矿井巷道掘进与支护同步作业探析

王劭波

(潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

虽然我国早在“十二五”时期就对有关巷道快速掘进技术展开了研究，并且经不断发展，在掘进装备和技术方面有了较大的进步。然而，在机械化程度方面，综掘工作面大大低于综采工作面，导致采掘严重失衡，并存在一系列的问题，比如自动化程度较低、掘进速度较慢等，无法最终实现掘装与锚护的平行作业。此外，配套设备较为复杂，装备的集成度较低。在总掘进循环过程中锚护作业的时间占据50%以上，并且，掘锚一体化的程度较低，阻碍掘进机发挥效能。目前，探究分析的重点主要还停留在单台套的设备，比较缺少对综掘工作面的掘、锚、探同步作业装置和技术的研究，故目前的掘进装备普遍无法实现对煤炭生产高效率的目标要求。

1 同步进行掘进和支护作业的工艺分析

基于原始的掘进巷道作业线中掘进与锚护无法平行作业，只能交替作业的不足，本文提出以摇臂式掘进机为龙头，加以配套带式可调速转载机、料斗式运锚机、自适应迈步自移机尾以及除尘系统等，进而相互组成有机的结构，形成相互衔接、配合的作业线，见图1。

图1 掘进与支护同步作业系统

摇臂式掘进机边进行煤岩壁的截割，边借助两台机载的液压锚杆钻机实施顶锚杆支护，在此过程中，固定于机身中的临时支护装备能够对顶板的支护提供一定的帮助，此时因为截割部可以进行伸缩，故在掘进机作业的各个工序中互相不干涉。在摇臂式掘进机的后部配套运锚机，能够帮助补打摇臂式掘进机未打的所有锚索和锚杆，也可以用来转运物料。从料斗式运锚机进行物料输送到带式转载机，其转载机高度能够适应各类坡度，自动调节，同时，通过转载机料斗的左右伸缩，可以防止摇臂式掘进机在摆动和截割作业中漏料。迈步式自移机尾可以进行自动移动，并且能够自动控制移动的距离，进而提升输送带收放的效率。同时，组成输送系统的各类设备之间能够实现协同运动，并且按照截割量自动调整适应运输的速度。除尘系统放置于迈步自移机尾中，处理巷道中整体的粉尘。这样，可以有效提升支护的效率，进一步提高单机成巷的速度[1]。

2 掘进与支护成套装备

1) 摇臂式掘进机。摇臂式掘进机的结构组成包括刮板输送机、铲板、机身稳定机构、滑移机架、临时支护和锚杆机、截割部等，见图2。摇臂式掘进机的优势在于可以同时进行截割机构进刀截割和锚杆打设。除此之外，钻机能够进行多角度多方位的动作，比如左右移动、升降以及旋转等，打设不同位置的锚杆。位于机身顶部的除尘风筒利用后部的除尘系统去除工作面产生的粉尘，降低粉尘对锚杆机工作人员视线的不利影响。并且，机身布置锚杆钻机的过程中操作简便、维护便利。

图2 摇臂式掘进机

在煤矿掘进过程中，由于机组的振动较大，容易产生锚杆钻机打孔振动和截割振动相互干扰的不利现象。若是干扰较为严重，会导致锚杆钻机无法进行正常工作。因此，为有效避免振动太大的问题，在设备前后位置设计相应的稳定机构，以此来减轻锚杆打孔与设备截割以及安装作业过程中的振动力与反力。除此之外，当截割的巷道宽度较大时，无法一次性将物料运转完成，只能等待锚杆支护结束之后调动机器来装运剩下的物料，此时，效率较低，故基于此原因设置新型的扇形伸缩铲板机构，其在工作过程中会打开伸缩装置，变成和巷道一样宽的铲板，使物料可以一次转运装载完成。当调动机组的时候，伸缩装置会进行缩回，便于调车行走。

2) 料斗式运锚机。料斗式运锚机的主要作用是物料转运以及帮助补打摇臂式掘进机没有打的锚杆。其主要组成结构见图3，包括钻臂工作机构、机架、料斗、钻架、左右行走机构、电气系统、升降作业平台、水系统、液压系统、刮板输送机以及锚杆仓组。其中，钻臂工作机构可以进行高速有效的掘进巷道锚护，通过联接基座安置于料斗式运锚机的前部，在具体的作业过程中，按照不同位置的钻机锚护，借助滑轨伸缩来帮助钻机进行横向移动，借助旋转结构帮助钻机旋转，通过升降体上下升降钻机。与此同时，钻机横移、升降由油缸以及回转协同运作，来调整钻机的工作位置，以满足在不同位置的巷道截面安装锚杆的要求。

图3 料斗式运锚机

3) 带式可调速转载机与自适应迈步自移机尾。带式可调速转载机是搭接于自适应迈步自移机尾和料斗式运锚机当中，其结构组成部分包括机头部、行走小车、机尾部以及大跨度机架。其通过大跨距桥接来充分实现大搭接行程，并据此减少生产运输过程中延伸输送带的频繁次数，从而提高煤矿巷道掘进的速度和效率。在煤矿巷道的掘进作业过程当中，遇断层较多的时候，底板的纵向起伏、急剧变坡工况相应也会增多，带式转载机被拉移的过程中，将借助红外测距识别系统来测量其和迈步机尾之间的距离，并自动调节刚性架高度，对机身姿态进行智能控制，以规避刚性架最高点与顶板干涉碰撞及刚性架迈步自移机尾，并影响转载机机身姿态等一系列问题。控制系统通过变频调速的功能，与锚杆转载机组刮板运量和启停充分进行耦合，以实现转载功能的绿色节能和智能调速。转载装置在转运物料过程中采用电动滚筒驱动输送带的方法，并保证物料运输过程中的节能高效。与此同时，自适应迈步自移机尾还具备同步举升轨迹自适应以及长距离整体快速迈步移动等特色功能，能减少复杂地质条件下辅助作业的时间，并以此来提高巷道掘进速度。

3 同步进行掘进和支护作业的自动化技术分析

摇臂式掘进机具有外形尺寸较大、重量较重的特点，整机的功能不仅涵盖悬臂式掘进机功能，还包括临时支护系统、机载钻臂和除尘系统，成套装备的自动控制系统由每一部分的控制子系统所构成。其中，摇臂式掘进机电控系统核心之处在于操作与电控系统，控制系统是防护等级IP67专用控制器，具有较强的环境适应性、稳定可靠的性能以及维修简便等优点。并且，操作箱体积小，使其达到操作简便灵活，稳定安全的目标。操作与电控箱通过RS485通信方式进行实时传输数据，操作箱的液晶屏和电控箱的显示屏共同配合显示作业过程中整机的故障以及状态等信息。除此之外，整个电控系统具备的功能还包括参数设置保护、故障诊断查询、故障记忆以及遥控操作等。

1) 自适应截割技术分析。自适应截割技术通过借助一系列人工智能方式，比如专家系统以及神经网络等，帮助摇臂式掘进机按照作业过程中实际的地质环境和条件，自动调整适应的截割速度，促使截割机构实际的工作状态和煤岩的硬度等条件相契合。与此同时，最优化截割作业的过程环节，以此降低截齿的消耗并充分提高截割作业的效率。在这一系列的过程中，将采用截割工况智能决策与识别技术、截割岩石动载荷特征识别和提取技术、控制截割转速交流变频调速技术以及控制负载压力反馈截割牵引调速等技术。除此之外，传感器被安置在电气控制系统、液压系统以及运动部件中，达到实时监控机器工作状态的目的。

2) 自主导航技术分析。以识别掘进机的环境、掘进智能纠偏与精准导控为出发点，设计巷道环境中摇臂式掘进机的路径方案。在此过程中，借助参数智能感知的方式，包括精确位姿、核心环境以及关键控制参数等，来构建关键参数测量的精准测控和标定系统。其中，通过综合借助掘进机的激光测距、机载超声测障、雷达测断面以及红外测边界等参数测量的方法来构造感知平台，以此来实现掘进机掘进中线和空间的建模。并且，借助倾斜巷道中复杂底板掘进机的自主纠偏理论和实现方法，设计构建动态且多目标的优化进化方法，对构建的控制系统模型进行求解，得出符合履带调整约束的控制参数和纠偏对策，提出在掘进过程中以多缸同步进行控制为基础的掘进机俯仰位姿非连续控制的方法，以各关键参数(位姿、决策参数和控制)为依据的远程操控和精准导控实验检验[2]。

3) 故障诊断和工况检测技术分析。借助微型电子计算机实现多项功能，包括传输控制、数据的采集、健康的监控、处理显示以及故障查找诊断等。通过可编程的逻辑控制器处理各传感器的信号，显示并控制实际运行的工况，在产生故障时，通过电控箱中的开关装置，关闭电动机。通过这一系列的过程能够充分实现断面监控、自动调节电机功率、离机遥控操作以及工况的监测与故障的诊断等一系列功能。与此同时，电控系统还有助于掘进机常见故障的分析，构建一个基于振动量问题诊断与预知维修局域网系统，据此来实现实时监测并采集一些关键零部件的转速、振动加速度等信号，并在相应的时间内分析出运行状态报表及趋势，并在有异常产生时对故障数据进行保存并发出报警。

4 结 语

由于煤矿巷道掘进过程中产生的诸如效率低、时间长、无法进行掘装与锚护平行作业以及自动化程度低等一系列问题，本文提出以摇臂式掘进机为核心的同步进行掘进和支护作业的系统，即综合钻机锚护功能和摇臂式掘进机掘装功能，并通过一系列配套技术实现巷道高效快速掘进。以期为巷道掘进作业效率的提高提供一种思路。