唐滿(mǎn)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(yáng)區(qū)西部，井田面積280.03 km2，礦井資源儲(chǔ)量50.582 9 億t，可采儲(chǔ)量32.750 6 億t，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)總規(guī)模1500 萬(wàn)t/a。大海則煤礦201 工作面主采2 號(hào)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(zhì)泥巖、粉砂巖為主，厚度1.2～3.4 m；底板以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，厚度1.4～2.8 m。2020 年根據(jù)集團(tuán)公司安排，結(jié)合大海則煤礦工程項(xiàng)目建設(shè)情況，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適應(yīng)大海則煤礦煤層地質(zhì)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(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

2 智能化快速掘錨成套裝備及核心技術(shù)研究

2.1 智能化快速掘錨成套裝備及技術(shù)參數(shù)

按照大海則煤礦201 綜放工作面巷道生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)了智能化掘錨一體機(jī)、液壓錨桿鉆車(chē)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)等關(guān)鍵快速掘錨成套設(shè)備，解決掘進(jìn)、錨護(hù)、運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)作業(yè)問(wèn)題。各設(shè)備主要參數(shù)如下：

（1）掘錨一體機(jī)

掘錨一體機(jī)技術(shù)參數(shù)：總功率≥500 kW；電源電壓1140 V；生產(chǎn)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(jī)數(shù)量8 個(gè)（4頂+2 幫+2 探水鉆機(jī)）；行走方式為靜液壓驅(qū)動(dòng)，濕式駐車(chē)制動(dòng)；離地間隙≥210 mm；質(zhì)量≤90 t。

（2）液壓錨桿鉆車(chē)（兩臺(tái)，分為1 號(hào)、2 號(hào)）

液壓錨桿鉆車(chē)的技術(shù)參數(shù)：總功率≥270 kW；電源電壓1140 V；適應(yīng)傾角為行走時(shí)縱向17°、橫向4°，截割時(shí)縱向12°、橫向4°；鉆機(jī)數(shù)量7（1 號(hào)車(chē)：3 頂+4 幫）/5（2 號(hào)車(chē)：3 頂+2 幫）；行走方式為靜液壓驅(qū)動(dòng)，濕式駐車(chē)制動(dòng)；離地間隙≥150 mm；質(zhì)量≤70 t。

（3）帶式轉(zhuǎn)載機(jī)

帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的技術(shù)參數(shù)：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(zhì)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(chē)連接，與錨桿鉆車(chē)隨動(dòng)。

2.2 智能化快速掘成進(jìn)套裝備核心技術(shù)分析

（1）掘錨同步、平行作業(yè)，多套鉆機(jī)協(xié)同順序作業(yè)

截割機(jī)構(gòu)伸縮一個(gè)截距一次截割全斷面成型，截割的同時(shí)掘錨機(jī)（配備第一排4 頂錨鉆機(jī)，第二排2 幫錨鉆機(jī)）第一排頂錨鉆機(jī)、第二排幫錨鉆機(jī)同時(shí)工作。在一個(gè)截割循環(huán)時(shí)間內(nèi)，同時(shí)打4 個(gè)頂錨桿和2 個(gè)幫錨桿；在第二個(gè)截割循環(huán)時(shí)間內(nèi)，第一臺(tái)錨桿鉆車(chē)（配備第一排4 頂錨鉆機(jī)，第二排3幫錨鉆機(jī)）、第二臺(tái)錨桿鉆車(chē)（配備第一排3 頂錨鉆機(jī)，第二排2 幫錨鉆機(jī)）可完成剩下的錨桿支護(hù)。通過(guò)掘錨平行作業(yè)，多套鉆機(jī)協(xié)同順序作業(yè)，2 個(gè)掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間可以完成巷道一個(gè)斷面至少16 根錨桿的鉆錨作業(yè)，大幅提高了掘進(jìn)效率。

（2）大扭矩超前鉆機(jī)

該成套裝備配備2 套大扭矩超前鉆機(jī)，最大進(jìn)給力可達(dá)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(gè)月可節(jié)省3～5 d 用于巷道掘進(jìn)，有效節(jié)省掘進(jìn)前探時(shí)間，提高掘進(jìn)速度。

（3）精準(zhǔn)高效的智能導(dǎo)向系統(tǒng)

智能快掘成套裝備導(dǎo)向系統(tǒng)采用防爆陀螺定向系統(tǒng)+全站儀，配合礦方激光導(dǎo)向設(shè)備，可以實(shí)時(shí)數(shù)字導(dǎo)向，自動(dòng)方向糾偏，巷道掘進(jìn)方向四面誤差可以控制在30 mm 以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)巷道“兩平兩直”高標(biāo)準(zhǔn)化要求。智能導(dǎo)向系統(tǒng)可減少工程測(cè)量人員煩瑣的測(cè)量和矯正工作，效率提高50%以上，增加了掘進(jìn)時(shí)間，提高了掘進(jìn)進(jìn)尺。

（4）截割機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)位置虛擬在線技術(shù)

智能快掘成套裝備在截割機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)方面，首次引進(jìn)實(shí)時(shí)在線虛擬技術(shù)，將截割機(jī)構(gòu)動(dòng)作軌跡實(shí)時(shí)映像在顯示屏上，可以實(shí)現(xiàn)程序控制數(shù)字截割及實(shí)時(shí)人工干預(yù)。該智能技術(shù)的應(yīng)用，使快掘成套裝備的智能化自動(dòng)截割成為現(xiàn)實(shí)。

（5）錨桿鉆機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)

智能化快掘成套裝備上錨桿鉆機(jī)均可實(shí)現(xiàn)遙控操作，配備的鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索兩用，所有錨桿鉆機(jī)都具有多個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)截面錨桿位置全覆蓋，靈活快捷、定位精準(zhǔn)。在控制方式上，通過(guò)程序科學(xué)控制鉆錨順序，依次自動(dòng)打鉆、自動(dòng)推進(jìn)及回退，可以實(shí)現(xiàn)一人同時(shí)控制多臺(tái)錨桿鉆機(jī)的錨鉆工作，有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工人數(shù)。

（6）成套裝備的智能連鎖控制技術(shù)

① 實(shí)現(xiàn)成套裝備的順序控制：?jiǎn)?dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)載機(jī)→2 號(hào)錨桿鉆車(chē)→1 號(hào)錨桿鉆車(chē)→掘錨機(jī)；停止時(shí)，為掘錨機(jī)→1 號(hào)錨桿結(jié)車(chē)→2 號(hào)錨桿鉆車(chē)→轉(zhuǎn)載機(jī)。順序控制可有效減少煤料堆積，保障系統(tǒng)正常工作。

② 任一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障或操作任一急停按鈕時(shí)，能及時(shí)保證整套設(shè)備全部停止，有效防止安全事故和設(shè)備損壞。

（7）完備的故障自診斷和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)智能控制技術(shù)將所有設(shè)備控制單元進(jìn)行協(xié)同控制和集中控制，通過(guò)可視化顯示界面直觀地顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)各控制環(huán)節(jié)信號(hào)及時(shí)對(duì)比分析和階段存儲(chǔ)。出現(xiàn)故障后，通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析對(duì)比，可及時(shí)自動(dòng)診斷故障位置、故障類(lèi)型，并通過(guò)屏幕和語(yǔ)音提示，快速進(jìn)行反饋，便于及時(shí)排查和解決。

3 智能化快速掘錨成套裝備設(shè)備性能與結(jié)構(gòu)研究

3.1 截割機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度與截割速度的匹配性研究

截割機(jī)構(gòu)在進(jìn)給和截割過(guò)程中，進(jìn)給速度和滾筒轉(zhuǎn)速必須有一個(gè)科學(xué)合理的匹配速度，截割才能平穩(wěn)，才能保證掘錨機(jī)上鉆錨工作的平行進(jìn)行。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和分析研究，結(jié)合煤層硬度情況，通過(guò)優(yōu)選不同長(zhǎng)度截齒、調(diào)整掘錨機(jī)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(jī)優(yōu)化布置的研究

在試驗(yàn)過(guò)程中，鉆機(jī)數(shù)量增加后，相互之間空間狹小，鉆機(jī)自由度受到限制，對(duì)人員操作也存在一定影響，掘進(jìn)效率提高有限。經(jīng)過(guò)分析后，將頂錨桿鉆機(jī)4 個(gè)調(diào)整為2 個(gè)，增加X(jué)、Y 方向上的移動(dòng)行程，同時(shí)將多余的空間改為操作平臺(tái)，大幅改善工人的操作靈活性，配合遙控和錨桿鉆機(jī)智能化順序控制，4 個(gè)人減少到1 個(gè)人，效率還提升了20%。

3.3 運(yùn)輸系統(tǒng)各設(shè)備之間的銜接技術(shù)研究

運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠高效能保證快速掘進(jìn)。成套裝備運(yùn)輸系統(tǒng)的銜接主要是通過(guò)刮板輸送機(jī)搭接轉(zhuǎn)載運(yùn)輸，工作順序采用程序加人工干預(yù)進(jìn)行順序梯次行進(jìn)。掘錨機(jī)、錨桿鉆車(chē)、轉(zhuǎn)載機(jī)之間要保證至少一個(gè)半截割循環(huán)的搭接尺寸才能保證煤料運(yùn)輸?shù)钠椒€(wěn)運(yùn)行，要保證后續(xù)設(shè)備運(yùn)輸能力不小于前一臺(tái)設(shè)備，同時(shí)要考慮底板的平整性，要保證后一臺(tái)設(shè)備在左右傾斜2°、前后傾斜5°的特殊情況下，接煤斗不出現(xiàn)撒煤和漏煤的情況。因此對(duì)接煤斗的設(shè)計(jì)、設(shè)備之間的銜接速度、運(yùn)輸設(shè)備之間的運(yùn)輸量匹配等進(jìn)行了深入的研究和分析，有效地保證了運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jī)配套內(nèi)外噴霧、長(zhǎng)壓短抽濕式水幕除塵。該項(xiàng)目裝備前期配備內(nèi)外噴霧+機(jī)載濕式除塵系統(tǒng)，除塵效率能達(dá)到60%。存在問(wèn)題主要表現(xiàn)在：（1）成套裝備配套設(shè)備較多，內(nèi)、外噴霧對(duì)水量需求較大，大量水排放在巷道迎頭，造成設(shè)備行走困難。（2）內(nèi)外噴霧水壓力不高，無(wú)法形成水霧，內(nèi)外噴霧除塵效果不佳。（3）掘錨機(jī)機(jī)載濕式除塵器無(wú)法后接風(fēng)筒，直接排風(fēng)，帶水霧高壓風(fēng)的排風(fēng)口正對(duì)后部鉆車(chē)，造成鉆車(chē)錨鉆作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行。

經(jīng)過(guò)深入分析研究和市場(chǎng)調(diào)研，引入了泡沫除塵系統(tǒng)。泡沫除塵系統(tǒng)采用外噴霧形式，節(jié)省空間，用水量少，除塵效率達(dá)到98%以上。同時(shí)，控制內(nèi)噴霧水量，僅滿(mǎn)足冷卻設(shè)備需要即可。改進(jìn)后除塵效果明顯改善，也解決了巷道迎頭積水現(xiàn)象，為掘錨平行作業(yè)提供了重要的環(huán)境保障。

4 結(jié)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(dǎo)向、一次成巷、負(fù)壓除塵、數(shù)字截割、數(shù)據(jù)交互、遠(yuǎn)程操控八大功能于一體，真正實(shí)現(xiàn)掘、支、運(yùn)同步作業(yè)。該裝備自2021 年4 月下線，在大海則煤礦201 工作面應(yīng)用以來(lái)，平均月進(jìn)尺超過(guò)1200 m，最高單日進(jìn)尺91.5 m，最高月進(jìn)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(yīng)用，大幅度提高了掘進(jìn)生產(chǎn)效益，保證了礦井生產(chǎn)安全。