一种新型全断面煤巷高效掘进机的研究

齐真军

（山西西山中煤机械制造有限公司， 山西 太原 030000）

1 项目概况

全断面掘进机是集破岩、岩渣装运、洞壁支护等功能于一体的一次开挖成洞的施工设备。全断面掘进机具有快速、优质、安全、有利于环境保护，降低劳动强度及改善工作环境等特点，可被广泛用于煤矿、水电、铁路、公路，地铁和城市管网以及车事设施等方面的地下工程施工。

当前全断面掘进机在煤矿中的应用相对较少，多数设备处在研发试验阶段，煤炭科学总院上海研究院有限公司研制的全断面矩形掘进机类型较多。全断面掘进机的截割机构可一次实现巷道全断面的截割和推进。从以往的实践应用来看，全断面掘进机在煤矿试验时存在以下问题：一是整机质量大，难以适应煤矿井下软弱或坡度较大的底板条件；二是全断面截割时通常存在一定的截割盲区；三是全断面推进阻力非常大，当遇到岩石时，往往存在推进不了的情况；四是全断面截割机构的方向控制困难，容易造成掘进方向偏差；五是断面截割时掘进迎头较为封闭，易造成一氧化碳或瓦斯超限。针对以上问题，上海研究院研制又研制了一种带主、副刀盘、可一次完成矩形全断面成巷的快速进装备——MJJ3800×5800 多刀盘矩形全断面掘进机，该设备在煤矿试验时有效解决了上述问题，实践应用效果理想[1-2]。

2 MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机的设计

MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机是一种全新的煤矿掘设备，其有快速、连续、一次断面成型以及采、掘、运，支护一体化等特点，可一次性形成5.8 m×3.8 m 的矩形断面。该掘进机的工作状态为封闭式掘进，掘进与支护平行作业，作业安全性好，如图1 所示。

图1 MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机

该掘进机由矩形截割刀盘以及传动系统、掘进方向控制系统、行走系统、支撑系统、电控系统，液压系统以及测量导向系统、通风、冷却和除尘等系统组成。

截割系统布置5 个刀盘，采用1 大4 小的布局，中间大刀凸出盘在前可以切削出一个Φ3.8 m 的圆形截面，四角的4 个小刀盘跟进切削，使得切削面形成一个大矩形截面。

掘进机作业时，其推进依靠4 个1.9 m×1.9 m的矩形截面由水平支撑油缸、撑靴装置、推进油缸、调向鞍架等组成的支撑系统支撑侧帮及顶底板，以提供足够的支撑力，同时用连接支架和截割部之间的油缸推进截割部来完成掘进作业。

方向控制系统通过一套鞍架结构实现。鞍架架在支架平台上，大梁通过鞍架导向，鞍架再带动主梁运动，主梁调整前面机头纠偏的角度。掘进机作业时，当掘进方向偏离了预设方向或遇到断层需要转向时，可通过调节主梁和鞍架，调整掘讲机的掘进方向，以达到控制机器推进方向的目的[3]。

电控系统包括配电系统、总线控制系统、人机界面监控系统、多机冗余系统和数据采集系统。电气系统设计了除掘进机自身所需的动力控制、逻辑控制、监测监控，通信、照明等以外，还设计了掘进机与后配套系统内相关工艺设备的闭锁。

液压系统流量控制精准平稳、压力稳定、超调量小、振动周期短、效率高以及发热量小。对整机液压系统进行设计建模与仿真，验证了合理性与可靠性[4]。

3 设备适用条件与技术特征分析

3.1 适用条件分析

MJ3800×580 型多刀盘矩形全断面掘进机可以用于各种顶底板条件的煤岩硬度f 小于4 的矩形巷道的掘进，巷道坡度≤5°，掘进断面5.8 m×3.8 m，掘进与锚杆支护同步进行。

3.2 技术特征分析

1）全断面矩形掘进。一次掘进5.8 m×3.8 m 掘进断面，掘进与锚杆支护同步进行，掘进速度快。矩形全断面煤巷快速掘进机系统的研制，解决了现有煤矿掘进速度慢、掘进人员多、掘进不安全的问题。

2）矩形截割机构。截割部由一个大截割刀盘配四个矩形小截割刀盘组合而成，前后布置达到矩形截割的目的，其中小刀盘本身具有截割、修形，装载的功能，小刀盘采用行星传动，一个动力两个刀盘输出，前刀盘截割，后刀盘修形、装载，前后层次布置，交错截割，防止大块煤的出现，并提高截割效率。

3）掘锚平行作业。采用主梁配鞍架的结构实现掘进方向控制，纠偏性能好，同时，又能实截割部与掘进支撑部分的柔性连接，减少振动。掘进机截割部与后平台之间采用步进的方式行进。每个步距1.5 m，推进过程中后平台不动。锚杆机组固定在后平台上，掘进截割的同时进行打锚杆作业，实现掘进与锚杆支护的平行作业。

4）整机作业安全。后平台是顶梁，底座采用立柱油缸连接，左右撑靴连接固定在下底座上，通过顶梁、底座撑紧顶底板、左右撑靴撑紧侧帮来提供机器前进的反力。截割部壳体上有前后随动掩护梁，可有效控制空顶距，保证正常工作及应急况下人员的安全。在截割部与后平台之采用实时张紧的掩护网结构[5]，随时保证截割部与后平台之间对人员设备的掩护作用。整机人员工作及通道处均有掩护结构，可保证作业人员的安全。

3.3 技术参数

MJ3800×580 型多刀盘矩形全断面掘进机主要技术参数如表1 所示。

4 工业性试验分析

4.1 掘进机的安装步骤分析

根据MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机设备的分解情况，根据施工计划运输到设备安装地点并进行组装。运输及安装施工步骤如下：

1）运输大刀盘放置在始发酮室装配区域前端，运输中壳体连同大刀盘驱动总成，安装时首先侧翻90°到工作姿态，再移位放置到装配区域前段中部；

2）先水平运输左壳体总成、掩护梁、小刀盘及驱动到安装酮室并进行安装固定，后再运输右壳体总成进行安装固定；

3）依次运输液压支架底座前段和后段连同后对中油缸到安装酮室进行安装，依次运输左右水平撑靴及附件到安装酮室进行安装；

表1 MJ3800×580 型多刀盘矩形全断面掘进机主要技术参数

4）运输导向主梁连同尾托架和鞍架及水平支撑油缸总成到安装酮室进行安装，运输两电控箱及安装附件到安装酮室；

5）壳体前部装入大刀盘螺栓固定，同时，运输4套支架立杜油缸，4 套竖直锚杆机组，2 套帮锚杆装置及锚杆平台、主推油缸，以及连接固定附件及紧固件到安装酮室进行安装。

6）依次运输液压支架顶板前段、后段和顶板连接销轴到安装酮室进行安装，运输顶板掩护梁及附件、液压支架后部连杆及整套连接销轴到安装酮室进行安装；

7）运输刮板运输机所有零部件到安装酮室进行安装，运输液压、水、电气系统各零部件到位并安装、调试好。

4.2 实践应用效果分析

MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机完成安装、调试后，对其进行了试用。从当前的试用情况来看，该全断面快速掘进机的应用使得该煤矿井下煤巷的掘进效率提高了60%，实现了煤巷的快速掘进。同时对该全断面快速掘进机在工业性试验现场的安装、调试及试用中存在的问题，进行了进一步的完善。MJJ3800×5800 型多刀盘矩形全断面掘进机的实践应用项目是成功的，该工业性试验为设备的大面积应用积累了经验。