黃陵二礦輔運巷快速掘進系統裝備研究

張宏升,高文博,馬曉博,鮑銀輝

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

隨著煤礦巷道掘進機械化程度的提高,錨桿、錨網支護速度難以適應快速掘進,這在一定程度上制約著煤礦巷道掘進速度[1-2]。常用的掘進與支護組合方式有連續采煤機配錨桿鉆機、掘進機配單體錨桿鉆機、掘錨一體機等[3-4]。

目前煤礦井下巷道掘進常常受到高地應力的影響,加上機械掘進的影響,巷道圍巖完整性較差[5-6]。在這種情況下,使用連續采煤機配錨桿鉆機時,通常需要采取短掘短支的支護模式,限制了掘進速度[7-8];使用掘進機配單體錨桿鉆機時,輔助作業難度較大、機械化程度低、掘進速度較慢[9-10]。錨掘一體機掘進、支護的自動化水平較高,在開挖完成后無需后退,就能完成圍巖支護,對于地質條件的適應性較強[11-14]。黃陵煤礦215輔運巷掘進范圍內地質條件比較復雜,圍巖破碎區域較多,在巷道掘進過程中采用基于智能控制的掘錨一體機,實現了巷道的快速掘進與支護,且降低了工人工作量,提高了掘進安全性。

1 巷道概況

黃陵煤礦215輔運巷煤層厚度2.7～3.6 m,平均厚度為3.0 m。煤層結構簡單,含0～3層夾矸,煤層傾角0°～4°,平均傾角2°。煤層頂底板情況見表1。巷道掘進工作面為矩形設計,掘寬4.6 m,掘高3.8 m,面積17.48 m2。已有地質材料及鄰近回采面揭露顯示,215輔運巷掘進區域內存在多處斷層,且圍巖較為松軟、破碎,巷道掘進時容易出現片幫、圍巖變形量大等問題,煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 快速掘進系統

快速掘進系統如圖1所示。適應巷道寬度不小于5.2 m。適應巷道高度不小于3.8 m。膠帶搭接行程約為20 m。系統總長約為100 m。電壓等級為1 140 V。該系統實現了掘進工作面掘進、支護、運輸全工序機械化連續作業;皮帶輸送機拉移次數降低,實現了巷道掘進快速推進。有助于增強巷道粉塵綜合治理,改善作業環境。智能化技術助推綜掘工作面實現安全、減人、增效掘進。

圖1 快速掘進系統Fig.1 Rapid tunneling system

配套設備包括EBZ260M-2掘錨機,作用是完成巷道掘進、出料及頂錨桿的支護;CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車,作用是完成滯后錨桿、錨索的補強支護;可彎曲皮帶轉載機,作用是與邁步自移機尾重合搭接,保障連續掘進;DWZY800/1200邁步自移機尾,作用是機尾可自移,自動延伸帶式轉載機;干式除塵系統(選配),作用是控制及處理工作面粉塵;智能控制系統,作用是對系統裝備進行系統控制、遠程監控。

2.1 EBZ260M-2掘錨機

掘錨機如圖2所示。掘錨機的長×寬×高為14.0 m×3.4 m×2.1 m;鏟板寬度為3.6 m;截割功率為260 kW;履帶板寬度為650 mm;可截割硬度不大于90 MPa;機載錨桿鉆機2臺;機重100 t;鉆機最大轉矩為315 N·m;定位可掘最大高度5.0 m;鉆箱額定轉速為600 rpm;定位可掘最大寬度為6.1 m;鉆箱最大進給長度為1 820 mm。

圖2 EBZ260M-2掘錨機Fig.2 EBZ260M-2 excavating and anchoring machine

掘錨機特點:機身兩側為鉆機系統,機身上方為操作臺。錨桿鉆機系統軌道為整體鑄造式。通過電液遙控控制錨桿鉆機系統,適應不同狀況巷道全斷面支護。通過機械化作業完成錨桿、錨索支護,增加臨時支護裝置,提高人員作業安全、降低勞動強度,避免打孔時人員淋水,降低噪音,改善人員作業環境。

2.2 CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車

鉆車如圖3所示。適應巷道寬度范圍為5 300～6 900 mm;適應巷道高度范圍為3 500～5 500 mm;行走方式為履帶行走;行走速度范圍為0～10 m/min;爬坡能力范圍為±10°;接地比壓為0.15 MPa;鉆臂數量為5個;鉆箱最大扭矩為310 N·m;除塵方式為濕式;電氣系統電壓1 140 V;煤礦用錨桿鉆車采用跨騎式結構,履帶行走,可彎曲皮帶機從鉆車下方穿過;各個鉆臂獨立平行作業,可同時進行頂板和側幫支護,支護效率高;緊湊型、模塊化跨騎式機身結構;復雜機身結構條件下除塵風道集成。

圖3 CMM5-30Y跨騎式錨桿鉆車Fig.3 CMM5-30Y straddling anchor rod drilling vehicle

2.3 可彎曲皮帶轉載機

轉載機運輸距離約為54 m;膠帶寬度為1 000 mm;驅動功率為2×45 kW;運輸能力最大為1 600 t/h;帶速范圍為0～4 m/s;膠帶張緊行程為1 800 mm;膠帶張緊方式為液壓油缸自動張緊;水平最小可彎半徑為10 m;驅動形式為電動滾筒;調速方式為變頻調速;可實現移動式的彎曲運輸,移動采用被動牽引,皮帶架下方布置膠輪和獨立的油氣懸掛機構;動力站通過液壓馬達+減速器+銷齒銷排機構在邁步剛性架上行走,可拖動可彎曲膠帶轉載機后退;動力站的操作帶遙控功能,動力站的移動和膠帶的啟?？蛇b控操作。

2.4 DWZY800/1200邁步自移機尾

自移機尾如圖4所示。裝機功率為55 kW;外形尺寸為21 290 mm×2 290 mm×835 mm;整機重量約為22 t;供電電壓為1 140/660 V;移動方式為無反復撐頂自移式;適應帶寬為800 mm;運輸能力為800 t/h;搭接行程為10 m、14 m、17 m、20 m;推移行程為1 200 mm;側移油缸行程為120 mm;抬升行程為250 mm;適應變坡角度小于<8°;自帶動力源,可自適應巷道的起伏變化;無需退機拉移、打地錨,可實現機身自移;無需反復撐頂即可實現整機的抬升、推移、調偏;可布置移變、電纜車、材料車等,減少輔助設備拖移工序;可實現遠程遙控操作。

圖4 DWZY800/1200邁步自移機尾Fig.4 DWZY800/1200 walking self-moving machine tail

2.5 干式除塵系統

干式除塵系統如圖5所示。處理風量為600 m3/min(偏差不超過8%);適應巷道面積不大于24 m2;電壓為660/1 140 V;風機電機功率為2×55 kW;排灰電機功率為0.75 kW;外形尺寸(含風機)不大于12.0 m×1.4 m×1.2 m;總粉塵除塵效率不小于99.5%;呼吸性粉塵除塵效率不小于99%;濾袋形式為旁插扁框濾袋;壓縮空氣消耗量不大于3.5 m3/min;壓縮空氣壓力不大于0.45 MPa;整機質量不大于6 700 kg。

圖5 干式除塵系統Fig.5 Dry dust-removing system

干式除塵風機類型為扁框濾袋式干式除塵風機,濾布類型為扁框無龍骨。濾布采用旁插結構,濾布在設備一側進行拆裝,方便現場維護。清灰方式為采用時序式的全自動連續清灰,無需人工操作。

2.6 智能控制系統

智能控制系統有6大功能:①本機、視距、超視距、地面控制;②邊界標定、記憶切割;③工作人員安全管控;④工況監測、故障診斷;⑤慣性導航系統;⑥集中供電、時頻監控。

實現掘進機、轉載機和自移機尾一鍵遠程智能控制,掘進機和自移機尾控制相互閉鎖。除了能適應矩形、梯形、拱形等規則巷道,還可以根據巷道實際情況進行不規則形狀記憶切割。具體操作方法是工作人員使用遙控器和上位機按照所需形狀進行切割示教,然后存儲該示教的切割路徑與控制工藝,不斷循環該示教完成巷道標準化掘進。

使用超帶寬定位技術計算機器與機器、機器與工人之間的距離;通過紅外防入侵技術識別未佩戴標識卡進入工作面的人員,并進行安全預警與自動保護停機;報警范圍最大可達到100 m,報警方式有機器聲光報警、標識卡語音報警、標識卡震動報警3種;每臺設備布置1臺基站,實時定位誤差小,精度可達30 cm;可以設置不同種類標識卡,并規定部分標識卡具有免報警特殊權限,例如駕駛員在本機危險區域內免除報警。遠程監視系統如圖6所示。

圖6 遠程監視系統Fig.6 Remote monitoring system

自移機尾機載組合開關,可實現對工作面成套設備集中供電、遠程停送電、遠程數據傳輸且可搭載機尾報警裝置、紅外傳感器和機尾攝像頭。視頻監控,即工作面組合視頻監控,具有抓拍、錄像、回放、存儲、拷貝和視頻識別等功能。

3 現場應用

掘錨一體化技術實施后巷道進尺的變化見表2。應用初期因作業不熟練,巷道月掘進進尺達192～321 m;后期隨作業的繼續深入,巷道掘進進尺基本穩定在300 m左右,提高了掘進效率和圍巖支護效率?；谥悄芸刂频木蝈^一體機和普通綜掘機進尺數據如圖7所示?；谥悄芸刂频木蝈^一體機能夠更快、更好的掘進巷道并進行圍巖支護,日平均進尺相比于普通綜掘機增加1倍多。

圖7 掘進機平均進尺Fig.7 Average footage of excavator

表2 掘錨一體化巷道進尺

4 結論

(1)該系統實現掘進工作面掘進、支護、運輸全工序機械化連續作業;皮帶輸送機拉移次數降低,實現巷道掘進快速推進。有助于增強巷道粉塵綜合治理,改善作業環境。

(2)實現掘進機、轉載機和自移機尾一鍵遠程智能控制,掘進機和自移機尾控制相互閉鎖。除了能適應矩形、梯形、拱形等規則巷道,還可以根據巷道實際情況進行不規則形狀記憶切割。

(3)通過紅外防入侵技術識別未佩戴標識卡進入工作面的人員,并進行安全預警與自動保護停機;報警范圍最大可達到100 m。實時定位誤差小,精度可達30 cm;可以設置不同種類標識卡,并規定部分標識卡具有免報警特殊權限。