煤矿用远控巷道修复机在底鼓治理施工中的应用

童 碧，李旭涛，张 宁，许 超

(1.淮南矿业集团有限责任公司 顾桥煤矿，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

巷道修复机是用于巷道围岩修复治理施工的专用设备，能有效修复因矿压或其他原因导致的煤巷或岩巷变形，可大幅提升巷道修复治理施工的机械化水平[1，2]。修复机在施工过程中会涉及破碎、挖装、运输、锚护、自行走、挖底、掏水沟及吊装等工作。因此，在修复机结构尺寸做到尽可能小的情况下，还要求对修复机的功能进行高度集成。

目前，国内修复机研制企业较多，但是相关设备普遍采用手控或液控为主[3]，操作人员无法远离顶板冒落区进行施工作业，增加了安全隐患。另外，国家安监总局也提出“机械化换人，自动化减人，智能化无人”绿色智慧矿山建设目标，要求提高煤矿井下相关装备的自动化程度[4-6]，减少不安全事故的发生。中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称西安煤科院)研究开发了WPZ-45/700LY型煤矿用远控巷道修复机(以下简称修复机)，为验证修复机实际工作性能，西安煤科院与淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿(以下简称顾桥煤矿)合作，进行了修复机的现场工业性试验。

1 设备总体方案

WPZ-45/700LY型煤矿用远控巷道修复机是一种用于煤矿巷道围岩治理施工的专用设备，如图1所示。该设备具有技术性能先进、工艺适应性强、安全可靠、移动搬迁方便等优点，主要适用于煤矿井下巷道底板、顶板及侧帮修复施工，整机具备凿、铲、吊、装等多个功能，并可远离巷道顶板冒落危险区域，进行遥控操作[7]，具体技术参数见表1。

图1 修复机结构

表1 主要技术参数

2 部件构成

2.1 工作装置

工作装置是修复机的执行机构，主要包括侧卸铲斗、破碎机构、快换装置、伸缩臂、基础臂、胶管导向装置及相关动作油缸等部件。侧卸铲斗主要由铲斗连接体、侧卸油缸和铲斗焊接体等部件组成，主要用于矸石的铲运和装载，沿机身可实现左、右方向出渣作业。破碎机构主要由破碎锤、连接组件、摆角油缸及给进油缸等部件组成，主要用于变形巷道围岩破碎施工。快换装置主要由快换油缸、连接座及曲柄滑块机构等部件组成，通过快换油缸伸、缩，实现曲柄滑块机构开合，完成侧卸铲斗和破碎机构的快速更换。

2.2 液压系统

液压系统是修复机的动力源，由隔爆型电动机、弹性联轴器、复合传感功率控制泵组、油箱、冷却器、滤油器、底座等部件组成，修复机采用开式系统，变量泵采用LUDV控制系统，实现对不同负载压力的多个执行元件同时进行快速与精确控制，各个元件互不干涉。

2.3 远控系统

远控系统硬件包括：遥控操纵器、电控箱、电磁阀、位移传感器、无线接收器及油缸等部件，无线接收器与无线遥控器相互通信，进行控制信息与状态信息的交互，两者通过433无线通信模块以433/315MHz频率进行自动跳频通信，能够有效防止无线电干扰，控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构

2.4 履带车体

履带车体主要由车体平台、机身护板和行走履带组成，左右两组履带通过车体平台固定。工作装置、操作台、风冷散热器、泵站及附件等部件通过螺栓安装固定在车体平台上。

3 现场应用

3.1 巷道地质条件

顾桥煤矿开采13-1、11-2煤层，13-1煤层，煤层下距太灰340m，平均厚度4.40m，五线以北厚度多低于平均值，十一线以南高于平均值。11-2煤层上距13-1煤平均69m，平均厚2.79m，结构简单，含1层夹矸煤层，上部砂体发育，浅部顶部多为中细石英砂岩，其余地区为泥岩，底板以泥岩为主[8]。11-2煤直接顶为复合顶板，由砂质泥岩、泥岩和11-3煤层组成，其中薄煤层不稳定，总体从南向北直接顶变薄，个别地点老顶砂岩直接覆盖在煤层之上，11-2煤层北二回风大巷(一)的底板地质条件见表2。

表2 北二回风大巷(一)顶、底板地质情况

根据矿方生产要求，修复机工业性试验在11-2煤层北二回风大巷(一)进行。该巷道为矩形巷道，要求挖底作业需挖底至巷道高度为3.6±0.2m，但该巷道挖底前部分区段实际高度不足3.1m，巷道还存在顶板破碎、吊包、片帮等现象[9，10]，巷道顶板分布有大量长约20～30cm锚索外露端，巷道一侧挂有瓦斯管，水管，风管，电缆线等管线，另一侧铺设有带式运输机，作业空间狭小，挖底难度和工作量较大，如图3所示，这些都增加了巷道机械化挖底作业的难度。

图3 挖底前巷道断面图(mm)

3.2 底鼓治理

根据矿方要求，挖底采用人工远控操纵修复机施工，实体侧帮部(沿空侧不进行刷扩)及顶板采用人工刷扩，修护后巷道断面：宽×高=5m×3.6m；若巷宽满足要求，则巷帮两侧仅刷底角，同时在巷帮底部增补1排水平钢带搭接组合锚杆[11，12]。修复机挖底施工工艺流程如图4所示。挖底产生矸石通过侧卸铲斗卸载至带式输送机，通过带式输送机转载至井底弃矸场。

通过进口韩国水山机械设备有限公司生产的SB40破碎锤，破碎底鼓路面。破碎锤和侧卸铲斗更换时间大约5min，且需要足够的工作空间，为提高施工效率，单次破碎距离10m以上，再退回中转场地更换铲斗，修复机挖底施工工艺如图5所示。

图5 挖底施工(mm)

3.3 支护形式

根据顾桥煤矿地质条件，结合巷道支护设计原则及方法，北二回风大巷(一)挖底处巷帮底板裸露大于400mm时，采用金属网(规格为5200mm×1100mm，采用8#镀锌铁丝加工，网目为50mm×50mm)、锚杆(∅22mm×2500mm)、锚索(规格为∅21.8mm×4200mm)及钢带(M5型钢带规格为2000mm×178mm×5mm(3个眼)及1200mm×178mm×5mm(2个眼)。T2型钢带规格为2600mm×140mm，T型钢托盘规格为200mm×140mm)支护到位[13，14]。

挖底后帮部支护方式如图6所示，采用竖向5根锚杆、横向2根锚索支护，M5型钢带、锚索、T2钢带、8#金属网联合支护，M5钢带和T2钢带均压茬布置，锚杆间排距800mm×900mm，其中，中空注浆锚杆采用“1-0-2-0”布置。帮部注浆锚杆按照“1-0-2-0”布置[15-21]。

图6 挖底后帮部支护方式(mm)

3.4 应用效果及经济性分析

自2020年9月24日起修复机开始正常挖底作业，截止10月20日，挖底作业进尺共260m，挖底宽度约5m，平均挖底厚度0.4～0.6m，挖底作业期间，巷道片帮现象严重，顶板有轻微下沉，但未见明显破坏。

顾桥煤矿原采用的两种挖底方式分别为人工挖底和小挖机挖底，三种挖底方式参数对比见表3。由表3可以看出，就人均方量而言，采用远控修复机挖底，人均方量达到10.13m3/班，工作效率要远大于人工挖底作业，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖机效率的1.6倍。相比较人工挖底作业，修复机挖底施工每班减少施工人员4～6名，该段巷道累计挖底出渣量约650m3，从降低施工成本、减少人员工资和提高煤炭产量等方面综合考虑为顾桥煤矿累计节支30余万元。可见，三种起底方式各有优缺点，人工挖底适用条件广，但劳动强度大，作业环境恶劣，效率低，安全性低；小挖机挖底速度快，劳动强度大，安全性低；修复机挖底劳动强度小，作业环境好，人工投入小，操作人员可远离顶板冒落区远程操作，安全性高。

表3 三种挖底方式参数对比

4 结 论

1)通过分析修复机施工特点和功能需求，研制了可实现无线接收器与无线遥控器相互通信的WPZ-45/700LY型煤矿用远控修复机，满足施工要求。

2)应用效果表明，修复机挖底效率远优于人工和小挖机，人均方量达到10.13m3/班，是人工挖底效率的20.7倍，是小挖机效率的1.6倍，累计节约30余万元。

3)试验结果表明，修复机结构设计合理，液压系统和电控系统稳定、可靠，根据现场挖底施工特点，总结出一套便于破碎锤和侧卸铲斗互换并补打锚杆锚索的施工作业工艺，为类似煤矿巷道底鼓远程治理施工技术与装备的开发提供了借鉴。