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与掘锚一体机配套的系列锚杆转载机组设计

2025-04-06 37 上传者：管理员

摘要：介绍了快速掘进系统中配备煤矿用锚杆转载机组和掘锚一体机的典型配套情况，分析了配备锚杆转载机组后配套具备的优势。根据锚杆转载机组破碎组件中驱动方式的不同，开发了2个系列的锚杆转载机组，适配各种不同尺寸的巷道。对锚杆转载机组的使用情况进行了简要介绍。

关键词：
可持续健康发展
快速掘进
掘锚一体机
锚杆转载机组
锚杆钻机
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近年来,随着综合机械化开采水平的提高,年消耗回采巷道数量大幅增加,而掘进水平尚未得到相应提高,综掘平均月进尺仅180m,综采工作面平均月消耗巷道超600m,全国煤矿掘进队与综采队平均配比3.1∶1.0,采掘比例失衡,严重制约了煤炭安全高效开采[1-2]｡发展巷道掘进成套技术装备,提高掘进工艺水平已经成为煤矿可持续健康发展､安全高效集约化生产的重要保障[3]｡

由于我国大部分矿井掘进工作面地质条件复杂,锚杆､锚索工艺复杂,锚杆､锚索支护作业时间长[4]｡实际在巷道掘进过程中,掘进和转载运输占用的时间有限,尤其是在研发出连续运输系统之后,基本可以做到随掘随装随运｡锚杆､锚索支护已成为制约巷道掘进效率的关键因素｡在地质条件允许或者经过计算创造出可操作的条件,将锚杆､锚索支护在时间和空间上合理分配即平行支护,是应对锚杆､锚索支护慢这个难题的优良途径｡

本文对配套掘锚一体机的2个系列的锚杆转载机组的设计情况进行了介绍,其设计充分利用了模块化､集成化开发思路,配置了煤矿巷道掘进智能化装置｡锚杆转载机组的使用提高了掘进效率､增强支护质量､降低了人员劳动强度,并且极大地减少了安全隐患｡

1、典型快速掘进系统的配套

本文主要介绍配置掘锚一体机和煤矿用锚杆转载机组的快速掘进系统的配套情况｡典型的快速掘进系统如图1所示,该快速掘进系统主要由掘锚一体机､煤矿用锚杆转载机组､带式转载机､迈步式自移机尾等部分组成｡该配套可以实现掘进和支护的平行作业､分段支护,并能实现连续运输,在此基础上,综合考虑通风､供电､排水､辅助运输等环节[5]｡在合理组织掘进作业的情况下,各煤矿的月均进尺均可以超过千米｡需要说明的是,近几年,根据掘进巷道的不同和规划的多样化要求,快速掘进系统的连续运输功能规划在煤矿用锚杆转载机组之后的配套中,既有图1所示的可弯曲带式转载机,又有传统的桥式转载机,还出现了跟随式履带机尾车从而去掉了带式转载机这个中间转载环节｡

图1典型的快速掘进系统配套图

掘锚一体机的全宽截割､掘锚同步技术保证了整个快速掘进系统的迎头掘进效率,但煤矿巷道中锚杆锚索设计要求通常都要超出掘锚一体机可支护范围,比如顶部中间锚索､帮部下部锚杆等｡根据地质条件精确计算了锚杆锚索的支护工艺､保证了煤矿巷道稳定的前提下,将掘锚一体机支护剩余锚杆锚索使用锚杆转载机组支护,这样就实现了平行支护､分段支护,同时输送作业为连续输送,大大提高了整个巷道中支护速度,减轻了工人劳动强度,增强了整个掘进作业的安全性｡

2、系列锚杆转载机组设计

2.1基本布局设计

锚杆转载机组承担着转载､行走､支护等功能,其中行走与转载为其基础功能｡锚杆转载机组与锚杆转载机组之前的物料衔接通常是通过卸料与接料实现的,表现在锚杆转载机组上即为使用料斗进行接料｡锚杆转载机组是通过输送槽将物料运至其末端并卸料至带式转载机或后端接料设备｡因履带行走在掘进中的特殊优势,锚杆转载机组的料斗和卸料端均设置在履带行走系统的空间之外,为了适应巷道变坡或者断层,将料斗与卸料端均设置为可以相对机身俯仰动作｡大多数掘进系统配套不需要锚杆转载机组卸料端左右摆动,仅在锚杆转载机组后边只跟侧向布置的随动机尾时才需要,本文不讨论此种配置的锚杆转载机组｡

锚杆锚索支护是锚杆转载机组存在的关键意义｡锚杆转载机组钻机布置如图2所示｡在巷道掘进中,锚杆锚索的支护越靠近迎头越好,越及时支护越好｡但对于整个快掘系统的配套装备来说,锚杆转载机组的顶部支护系统最靠前只能布置在料斗之后,如图2所示的A处｡顶锚杆支护系统由于需要支护中间锚杆锚索,最简洁的设计是3个锚杆钻机,功能全面而且操作空间充足｡

由于存在履带行走系统,加上锚杆转载机组通常规划支护的是帮部下部的锚杆锚索､帮锚杆锚索位置的调整需要,因此帮锚杆锚索钻机通常可以布置在料斗两侧,如图2所示B处或者后部卸料端两侧的C处｡考虑到操作的安全性､锚杆转载机组接料宽度要求,本文所设计的锚杆转载机组的帮部锚杆锚索支护系统布置在卸料端的两侧｡有一些矿在支护设计的过程中,为锚杆转载机组所留的锚杆锚索支护数量有限,也可以将顶锚杆锚索系统的两侧钻机同时作为帮锚杆锚索钻机使用｡相应地,一些矿也会要求将后部帮部锚杆锚索支护钻机设计为可以支护顶部锚杆锚索的顶､帮共用钻机｡通常以上钻机布置数量是足够的,若帮部高处帮锚杆也需要锚杆转载机组进行支护,则机身上方可以再行增加帮部高处支护钻机组｡

图2锚杆转载机组钻机布置

2.2基础功能参数设计

(1)行走参数行走参数主要包括行走速度与接地比压｡为了匹配掘锚一体机,锚杆转载机组的行走速度设置为0~12m/min｡掘锚一体机的接地比压普遍大于0.2MPa,锚杆转载机组在其碾压过的底板上行走,接地比压定为不大于0.18MPa｡

(2)输送､破碎参数掘锚一体机的生产能力通常为8.5~22t/min,计算运量约为30t/min｡锚杆转载机组料斗设计有5m3的缓冲容积,同时将其输送能力定为25t/min｡对应地,破碎能力也为25t/min｡为了输送的便利性和安全性,将破碎粒度定为小于300mm,3挡可调｡

(3)锚杆支护系统设计常规地,锚杆转载机组分为顶部锚杆支护系统和帮部锚杆支护系统,采用3个顶钻机设计和分列两侧的2个帮钻机设计｡根据矿方的特殊要求,顶锚杆支护系统的两侧钻机也可以支护帮部锚杆锚索;或者,顶锚杆支护系统也可以设置为分列两侧的2个钻机,同时可以支护顶部和帮部;也有部分煤矿要求后部帮锚杆锚索钻机可以支护顶部锚杆锚索｡锚杆支护系统一般根据矿方的要求和巷道实际支护设计情况,采用定制化的结构布置｡

2.32个系列的锚杆转载机组

依据锚杆转载机组破碎功能的驱动方式不同,本文设计的锚杆转载机组分为电机动力破碎系列和液压马达破碎系列｡

(1)电机动力破碎系列锚杆转载机组

电机动力破碎系列锚杆转载机组的破碎系统集成于机架上,其破碎系统采用电机+限矩器+减速器驱动破碎轴组件来进行破碎｡该类型破碎系统的发热点主要集中在电机上,电机具有冷却系统,因此其可以设置在相对封闭的空间中｡该系列典型锚杆转载机组如图3所示,主要由行走系统､料斗､卸料部､破碎机构､操作平台､前锚护机构､后锚护机构､液压系统和电气系统等组成｡

图3电机动力破碎系列锚杆转载机组

该系列锚杆转载机组电机具有良好的过载能力,在实际使用过程中,破碎系统破碎能力强,极少发生别卡现象｡

锚杆转载机组料斗和卸料部均具有俯仰功能｡输送系统采用双电机+减速器驱动的形式,动力足､效果好｡其料斗根据巷道支护工艺的不用,在要求掘锚机进3刀､锚杆转载机组移动1次时可以设计为伸缩料斗｡整机的离地间隙为300mm,整体对底板适应性好｡输送系统采用重型刮板+大规格边双套筒滚子链条,整体破断力大,输送效果好｡

(2)液压马达破碎系列锚杆转载机组

液压马达破碎系列锚杆转载机组的破碎系统整体结构紧凑,但因其减速器布置在破碎滚筒内部缘故,运行时发热量较大｡根据其是否有独立的破碎冷却系统,破碎机构可以布置于料斗处或者与电机破碎机构相同的位置｡该系列典型锚杆转载机组如图4所示,主要由行走系统､受料破碎部､卸料部､前锚护机构､后锚护机构､液压系统､水系统和电气系统等组成｡

该类型锚杆转载机组的整体结构因破碎系统的紧凑结构而更加简洁｡液压破碎机构的设计破碎功率要高于电机破碎系列电机功率,这样才能在实际使用中减少别卡,但毫无疑问液压破碎机构相对于电机破碎机构除了结构紧凑之外,其安全性也更好一些｡为了确保液压破碎系统响应的及时性,液压破碎系统液压驱动回路采用了闭式回路｡该系列锚杆转载机组的其余部分与电机破碎系列锚杆转载机组相同｡

图4液压马达破碎系列锚杆转载机组

(3)前锚杆支护机构

前锚杆支护机构通常由3个独立动作的钻臂组成,两侧钻臂可向外伸缩､向上抬升钻机,中间钻臂机构以主要支护锚杆或者锚索分为左右固定式和左右滑移式,同样地,中间钻臂可以带动中间钻机向上抬升,3个钻臂机构均可以带动钻机前后､左右摆动进行钻杆在巷道中的位置调整｡典型前锚杆支护机构如图5所示｡

图5典型前锚杆支护机构

(4)后锚杆支护机构

后锚杆支护机构通常由左右独立的2个钻臂组成,为了适应锚杆和锚索排距的不同､钻杆在巷道中位置的变化,每一侧钻臂均可带动钻机前后､上下移动和前后､左右摆动,其中左右摆动角度极大｡典型后锚杆支护机构如图6所示｡

图6典型后锚杆支护机构

(5)液压系统

液压系统除了液压破碎回路之外,均采用开式变量泵负载敏感比例控制技术｡整机的液压动作功能采用了电液比例控制技术,可以实现本机比例操作控制｡同时,根据需要有选择地对执行元件进行遥控控制,实现整机远距离操作｡钻机动作同样采用了电液比例控制技术,主要通过多功能操作面板实现锚钻操作｡液压系统本身提供了电气控制系统接口,更好地满足设备本身的智能化控制需求｡

(6)电气系统

整机电气系统具有设备人员接近系统､防挤人传感器､减速机箱油温传感器､液压油箱油温油位传感器､水流量传感器等｡同时,电气系统还具有可显示整机状态的大屏幕彩色高性能显示器､完备的保护功能､远程遥控控制功能和电液控制系统｡

(7)智能化配置

响应智能化煤矿建设要求,现阶段锚杆转载机组的智能化主要有:①远程､遥控控制;②整机运行接入煤矿井下网络,数据存储及有线､无线上传;③整机具备一定限度的环境感知能力,比如与前部设备和周边防碰撞､摄像头监控､人员接近预警和电子围栏系统､设备在巷道中自动纠偏;④装备自身故障预警及诊断､维护需求,具有一键打钻､锚杆计数等功能｡

3、锚杆转载机组技术性能特点

(1)运输系统采用双电机驱动,运输能力大､满足料斗满载启动;

(2)破碎机构采用盘式截齿破碎,可以破碎从掘锚机上卸下的大块物料,且破碎粒度可调,能避免大块煤对后面输送带设备的损害,且镐形截齿破碎的物料过粉碎率小;

(3)采用履带行走系统,接地比压小,不易造成底板破碎;

(4)料斗容积大,可以储存一定数量的煤,煤流经破碎机受料斗缓冲后可实现均匀输送;

(5)行走系统采用无支重轮履带行走机构和液压马达驱动,选用液控比例换向阀控制马达行走,实现了设备无级调速,可满足掘采作业的随动和长距离调动;(6)液压系统选用带有负载敏感反馈､压力补偿及恒功率控制的柱塞泵提供动力,可节省系统能耗､限制系统最大压力､保证系统不过载;

(7)电气系统采用PLC作为核心控制单元,并有运行状态及故障原因中文显示,控制技术先进,系统可靠,保护齐全,操作方便,故障率低｡

4、锚杆转载机组的应用情况

本文所设计的2个系列的锚杆转载机组分别在伊化煤矿､中天合创公司､内蒙古双欣煤矿､郭家湾煤矿､青龙寺矿等煤矿进行了使用｡结果表明,锚杆转载机组的使用提高了掘进效率､增强了支护质量､降低了工人劳动强度｡在使用过程中主要存在的问题:后锚护机构钻机放平所需的巷道宽度较宽,动作不顺畅;另外2个系列的锚杆转载机组泵站均为单电机配置,液压破碎锚杆转载机组电缆过粗､挪动不方便｡

在后续的改进过程中,考虑后锚杆支护机构钻进时的活动空间大小,留出足够的空间｡另外,改进液压破碎锚杆转载机组电气系统电压等级,其使用的电缆规格降低,降低挪机人员劳动强度｡

5、结语

锚杆转载机组作为现代快速掘进系统中实现锚杆锚索支护平行作业､分段支护的关键装备,集转载输送､破碎､锚杆锚索支护等功能于一身,解决了巷道掘进过程中的锚杆锚索支护慢的难题｡其应用提高了煤巷的掘进速度和掘进效率,降低了操作人员的劳动强度,实现了掘进工作面的高产高效和掘进工作面的减人增效,增强了整个掘进作业的安全性｡

参考文献:

[1]王虹.我国综合机械化掘进技术发展40a[J].煤炭学报,2010,35(11):1815-1820.

[2]康红普,伊丙鼎,高富强,等.中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律[J].煤炭学报,2019,44(1):23-33.

[3]郝建生.煤矿巷道掘进装备关键技术现状和展望[J].煤炭科学技术,2014,42(8):69-74.

[4]查太东.煤矿快速掘进系统现状及发展趋势[J].煤炭技术,2021,40(6):30-32.[5]王佃武.煤矿用锚杆转载机组的研制与应用[J].中国煤炭,2019,45(6):31-34.

基金资助:中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX20231C026);天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目(2023-TD-ZD011-005);

文章来源:杨康信.与掘锚一体机配套的系列锚杆转载机组设计[J].煤矿机械,2025,46(04):24-27.