掘锚技术研究

掘进机前配套掘锚技术研究摘要：关键词：1、前言近年来，综采快速发展的同时也暴露出综掘开拓能力严重不足，给工作面生产接续带来了巨大压力，因此急需提高综掘单进水平。掘锚一体化是继长壁综采技术之后，煤矿开采技术的又一项重大技术革新。从王庄煤矿的实际情况看，掘锚一体化无疑是实现煤巷快速掘进的一条新的有效途径。2、国内掘锚机组的发展现状我国大多数矿井煤巷综掘施工一般采用悬臂掘进机配单体锚杆钻机的作业方式，施工工序通常为：综掘机割煤、出煤后，掘进机后撤3—5m，然后将单体锚杆机人工移至工作面，连接风水管路、启动锚杆机进行打眼、安装等工作。此项工作结束后，退出锚杆机，综掘机进入工作面进行新一轮的循环作业。这种作业方式存在的主要问题是综掘机开进退出非常频繁，锚杆机依靠人工频繁移动，造成辅助作业时间长，占用人员多、掘进效率低、职工劳动强度大、单进水平低。为提高煤巷锚杆支护的机械化程度，国内曾经尝试过对现有综掘机进行技术改造，相继研制了与AM50型和S100型掘进机配套的JMZ22型机载锚杆钻机，通过将锚杆钻机安装在掘进机上，掘进过程中不需退机即可进行锚杆钻装作业，提高了掘进工效，降低了工人的劳动强度。但是由于传统的掘进机在设计之初没有考虑锚杆机的配置问题，使掘锚相互干扰严重，应用效果较差。为进一步提高煤巷综掘施工的装备和技术水平，促进煤巷单进水平大幅提高，实现煤巷掘进优质、快速、安全和高效，掘锚一体化是发展趋势。虽然掘锚联合机组在国外发达煤炭生产国家获得了成功应用，但是由于国外多采用多巷联合掘进，煤柱留设及巷道断面较大，而国内多采用单巷掘进、无煤柱开采，巷道断面小，同时采煤方法、巷道布置方式等方面也存在较大差异，掘锚联合机组的应用必须走引进、消化、吸收的道路，才能研制出适合中国国情的掘锚机组及其配套施工技术。掘锚一体化技术的核心是掘锚机组。由于掘锚一体化源于高产高效长壁综采的客观需要，而高产高效长壁综采又代表了当今煤矿开采技术的发展方向，掘锚机组也由此成为巷道掘进设备发展的热点。目前国际上有近10家厂商开发研制掘锚机组，已有30余种机型。一条最主要的经验就是，掘锚一体化技术必须与具体使用条件结合起来，否则，这一先进技术无法达到预期效果。例如，日本太平洋(Taiheiyo)煤矿曾于1997年使用过掘锚机组(及BootEnd可伸缩胶带机尾履带牵引装置等配套设备)用于单巷掘进，因为机组尺寸与巷道尺寸不适应，加上巷道断层、底板水等问题，一直无法正常使用，不得不将两台掘锚机组以低价退给制造商。制造商经过简单维护后，又卖给两个澳大利亚煤矿，而这两个澳大利亚煤矿却对机组的使用效果非常满意，平均班成巷速度达到26m以上。从这一实例可以看出，任何先进设备都有其相应的适用条件。鉴于我矿同国外相比在岩层条件、开采深度、巷道布置、巷道断面、护巷方式等方面有着明显的差异，因此，必须引进符合我矿具体条件和使用要求的掘锚机组。3、掘锚机组方案介绍王庄煤矿在2007年至2008年先后参与研发和使用了EBJ-120掘进机前配套和EBZ—150掘进机前配套机组，在井下使用都取得了良好的效果。3.1EBJ-120前配套机组由王庄煤矿、太原煤科院和约翰芬雷公司共同研发，以120掘进机为平台，搭建前配套掘锚系统。如图3-1所示：图3-1EBJ-120前配套3D图该类型掘锚机有如下特点：1）TRS临时支护系统支护强度大，工作压力在30T以上，能够满足掘进面临时支护需求。2）钻机扭矩大，支护强度高，钻孔速度快，可满足各种硬度不同煤质条件下的永久支护作业。3）钻机控制阀和TRS临时支撑系统的位置布置较为合理，支护作业较为方便。存在的不足有以下几个方面：1）以120掘进机定量液压系统为动力源，整机掘进割煤作业和支护作业期间，掘进机不停机，油温难以控制。2）前配套机构体积较大，在割煤收回状态下，司机视线受到较大影响，不利于巷道的割煤成型。3）前配套整机较重，120掘进机重心发生偏移，容易造成遇地质变化时的窝机等故障。4）前配套机构较为复杂，液压系统管路较多且无防护，容易造成掘进过程中油管挂碰等故障，给检修和维护带来不便。5）前配套龙门机构较大，左右横梁移动范围小，无法直接完成顶中间锚杆的打设，需要摆机才能完成打设，影响支护速度。6）前配套钻臂活动范围小，龙门机构大，对巷道的适应性较差，大断面巷道才可以正常使用。3.2EBZ－150前配套机组由王庄煤矿、佳木斯煤机公司和约翰芬雷公司共同研发，是在EBJ-120前配套的基础上，针对其在使用过程中的不足加以改进，使结构和使用性能均有了较大的改善。见图3-2所示：图3-2EBZ－150前配套结构图EBZ－150前配套有如下特点：1）前配套机构体积较小，伸缩机构较为简单方便，设计的二级伸缩油缸能够快速将前配套伸展和收回，且在收回状态下，能够很好的和150掘进机融为一体，基本上不影响司机的操作视线。如图3-3：图3-3前配套收回状态图2）前配套两个独立的液压钻机活动范围大，通过增加前后翻转功能能够完成侧帮底锚杆的打设，真正实现了掘进巷道所有锚杆和锚索的打设。如图3-4所示图3-4钻臂翻转功能图3）前配套总重仅4吨，相对于150掘进机来说，对整机重心的影响不大，不容易出现窝机等故障。4）4个TRS临时支撑和2个钻机临时支护能够将充分满足掘进巷道临时支护需求，所能承受工作压力达35Ｔ以上，且能够在打钻过程中起到稳定钻机的作用。5）以150掘进机变量液压系统为动力，不仅使前配套动力充足，且整机液压系统的温度得以控制，大大减少了液压管路的故障率。4.3.1EBZ—150A掘进机前配套改造设计4.3.1.1原设计方案存在的问题（1）各部油路的密封垫强度及在油温较高的情况下耐高温的性能还存在一定的问题。在加装钻臂后由于掘进机油泵将始终处于工作状态油温必将升高，建议对掘进机的各部油路的密封垫的强度及耐高温的性能进行重新考虑。（2）原来掘进机的油温的冷却系统性能不能够达到较好的冷却效果，尽管队组进行了部分的改装，但是在掘进机加装钻臂时未对掘进机的冷却系统进行综合考虑。（3）掘进机的液压系统总流量是450L/min，钻臂的流量及行走量、炮头的升降缸和左右缸的流量总和必须控制在系统总流量范围内，否则就必须考虑掘进机油泵的能力。（4）掘进机加装钻臂后，在掘进机割煤过程中会影响到周围的视线和掘进机的前照明灯的效果。（5）掘进机加装钻臂（钻臂重达两吨多）后，必须对掘进机行走部、回转台和炮头的连接螺栓、升降缸、左右缸及各部关节的支撑性能和强度进行重新的测试。（6）掘进机加装钻臂后，要有各种零配件、易损件的配备。4.3.1.2改造设计方案的建议和要求（1）掘进机加装钻臂后，左右两套钻臂操作阀的安装位置必须在永久支护的锚杆下进行，并且不得超出掘进机的宽度和影响操作人员的视线。（2）掘进机加装的钻臂，要保证足够的强度或割煤期间进行掩护，防止割煤过程中大炭落下砸坏。（3）掘进机加装的左右钻臂道轨要一定距离的相互错开交叉空间，保证中部锚杆或锚索的打设。（4）考虑在掘进机上增加板式工作组，用于铺设帮及顶网。（5）增大临时支护点处临时支护面积。（6）打角锚杆时操作处增加角度刻度盘。（7）该锚杆机必须考虑每根锚杆两支药卷是否可以搅拌动，扭矩不小于150Nm。（8）钻架最好不要太靠前，防止割煤时损坏。（9）设置的钻臂要适用一次性安设2.4米钻杆，提高打眼速度。（10）钻臂应升二到三级，适应高度，巷道顶板往上3~3.5米，保证巷道高顶后锚杆的打设。（11）锚索眼打完后，能保证锚索的安装。（12）所改制的锚杆钻臂要便于拆卸和安装。（13）改制的锚杆钻臂加上掘进机处的宽度，总宽度不得小于掘进机机身的宽度。（14）钻臂在水平方向设计成来回收缩和伸出的，这样就能按照锚杆的设计位置将中部锚杆一次性打设完毕，不用来回移动掘进机。（15）所加的锚杆钻机能多台同时作业，起码能一次性打完顶或一侧帮锚杆。（16）钻机的伸长臂要有足够的强度。4.3.1.3改造方案设计分析EBZ—150A掘进机前配套的改造设计，主要目的是完成在掘进机不后退的情况下进行机械化顶板和侧帮的打锚杆任务。其中有两大难点：（1）改造的锚杆钻机需要和掘进机配套工作，进行并行作业，以缩短采掘工时。这就需要解决两者空间位置的布置；（2）需要解决同时能进行顶板和侧帮的锚钻作业，这就需要改造的锚杆钻机有一定的调节适应性，能进行立体式锚钻作业。为此，我矿进行了多种方案讨论，并参考了国内外多种掘锚联合方案。目前国外巷道掘进装备可分为3类：(1)20世纪80年代，欧洲国家和澳大利亚普遍使用悬臂式掘进机加上锚杆机，实现掘锚联合作业，但掘进和支护工作不能平行作业、掘进效率低、开机率低。(2)20世纪80年代后美国大多使用的连续采煤机组快速掘进技术，虽然在同一台设备上实现了掘进与锚钻作业，但两者不能平行作业。只能采用多巷道掘进交叉作业，即先由连续采煤机进入掘进巷道，待连续采煤机掘进一定距离后，连续采煤机经联络巷退到另一个巷道，这时由锚杆钻车进入该巷道进行锚杆支护施工。如此方式交替循环进行，即基本实现掘锚平行作业。该连续采煤机和锚杆钻车配套组成连续运煤系统后，掘进速度快，但该掘进方式对巷道的空顶距离要求高，只有顶板较好时才能做到快速掘进，且2条巷道同时掘进，具有很大的限制性。(3)澳大利亚广泛使用掘锚机组快速掘进技术用于煤巷掘进，可以实现单巷快速掘进，并在同一巷道内实现掘进支护同时作业，设备开机率高。但是其操作仍相当复杂，适应性存在一定问题。所以，开发一种能和掘进机并行作业，并且具有高效、适应性强的掘锚联合机是我们改造研制的目的。参考国产悬臂式掘锚联合机组，该掘锚机组的工作原理是：掘锚机组截割部在上下摆动切割煤岩的同时，装运机构将破落的煤岩通过星轮和刮板运输系统运至后配套运输设备，机载除尘装置处于长时工作状态，与此同时，掘锚机组上的机载锚杆钻机进行钻孔、安装锚杆作业，一排锚杆安装完毕，机器前进进行下一循环作业。该种掘锚联合机组可实现采掘和支护的同步，实现采掘和支护的并行作业，而不需在采掘之后停机进行支护。该种掘锚联合机是在掘进机前端进行了改造，加设了锚杆钻机。但是其工作时会和掘进机铲头有干涉，并且其不能进行侧帮的锚钻工作，具有很大的局限性。在此基础上，我们对EBZ-150A掘进机进行了改造设计，研制了一种新型伸缩式立体掘锚一体机。4.3.1.4改造方案设计思路考虑到煤矿井下开采的空间有限，掘进机前配套作为一种具有掘进支护综合性能的设备，首先克服由于功能扩充而引起的设备的体积和操作空间过大的困难。同时目前大多数国产锚杆钻机，只能进行顶部打锚的单向作业，不能实现立体式支护。EBZ—150A掘进机前配套在设计时，充分考虑到以上问题，注重提高采煤效率和安全措施，在设计时从以下几个方面进行改进和创新设计，以增强掘进机机载锚杆钻机的适应性和灵活性。（1）EBZ—150A掘进机前配套二级液压伸缩钻臂系统及倾斜系统要实现掘锚联合支护，首要问题是解决掘进机和前配套的相互配合问题。在进行掘进时，前配套需安置在掘进机截割部的后方，使掘进机有足够的空间进行掘进作业；在进行打锚杆作业中，掘进机前配套需布置在巷道前端。为此我们采用二级液压伸缩钻臂系统将前配套安装在掘进机上，如图4-8所示。在（a）图中，前配套位于掘进机截割部后方，此时掘进机截割头可自由运动，进行正常的掘进工作，前配套对其不会产生干扰激荡。需要进行锚护作业时，如图（b）所示，前配套通过一套二级液压伸缩钻臂系统移动至掘进机前端，来进行锚护作业。(a)(b)图4-8EBZ—150A掘进机机载锚杆钻机掘进及钻锚位置两级液压伸缩钻臂系统是一套由液压缸驱动的伸缩装置，考虑到空间布置，采用二级伸缩来实现锚杆钻机的前后移动。伸缩装置安装在掘进机截割部的两侧，采用同步液压缸进行驱动。在前配套的伸缩过程中，考虑到掘进机铲头的空间位置会和锚杆钻机相干涉，同时为了避免影响钻机前移时操作人员的视线，整个EBZ—150A掘进机前配套设计有倾斜系统。该倾斜系统可以使锚杆钻机向上倾斜一定角度，使其避过掘进机铲头，如图4-9所示。这样整个EBZ—150A