论文部分内容阅读
[摘 要]为了彻底解决采掘失衡的难题，通过与相关单位合作，榆北煤业公司率先采用了井下煤巷大断面护盾式智能快掘机器人系统，经过试验，快掘效率高、运行平稳，彻底破解了榆北矿区大断面巷道掘进难题和井下采掘失衡导致的生产接续紧张的困扰。
[关键词]智能;掘进;快速
[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–02
Application of Shield Intelligent Fast Driving Robot in Yubei Mining Area
Yu Yuan-yu
[Abstract]In order to completely solve the problem of mining imbalance and achieve the goal of mining balance， through cooperation with relevant units， the company took the lead in adopting the large section shield type intelligent fast driving robot system of underground coal roadway. Through the test， the fast driving efficiency is high and the operation is stable， which completely solved the problem of large section roadway driving in Yubei mining area and the production continuity tension caused by underground mining imbalance.
[Keywords]intelligence; driving; fast
煤礦综采技术与装备的快速发展推动了煤炭产能大幅增加，这对煤炭产业既是机遇，同时也给安全生产管理带来压力，特别是煤巷破碎顶板掘进中暴露出的巷道支护不及时发生冒顶片帮、掘进效率低支护滞后、支护必停机、掘进与支护无法平行作业等问题，直接影响井下现场作业人员人身安全，煤炭企业呈现出不同程度采掘失调，掘进工程滞后影响矿井正常接续。随着科技水平不断进步，安全、快速、高效已成为煤矿可持续发展的主题，为解决采掘不平衡难题，榆北煤业公司与西科大、辽宁天安、西安煤机厂等单位联合研发了一套煤巷大断面护盾式智能快掘机器人系统，并在公司所属矿井煤巷掘进巷道投入试运行，经试验效果良好、掘进效率高，彻底解决了采掘失衡、掘进与支护无法平行作业难题。
1 护盾式智能快掘机器人系统介绍
采用的智能快速掘进机器人系统是集探、掘、支、锚、运、破、通风与除尘等掘进施工的各工艺环节于一体，集智能截割、自动运网、自动钻锚等技术为一体，有着一键启停、截割断面精准定形、定向掘进、掘锚平行、多机器人智能协同等先进功能，包含了巷道掘进过程一键智能截割、巷道全断面一次精准成形等多项技术。
该系统总长约100 m，装机功率806.5 kW，卧底深度200 mm，适用于掘进截割硬度≤f4，顶板中等稳定的近水平煤层，片帮与夹矸共存的大断面煤巷掘进（宽4.2～6.5 m，高3.5～4.5 m），生产能力1000 t/h，适应坡度±10°。
该系统破解了复杂地质条件智能掘进难题，日进尺由30 m达到50 m，月进尺可达1500 m，效率提高60%以上;掘进面操作人员由18人减少至8人。大幅提高了巷道掘进速度，有效提高了支护质量，助推煤矿井下巷道实现安全、智能、快速掘进。
2 主要组成及功能
系统关键部分由三大机器人组成，分别为护盾机器人、锚杆支护机器人、运网机器人。总体结构由五大系统构成，分别为机械系统、液压系统、水系统、电气系统、通风除尘系统。
（1）机械系统主要由前后盾体、铲板部、截割滑台、截割部、第一运输机、二运带式输送机及自移机尾组成。五大系统精确配合，协调一致，灵活完成巷道掘进、支护、原煤运输作业。
①盾体作为其他功能结构的载体，为工作人员提供安全可靠的作业空间，并对掘进后暴露的顶板进行临时支护。盾体为矩形断面，断面尺寸为高3 900 mm，宽6 400 mm，总长为9 400 mm。盾体高度方向通过液压油缸实现600 mm调节量，同时该油缸还担负承载任务。盾体分前盾体和后盾体，前、后盾体设置有上下两组推移油缸，实现前、后盾体的循环移动。每个盾体由若干部分拼装而成，盾体上还设有伸缩梁、掩护板等其他功能结构。
②铲板部主要由铲板本体、五齿星轮、液压马达、液压缸、扭距轴、运输机链轮轴等组成。铲板本体呈一定角度倾斜铰接于整机前部，两侧上表面装有装载装置，铲板两侧可通过连接在前盾底座上的油缸，实现张开和缩回;铲板主体可以通过连接在前盾底座上的油缸，实现上下移动。五齿星轮由液压马达驱动，无级调速，避免电机减速机驱动结构的电机进水、减速机密封容易损坏故障。
③截割部主要功能是截割掘进。采用横轴截割头，滚筒长度可根据巷道宽度在6 000～6 500 mm调节，进刀尺寸为1 000 mm，实际进刀尺寸可根据煤质软硬度情况进行调节。截割时由上向下一次成型，速度快、效率高，破煤过断层能力强、截割振动小、稳定性好。截割部由截割头、截割臂、减速机、截割电机组成。截割头为圆筒形，截割头直径为1 000 mm，在其表面分布镐形截齿。截割电机驱动扭矩轴，带动截割头进行回转工作。截割头与截割臂通过螺栓固定，截割臂通过固定在截割滑台上的举升油缸，实现截割臂升降，从而带动截割头在煤壁从上而下截割。 ④运输机驱动采用双电机加减速机驱动的中间套筒滚子链方式，过载能力强，过煤量大。运输机溜槽采用高强耐磨板焊接而成，提高了整体的强度和耐磨性。为防止跳链发生，采用液压缸涨紧技术进行涨紧。
操作平台紧连在后盾体上，是框架式高架平台，在平台上面摆放油泵电机、液压油箱、电控箱及操纵阀等液压、电气元件。
⑤皮带机驱动采用电动隔爆滚筒，电动滚筒带动托辊上的阻燃皮带运行，输送带采用液压涨紧，实现快速过煤。
（2）液压系统主要由液压油箱、泵站、多路阀、油缸、液压马达、冷却器、过滤器以及各胶管总成、接头、密封件等组成。
（3）水系统主要由球阀、反冲洗过滤器、减压阀、水泵、水管、管接头和水表等组成，来水压力为3～7 MPa，减压阀调定压力为2 MPa，水流量≥230 L/min。
（4）电气系统与液压系统配合，可实现遥控作业，同时对截割电机、星形马达、一运刮板机、油泵电机进行监控和保护。电气系统主要由PLC电控箱、遥控器、行程传感器、压力传感器、照明灯、急停按钮、甲烷传感器及电缆等组成。
（5）通风除尘系统由正压通风和负压除尘两部分组成。正压通风设置在盾体内部通风管路与巷道正压通风风筒相连接，形成供风通道。负压除尘由矿用湿式除尘风机来完成。除尘风机通过骨架风筒与设置在盾体内部通风管路相连，形成除尘通道，将掘进面的粉尘通过管路吸走并处理干净。设置在盾体内部的两条管路分别与正压通风和负压除尘连接，实现了对掘进面供风和除尘的目的。
运网系统设计在锚杆支护台车与操作台之间，人工将钢丝网放在运网平台上，通过送网机器人运至支护位置，液压油缸将钢丝网顶升至巷道顶部，利用锚杆支护台车上的垂直、水平锚杆钻机进行巷道顶帮锚杆、锚索支护，实现了巷道支护不停机、掘进与支护同步作业。
3 工作过程
截割滚筒通过铲板部、第一运输机、二运皮带机将截割下的原煤运出。设置有顶、帮锚杆钻锚支护作业平台固定在后盾体后部，在盾体掩护下对后部巷道顶帮进行永久支护，在截割滚筒向前掘进时，对新暴露的巷道依靠盾体进行临时支护，通过盾体后部设置的钻锚支护作业平台对后部巷道顶帮进行永久支护，实现掘进和永久支护平行作业，杜绝了掘进巷道空顶作业现象。
该系统可根据不同地质条件和巷道断面形状实现对巷道连续支撑，不仅充分满足井下巷道综掘、支护等作业与掘进截割设备有效配合要求，而且完全适应复杂地质条件。
该系统将原掘进作业掘一步一退机、频繁交换作业模式，改变为无退机作业、在盾体后部进行永久支护新模式，减少了不同工序之间交替所消耗的准备时间，显著提升了掘进机开机、掘进效率。
4 优点
该智能快掘系统实现了煤巷快速、安全、高效掘进要求，显著提高了巷道掘进效率和支护安全程度。与传统掘锚一体机相比，具有以下优点。
（1）可靠性高。该机器人以安全可靠为第一目标，液压泵、主要液压阀及附件、密封件、电气元器件等均采用国际品牌。铲板部星轮装载机构采用低速大扭矩马达，对铲板的外形结极及性能相对于横轴掘锚机进行了改进，使其更加适应巷道采掘的工作要求。采用全封闭油箱，确保了油液清洁度，增加了液压系统可靠性。采用负荷敏感多路阀，液压系统发热量少。采用进油、管路、回油三级过滤，有效降低液压元件磨损。外喷雾系统能最大程度降尘及避免火花。柱塞泵流量增大，提高液压系统动力及各执行元件动力。截割滚筒截齿布置合理，破煤过断层能力强、截割振动小、工作稳定性好。
（2）作业效率高。可实现各油缸动作速度的变频控制，无极调速。截割滚筒采用国际一流技术，设计单刀力大，截齿布置合理。
（3）智能化程度高。电气系统具有过流、过载、断压、欠压和失压保护功能，提高了安全保护能力，具备齐全的保护、故障诊断和排除故障方法显示。
（4）极佳除尘效果。可极大提高降尘效果，及时对作业过程中产生的煤尘进行回收和喷雾灭尘，净化了巷道，为工作人员提供良好环境。
（5）巷道精准成型，工程质量达标。该系统掘进过程中，截割滚筒工作平稳无抖动，加之现场顶帮稳定性好，可实现巷道断面一次精准成型，掘进过程中及时对巷道顶帮进行支护，达到工程质量达标、掘进效率高的效果。
5 不足之处
（1）该智能快掘系统占用巷道断面大，行人侧空间受限，在作业人员运送配件及材料时，空间受限可能会发生物体打击、挤伤等事故。
（2）顶帮支护作业属高空作业，可能存在高处坠落、锚杆钻机缠绕衣物等风险;支护过程中，空间受限。钻机操作人员作业工序相同，人员交叉作业，操作人员因配合、协调不到位，存在意外伤害等风险。
（3）维护检修难度大，无法做到故障精准定位、短时修复。由于该系统属国内技术先进设备，仍处于理论转化为成果的试验阶段，系统成果应用仍然建立在探索和实践基础上。系统本身存在一些设计缺陷，加之作业人员操作不当等易造成系统故障，检修人员水平不高，无法及时准确判断故障。厂家暂时无法对设计缺陷进行修改，这对快掘系统后期平稳运行是一大考验。
（4）配件单一，等待及更换配件时间较长。该智能快掘系统至少由4家单位合作研发、制造而成，组装配件由多个厂家提供。一旦机器人系统发生配件故障或损坏需更换时，矿井及厂家无配件或配件不足，將导致该系统长时间处于待机状态，严重制约巷道月度单进水平。
（5）该机器人系统如截割部、前后盾体等，体积大、重量重，若此类大件发生故障需拆卸维修，难度非常大。①人员检修空间受到很大限制，无法实现多人配合拆卸，效率低;②拆除件属大件设备，拆除后如何从工作面运至装车点值得思考;③大件在起吊过程中起吊点和起吊设备选择又是一大难题。
（6）目前该机器人系统处于试验阶段，作业人员对系统操作不熟练，对系统原理未充分掌握，对系统故障精确判断、维护保养和故障处理更是短板，严重制约机器人系统功能充分发挥。需邀请厂家技术人员常驻矿井，经常对操作、技术人员进行理论知识和现场授课培训，努力提高作业人员业务素质和专业技能，为该系统功能充分发挥提供技术保障和支持。
6 结论
该护盾式智能快速掘进机器人系统设计合理，在国内属先进设备，能实现巷道掘进不停机、掘进与永久支护同步作业，运行效果平稳，掘进效率高。能实现巷道掘进超前的目的，彻底破解了矿井采掘失衡难题，非常适合在陕北矿区大断面煤巷及半煤岩巷巷道掘进工程中的推广应用。
参考文献
[1] 艾存慧.浅谈如何在煤矿施工中实施快速掘进技术[J]，内蒙古煤炭经济，2016（22）：34-37.
[2] 张权.基于煤矿施工中的快速掘进技术[J]，机械管理开发，2015（10）：97-99.
[关键词]智能;掘进;快速
[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–02
Application of Shield Intelligent Fast Driving Robot in Yubei Mining Area
Yu Yuan-yu
[Abstract]In order to completely solve the problem of mining imbalance and achieve the goal of mining balance， through cooperation with relevant units， the company took the lead in adopting the large section shield type intelligent fast driving robot system of underground coal roadway. Through the test， the fast driving efficiency is high and the operation is stable， which completely solved the problem of large section roadway driving in Yubei mining area and the production continuity tension caused by underground mining imbalance.
[Keywords]intelligence; driving; fast
煤礦综采技术与装备的快速发展推动了煤炭产能大幅增加，这对煤炭产业既是机遇，同时也给安全生产管理带来压力，特别是煤巷破碎顶板掘进中暴露出的巷道支护不及时发生冒顶片帮、掘进效率低支护滞后、支护必停机、掘进与支护无法平行作业等问题，直接影响井下现场作业人员人身安全，煤炭企业呈现出不同程度采掘失调，掘进工程滞后影响矿井正常接续。随着科技水平不断进步，安全、快速、高效已成为煤矿可持续发展的主题，为解决采掘不平衡难题，榆北煤业公司与西科大、辽宁天安、西安煤机厂等单位联合研发了一套煤巷大断面护盾式智能快掘机器人系统，并在公司所属矿井煤巷掘进巷道投入试运行，经试验效果良好、掘进效率高，彻底解决了采掘失衡、掘进与支护无法平行作业难题。
1 护盾式智能快掘机器人系统介绍
采用的智能快速掘进机器人系统是集探、掘、支、锚、运、破、通风与除尘等掘进施工的各工艺环节于一体，集智能截割、自动运网、自动钻锚等技术为一体，有着一键启停、截割断面精准定形、定向掘进、掘锚平行、多机器人智能协同等先进功能，包含了巷道掘进过程一键智能截割、巷道全断面一次精准成形等多项技术。
该系统总长约100 m，装机功率806.5 kW，卧底深度200 mm，适用于掘进截割硬度≤f4，顶板中等稳定的近水平煤层，片帮与夹矸共存的大断面煤巷掘进（宽4.2～6.5 m，高3.5～4.5 m），生产能力1000 t/h，适应坡度±10°。
该系统破解了复杂地质条件智能掘进难题，日进尺由30 m达到50 m，月进尺可达1500 m，效率提高60%以上;掘进面操作人员由18人减少至8人。大幅提高了巷道掘进速度，有效提高了支护质量，助推煤矿井下巷道实现安全、智能、快速掘进。
2 主要组成及功能
系统关键部分由三大机器人组成，分别为护盾机器人、锚杆支护机器人、运网机器人。总体结构由五大系统构成，分别为机械系统、液压系统、水系统、电气系统、通风除尘系统。
（1）机械系统主要由前后盾体、铲板部、截割滑台、截割部、第一运输机、二运带式输送机及自移机尾组成。五大系统精确配合，协调一致，灵活完成巷道掘进、支护、原煤运输作业。
①盾体作为其他功能结构的载体，为工作人员提供安全可靠的作业空间，并对掘进后暴露的顶板进行临时支护。盾体为矩形断面，断面尺寸为高3 900 mm，宽6 400 mm，总长为9 400 mm。盾体高度方向通过液压油缸实现600 mm调节量，同时该油缸还担负承载任务。盾体分前盾体和后盾体，前、后盾体设置有上下两组推移油缸，实现前、后盾体的循环移动。每个盾体由若干部分拼装而成，盾体上还设有伸缩梁、掩护板等其他功能结构。
②铲板部主要由铲板本体、五齿星轮、液压马达、液压缸、扭距轴、运输机链轮轴等组成。铲板本体呈一定角度倾斜铰接于整机前部，两侧上表面装有装载装置，铲板两侧可通过连接在前盾底座上的油缸，实现张开和缩回;铲板主体可以通过连接在前盾底座上的油缸，实现上下移动。五齿星轮由液压马达驱动，无级调速，避免电机减速机驱动结构的电机进水、减速机密封容易损坏故障。
③截割部主要功能是截割掘进。采用横轴截割头，滚筒长度可根据巷道宽度在6 000～6 500 mm调节，进刀尺寸为1 000 mm，实际进刀尺寸可根据煤质软硬度情况进行调节。截割时由上向下一次成型，速度快、效率高，破煤过断层能力强、截割振动小、稳定性好。截割部由截割头、截割臂、减速机、截割电机组成。截割头为圆筒形，截割头直径为1 000 mm，在其表面分布镐形截齿。截割电机驱动扭矩轴，带动截割头进行回转工作。截割头与截割臂通过螺栓固定，截割臂通过固定在截割滑台上的举升油缸，实现截割臂升降，从而带动截割头在煤壁从上而下截割。 ④运输机驱动采用双电机加减速机驱动的中间套筒滚子链方式，过载能力强，过煤量大。运输机溜槽采用高强耐磨板焊接而成，提高了整体的强度和耐磨性。为防止跳链发生，采用液压缸涨紧技术进行涨紧。
操作平台紧连在后盾体上，是框架式高架平台，在平台上面摆放油泵电机、液压油箱、电控箱及操纵阀等液压、电气元件。
⑤皮带机驱动采用电动隔爆滚筒，电动滚筒带动托辊上的阻燃皮带运行，输送带采用液压涨紧，实现快速过煤。
（2）液压系统主要由液压油箱、泵站、多路阀、油缸、液压马达、冷却器、过滤器以及各胶管总成、接头、密封件等组成。
（3）水系统主要由球阀、反冲洗过滤器、减压阀、水泵、水管、管接头和水表等组成，来水压力为3～7 MPa，减压阀调定压力为2 MPa，水流量≥230 L/min。
（4）电气系统与液压系统配合，可实现遥控作业，同时对截割电机、星形马达、一运刮板机、油泵电机进行监控和保护。电气系统主要由PLC电控箱、遥控器、行程传感器、压力传感器、照明灯、急停按钮、甲烷传感器及电缆等组成。
（5）通风除尘系统由正压通风和负压除尘两部分组成。正压通风设置在盾体内部通风管路与巷道正压通风风筒相连接，形成供风通道。负压除尘由矿用湿式除尘风机来完成。除尘风机通过骨架风筒与设置在盾体内部通风管路相连，形成除尘通道，将掘进面的粉尘通过管路吸走并处理干净。设置在盾体内部的两条管路分别与正压通风和负压除尘连接，实现了对掘进面供风和除尘的目的。
运网系统设计在锚杆支护台车与操作台之间，人工将钢丝网放在运网平台上，通过送网机器人运至支护位置，液压油缸将钢丝网顶升至巷道顶部，利用锚杆支护台车上的垂直、水平锚杆钻机进行巷道顶帮锚杆、锚索支护，实现了巷道支护不停机、掘进与支护同步作业。
3 工作过程
截割滚筒通过铲板部、第一运输机、二运皮带机将截割下的原煤运出。设置有顶、帮锚杆钻锚支护作业平台固定在后盾体后部，在盾体掩护下对后部巷道顶帮进行永久支护，在截割滚筒向前掘进时，对新暴露的巷道依靠盾体进行临时支护，通过盾体后部设置的钻锚支护作业平台对后部巷道顶帮进行永久支护，实现掘进和永久支护平行作业，杜绝了掘进巷道空顶作业现象。
该系统可根据不同地质条件和巷道断面形状实现对巷道连续支撑，不仅充分满足井下巷道综掘、支护等作业与掘进截割设备有效配合要求，而且完全适应复杂地质条件。
该系统将原掘进作业掘一步一退机、频繁交换作业模式，改变为无退机作业、在盾体后部进行永久支护新模式，减少了不同工序之间交替所消耗的准备时间，显著提升了掘进机开机、掘进效率。
4 优点
该智能快掘系统实现了煤巷快速、安全、高效掘进要求，显著提高了巷道掘进效率和支护安全程度。与传统掘锚一体机相比，具有以下优点。
（1）可靠性高。该机器人以安全可靠为第一目标，液压泵、主要液压阀及附件、密封件、电气元器件等均采用国际品牌。铲板部星轮装载机构采用低速大扭矩马达，对铲板的外形结极及性能相对于横轴掘锚机进行了改进，使其更加适应巷道采掘的工作要求。采用全封闭油箱，确保了油液清洁度，增加了液压系统可靠性。采用负荷敏感多路阀，液压系统发热量少。采用进油、管路、回油三级过滤，有效降低液压元件磨损。外喷雾系统能最大程度降尘及避免火花。柱塞泵流量增大，提高液压系统动力及各执行元件动力。截割滚筒截齿布置合理，破煤过断层能力强、截割振动小、工作稳定性好。
（2）作业效率高。可实现各油缸动作速度的变频控制，无极调速。截割滚筒采用国际一流技术，设计单刀力大，截齿布置合理。
（3）智能化程度高。电气系统具有过流、过载、断压、欠压和失压保护功能，提高了安全保护能力，具备齐全的保护、故障诊断和排除故障方法显示。
（4）极佳除尘效果。可极大提高降尘效果，及时对作业过程中产生的煤尘进行回收和喷雾灭尘，净化了巷道，为工作人员提供良好环境。
（5）巷道精准成型，工程质量达标。该系统掘进过程中，截割滚筒工作平稳无抖动，加之现场顶帮稳定性好，可实现巷道断面一次精准成型，掘进过程中及时对巷道顶帮进行支护，达到工程质量达标、掘进效率高的效果。
5 不足之处
（1）该智能快掘系统占用巷道断面大，行人侧空间受限，在作业人员运送配件及材料时，空间受限可能会发生物体打击、挤伤等事故。
（2）顶帮支护作业属高空作业，可能存在高处坠落、锚杆钻机缠绕衣物等风险;支护过程中，空间受限。钻机操作人员作业工序相同，人员交叉作业，操作人员因配合、协调不到位，存在意外伤害等风险。
（3）维护检修难度大，无法做到故障精准定位、短时修复。由于该系统属国内技术先进设备，仍处于理论转化为成果的试验阶段，系统成果应用仍然建立在探索和实践基础上。系统本身存在一些设计缺陷，加之作业人员操作不当等易造成系统故障，检修人员水平不高，无法及时准确判断故障。厂家暂时无法对设计缺陷进行修改，这对快掘系统后期平稳运行是一大考验。
（4）配件单一，等待及更换配件时间较长。该智能快掘系统至少由4家单位合作研发、制造而成，组装配件由多个厂家提供。一旦机器人系统发生配件故障或损坏需更换时，矿井及厂家无配件或配件不足，將导致该系统长时间处于待机状态，严重制约巷道月度单进水平。
（5）该机器人系统如截割部、前后盾体等，体积大、重量重，若此类大件发生故障需拆卸维修，难度非常大。①人员检修空间受到很大限制，无法实现多人配合拆卸，效率低;②拆除件属大件设备，拆除后如何从工作面运至装车点值得思考;③大件在起吊过程中起吊点和起吊设备选择又是一大难题。
（6）目前该机器人系统处于试验阶段，作业人员对系统操作不熟练，对系统原理未充分掌握，对系统故障精确判断、维护保养和故障处理更是短板，严重制约机器人系统功能充分发挥。需邀请厂家技术人员常驻矿井，经常对操作、技术人员进行理论知识和现场授课培训，努力提高作业人员业务素质和专业技能，为该系统功能充分发挥提供技术保障和支持。
6 结论
该护盾式智能快速掘进机器人系统设计合理，在国内属先进设备，能实现巷道掘进不停机、掘进与永久支护同步作业，运行效果平稳，掘进效率高。能实现巷道掘进超前的目的，彻底破解了矿井采掘失衡难题，非常适合在陕北矿区大断面煤巷及半煤岩巷巷道掘进工程中的推广应用。
参考文献
[1] 艾存慧.浅谈如何在煤矿施工中实施快速掘进技术[J]，内蒙古煤炭经济，2016（22）：34-37.
[2] 张权.基于煤矿施工中的快速掘进技术[J]，机械管理开发，2015（10）：97-99.