jì)有兩個(gè)推移油缸，前底座上設(shè)計(jì)有滑臺裝置，液壓平臺及電控裝置設(shè)置于后底座，通過四個(gè)推移油缸可實(shí)現(xiàn)盾體的前進(jìn)。

盾體兩側(cè)的設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，通過油缸可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，具體過程為：前盾體離頂，后盾體撐頂，推移油缸前伸，推動(dòng)前盾體前移，接著前盾體撐頂，后盾體離頂，推移油缸拉動(dòng)后盾體前進(jìn)，繼而完成一個(gè)步距，此過程頂部兩個(gè)油缸會(huì)發(fā)生傾斜受拉，因此在前后盾體落差值上會(huì)設(shè)置一個(gè)范圍，當(dāng)落差值接近設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。另外，盾體兩側(cè)內(nèi)部也設(shè)有油缸傳感器，以此來檢測前后盾體的落差。

盾體底部也分前后兩部分，前底板安裝鏟板部和滑臺裝置，鏟板寬度與截割寬度相匹配，為方便井下運(yùn)輸和安裝，特將鏟板兩側(cè)設(shè)計(jì)為可伸縮式，并設(shè)計(jì)限位裝置，后底板安裝液壓操作平臺及電控系統(tǒng)。運(yùn)輸機(jī)橫跨前后盾體，前端與鏟板內(nèi)側(cè)鉸接，向后沿滑臺底座朝上傾斜，一運(yùn)刮板采用中單鏈結(jié)構(gòu)，在龍門處設(shè)計(jì)有破碎裝置，防止大塊煤掉落后卡鏈，后底座上設(shè)計(jì)有二運(yùn)連接裝置，可配合一運(yùn)將煤巖從后側(cè)運(yùn)出。

為保證巷道成型質(zhì)量，將盾體前端兩側(cè)和頂部伸縮板前端均設(shè)計(jì)為尖齒形，可以去除煤壁兩次高點(diǎn)，為之后的錨護(hù)創(chuàng)造良好條件。另外，在后盾體底座上設(shè)計(jì)有抬底油缸，目的是防止底板浮煤較多時(shí)導(dǎo)致底板起伏，盾體前進(jìn)困難。

根據(jù)小保當(dāng)煤礦賦存地質(zhì)條件下的快速掘進(jìn)裝備的支護(hù)工藝要求，錨桿的間排距為1 m，因此，設(shè)計(jì)推移油缸行程為1 m。

截割時(shí)，機(jī)組配備的濕式除塵和泡沫降塵裝置使工作面除塵率達(dá)到98%以上，司機(jī)可站在盾體內(nèi)側(cè)，使用遙控操作，視線好而且安全。

3 滑臺的設(shè)計(jì)

為滿足掘錨同步的要求，在前盾體底座上設(shè)計(jì)有滑臺裝置，將截割部安裝到滑臺上，通過兩個(gè)導(dǎo)向柱和滑臺推移油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)組不動(dòng)時(shí)截割部前進(jìn)割煤。

為保證支護(hù)要求，滑臺油缸行程也是1 m，截割時(shí)，截割部抬起，油缸推動(dòng)滑臺帶動(dòng)截割前進(jìn)進(jìn)刀，然后截割下降割煤，截割降到地面后，滑臺油缸收回，截割拉底煤，完成一個(gè)截割動(dòng)作。滑臺兩側(cè)各裝有一套超前鉆探，滿足“逢掘先探”的要求。當(dāng)遇到有夾矸或硬煤時(shí)，進(jìn)刀量可適當(dāng)減少。

截割滾筒寬6～6.5 m，可實(shí)現(xiàn)巷道斷面一次成型，配合同等寬度尺寸的鏟板，保證落煤的連續(xù)裝運(yùn)。

4 應(yīng)用

首臺研發(fā)的大斷面橫軸護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)，用于小保當(dāng)煤礦112204 膠運(yùn)順槽長度為6 300 m，設(shè)計(jì)在2-2煤層中，該煤層賦存于延安組第四段頂部，平均煤厚5.55 m，以厚煤層為主，采用沿底掘進(jìn)方式，并預(yù)留300 mm 的底煤。

經(jīng)過初步應(yīng)用，日進(jìn)尺40 m，操作安全性高、故障率小，能夠?qū)崿F(xiàn)掘錨同步。后配套的鉆錨機(jī)組高效快速、鉆孔位置準(zhǔn)確，經(jīng)過后期磨合，日進(jìn)尺穩(wěn)產(chǎn)50 m以上，達(dá)到快速掘進(jìn)的設(shè)計(jì)目的。新研發(fā)投入的國產(chǎn)大斷面橫軸式掘錨機(jī)，可有效降低我國在大斷面煤巷快速掘進(jìn)裝備方面對國外產(chǎn)品的依賴，降低整機(jī)購置、配件及服務(wù)成本、縮減配件工期。同時(shí)，提升了我國高端煤機(jī)研發(fā)與制造的技術(shù)水平，對于智能煤礦、智慧礦區(qū)的建設(shè)起到技術(shù)與裝備支撐作用。