煤礦智能化快速掘錨成套裝備的開發與應用研究

唐滿富

（中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林 719000）

1 工程概況

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦位于陜西省榆林市榆陽區西部，井田面積280.03 km2，礦井資源儲量50.582 9 億t，可采儲量32.750 6 億t，礦井設計生產總規模1500 萬t/a。大海則煤礦201 工作面主采2 號煤層，埋深547.95～654.95 m，煤層平均厚度6.32 m，煤層平均傾角1°。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖為主，厚度1.2～3.4 m；底板以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主，厚度1.4～2.8 m。2020 年根據集團公司安排，結合大海則煤礦工程項目建設情況，設計開發了適應大海則煤礦煤層地質條件的高可靠性、高性能的智能化快速掘錨成套裝備[1-2]，并在201 工作面進行實踐應用。

2 智能化快速掘錨成套裝備及核心技術研究

2.1 智能化快速掘錨成套裝備及技術參數

按照大海則煤礦201 綜放工作面巷道生產工藝要求，設計了智能化掘錨一體機、液壓錨桿鉆車、帶式轉載機等關鍵快速掘錨成套設備，解決掘進、錨護、運輸的連續作業問題。各設備主要參數如下：

（1）掘錨一體機

掘錨一體機技術參數：總功率≥500 kW；電源電壓1140 V；生產能力≥20 t/min；截割高度3.5～4.5 m；截割寬度5.1～5.6 m/6.0～6.5 m；鉆機數量8 個（4頂+2 幫+2 探水鉆機）；行走方式為靜液壓驅動，濕式駐車制動；離地間隙≥210 mm；質量≤90 t。

（2）液壓錨桿鉆車（兩臺，分為1 號、2 號）

液壓錨桿鉆車的技術參數：總功率≥270 kW；電源電壓1140 V；適應傾角為行走時縱向17°、橫向4°，截割時縱向12°、橫向4°；鉆機數量7（1 號車：3 頂+4 幫）/5（2 號車：3 頂+2 幫）；行走方式為靜液壓驅動，濕式駐車制動；離地間隙≥150 mm；質量≤70 t。

（3）帶式轉載機

帶式轉載機的技術參數：總功率≥55 kW；電源電壓1140 V；帶寬≥1000 mm；帶速≥3.5 m/s；輸送能力≥1400 t/h；質量25 t；輸送距離≥70 m；搭接距離≥60 m；輸送帶張緊行程≥1200 mm；輸送帶張緊方式為油缸張緊；行走方式為尾部與錨桿鉆車連接，與錨桿鉆車隨動。

2.2 智能化快速掘成進套裝備核心技術分析

（1）掘錨同步、平行作業，多套鉆機協同順序作業

截割機構伸縮一個截距一次截割全斷面成型，截割的同時掘錨機（配備第一排4 頂錨鉆機，第二排2 幫錨鉆機）第一排頂錨鉆機、第二排幫錨鉆機同時工作。在一個截割循環時間內，同時打4 個頂錨桿和2 個幫錨桿；在第二個截割循環時間內，第一臺錨桿鉆車（配備第一排4 頂錨鉆機，第二排3幫錨鉆機）、第二臺錨桿鉆車（配備第一排3 頂錨鉆機，第二排2 幫錨鉆機）可完成剩下的錨桿支護。通過掘錨平行作業，多套鉆機協同順序作業，2 個掘進循環時間可以完成巷道一個斷面至少16 根錨桿的鉆錨作業，大幅提高了掘進效率。

（2）大扭矩超前鉆機

該成套裝備配備2 套大扭矩超前鉆機，最大進給力可達30 kN，鉆孔效率高，操作便捷；可配備95、65 鉆頭，一組120 m 深度前探孔8 h 即可完成，一個月可節省3～5 d 用于巷道掘進，有效節省掘進前探時間，提高掘進速度。

（3）精準高效的智能導向系統

智能快掘成套裝備導向系統采用防爆陀螺定向系統+全站儀，配合礦方激光導向設備，可以實時數字導向，自動方向糾偏，巷道掘進方向四面誤差可以控制在30 mm 以內，實現巷道“兩平兩直”高標準化要求。智能導向系統可減少工程測量人員煩瑣的測量和矯正工作，效率提高50%以上，增加了掘進時間，提高了掘進進尺。

（4）截割機構實時位置虛擬在線技術

智能快掘成套裝備在截割機構開發方面，首次引進實時在線虛擬技術，將截割機構動作軌跡實時映像在顯示屏上，可以實現程序控制數字截割及實時人工干預。該智能技術的應用，使快掘成套裝備的智能化自動截割成為現實。

（5）錨桿鉆機自動控制技術

智能化快掘成套裝備上錨桿鉆機均可實現遙控操作，配備的鉆機可實現錨桿、錨索兩用，所有錨桿鉆機都具有多個自由度，可實現截面錨桿位置全覆蓋，靈活快捷、定位精準。在控制方式上，通過程序科學控制鉆錨順序，依次自動打鉆、自動推進及回退，可以實現一人同時控制多臺錨桿鉆機的錨鉆工作，有效減少現場施工人數。

（6）成套裝備的智能連鎖控制技術

① 實現成套裝備的順序控制：啟動時，轉載機→2 號錨桿鉆車→1 號錨桿鉆車→掘錨機；停止時，為掘錨機→1 號錨桿結車→2 號錨桿鉆車→轉載機。順序控制可有效減少煤料堆積，保障系統正常工作。

② 任一臺設備出現故障或操作任一急停按鈕時，能及時保證整套設備全部停止，有效防止安全事故和設備損壞。

（7）完備的故障自診斷和在線監測系統

通過智能控制技術將所有設備控制單元進行協同控制和集中控制，通過可視化顯示界面直觀地顯示出來，實現了參數實時在線監測，同時對各控制環節信號及時對比分析和階段存儲。出現故障后，通過數據自動分析對比，可及時自動診斷故障位置、故障類型，并通過屏幕和語音提示，快速進行反饋，便于及時排查和解決。

3 智能化快速掘錨成套裝備設備性能與結構研究

3.1 截割機構進給速度與截割速度的匹配性研究

截割機構在進給和截割過程中，進給速度和滾筒轉速必須有一個科學合理的匹配速度，截割才能平穩，才能保證掘錨機上鉆錨工作的平行進行。經過多次試驗和分析研究，結合煤層硬度情況，通過優選不同長度截齒、調整掘錨機伸縮油缸伸縮速度，最后獲得了合理的匹配速度。

3.2 錨桿鉆機優化布置的研究

在試驗過程中，鉆機數量增加后，相互之間空間狹小，鉆機自由度受到限制，對人員操作也存在一定影響，掘進效率提高有限。經過分析后，將頂錨桿鉆機4 個調整為2 個，增加X、Y 方向上的移動行程，同時將多余的空間改為操作平臺，大幅改善工人的操作靈活性，配合遙控和錨桿鉆機智能化順序控制，4 個人減少到1 個人，效率還提升了20%。

3.3 運輸系統各設備之間的銜接技術研究

運輸系統的可靠高效能保證快速掘進。成套裝備運輸系統的銜接主要是通過刮板輸送機搭接轉載運輸，工作順序采用程序加人工干預進行順序梯次行進。掘錨機、錨桿鉆車、轉載機之間要保證至少一個半截割循環的搭接尺寸才能保證煤料運輸的平穩運行，要保證后續設備運輸能力不小于前一臺設備，同時要考慮底板的平整性，要保證后一臺設備在左右傾斜2°、前后傾斜5°的特殊情況下，接煤斗不出現撒煤和漏煤的情況。因此對接煤斗的設計、設備之間的銜接速度、運輸設備之間的運輸量匹配等進行了深入的研究和分析，有效地保證了運輸系統的正常運行。

3.4 智能化快速掘錨成套裝備除塵研究

該煤礦井下巷道除塵方式主要有：主機配套內外噴霧、長壓短抽濕式水幕除塵。該項目裝備前期配備內外噴霧+機載濕式除塵系統，除塵效率能達到60%。存在問題主要表現在：（1）成套裝備配套設備較多，內、外噴霧對水量需求較大，大量水排放在巷道迎頭，造成設備行走困難。（2）內外噴霧水壓力不高，無法形成水霧，內外噴霧除塵效果不佳。（3）掘錨機機載濕式除塵器無法后接風筒，直接排風，帶水霧高壓風的排風口正對后部鉆車，造成鉆車錨鉆作業無法正常進行。

經過深入分析研究和市場調研，引入了泡沫除塵系統。泡沫除塵系統采用外噴霧形式，節省空間，用水量少，除塵效率達到98%以上。同時，控制內噴霧水量，僅滿足冷卻設備需要即可。改進后除塵效果明顯改善，也解決了巷道迎頭積水現象，為掘錨平行作業提供了重要的環境保障。

4 結論

煤礦智能化快速掘錨成套裝備集掘錨同步、超前探放、智能導向、一次成巷、負壓除塵、數字截割、數據交互、遠程操控八大功能于一體，真正實現掘、支、運同步作業。該裝備自2021 年4 月下線，在大海則煤礦201 工作面應用以來，平均月進尺超過1200 m，最高單日進尺91.5 m，最高月進尺2020 m。該快速掘錨成套裝備在大海則煤礦201 工作面的成功應用，大幅度提高了掘進生產效益，保證了礦井生產安全。