煤矿智能化快速掘锚成套装备的开发与应用研究

唐满富

（中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林 719000）

中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿位于陕西省榆林市榆阳区西部，井田面积280.03 km2，矿井资源储量50.582 9 亿t，可采储量32.750 6 亿t，矿井设计生产总规模1500 万t/a。大海则煤矿201 工作面主采2 号煤层，埋深547.95～654.95 m，煤层平均厚度6.32 m，煤层平均倾角1°。煤层直接顶板以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主，厚度1.2～3.4 m；
底板以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，厚度1.4～2.8 m。2020 年根据集团公司安排，结合大海则煤矿工程项目建设情况，设计开发了适应大海则煤矿煤层地质条件的高可靠性、高性能的智能化快速掘锚成套装备[1-2]，并在201 工作面进行实践应用。

2.1 智能化快速掘锚成套装备及技术参数

按照大海则煤矿201 综放工作面巷道生产工艺要求，设计了智能化掘锚一体机、液压锚杆钻车、带式转载机等关键快速掘锚成套设备，解决掘进、锚护、运输的连续作业问题。各设备主要参数如下：

（1）掘锚一体机

掘锚一体机技术参数：总功率≥500 kW；
电源电压1140 V；
生产能力≥20 t/min；
截割高度3.5～4.5 m；
截割宽度5.1～5.6 m/6.0～6.5 m；
钻机数量8 个（4顶+2 帮+2 探水钻机）；
行走方式为静液压驱动，湿式驻车制动；
离地间隙≥210 mm；
质量≤90 t。

（2）液压锚杆钻车（两台，分为1 号、2 号）

液压锚杆钻车的技术参数：总功率≥270 kW；
电源电压1140 V；
适应倾角为行走时纵向17°、横向4°，截割时纵向12°、横向4°；
钻机数量7（1 号车：3 顶+4 帮）/5（2 号车：3 顶+2 帮）；
行走方式为静液压驱动，湿式驻车制动；
离地间隙≥150 mm；
质量≤70 t。

（3）带式转载机

带式转载机的技术参数：总功率≥55 kW；
电源电压1140 V；
带宽≥1000 mm；
带速≥3.5 m/s；
输送能力≥1400 t/h；
质量25 t；
输送距离≥70 m；
搭接距离≥60 m；
输送带张紧行程≥1200 mm；
输送带张紧方式为油缸张紧；
行走方式为尾部与锚杆钻车连接，与锚杆钻车随动。

2.2 智能化快速掘成进套装备核心技术分析

（1）掘锚同步、平行作业，多套钻机协同顺序作业

截割机构伸缩一个截距一次截割全断面成型，截割的同时掘锚机（配备第一排4 顶锚钻机，第二排2 帮锚钻机）第一排顶锚钻机、第二排帮锚钻机同时工作。在一个截割循环时间内，同时打4 个顶锚杆和2 个帮锚杆；
在第二个截割循环时间内，第一台锚杆钻车（配备第一排4 顶锚钻机，第二排3帮锚钻机）、第二台锚杆钻车（配备第一排3 顶锚钻机，第二排2 帮锚钻机）可完成剩下的锚杆支护。通过掘锚平行作业，多套钻机协同顺序作业，2 个掘进循环时间可以完成巷道一个断面至少16 根锚杆的钻锚作业，大幅提高了掘进效率。

（2）大扭矩超前钻机

该成套装备配备2 套大扭矩超前钻机，最大进给力可达30 kN，钻孔效率高，操作便捷；
可配备95、65 钻头，一组120 m 深度前探孔8 h 即可完成，一个月可节省3～5 d 用于巷道掘进，有效节省掘进前探时间，提高掘进速度。

（3）精准高效的智能导向系统

智能快掘成套装备导向系统采用防爆陀螺定向系统+全站仪，配合矿方激光导向设备，可以实时数字导向，自动方向纠偏，巷道掘进方向四面误差可以控制在30 mm 以内，实现巷道“两平两直”高标准化要求。智能导向系统可减少工程测量人员烦琐的测量和矫正工作，效率提高50%以上，增加了掘进时间，提高了掘进进尺。

（4）截割机构实时位置虚拟在线技术

智能快掘成套装备在截割机构开发方面，首次引进实时在线虚拟技术，将截割机构动作轨迹实时映像在显示屏上，可以实现程序控制数字截割及实时人工干预。该智能技术的应用，使快掘成套装备的智能化自动截割成为现实。

（5）锚杆钻机自动控制技术

智能化快掘成套装备上锚杆钻机均可实现遥控操作，配备的钻机可实现锚杆、锚索两用，所有锚杆钻机都具有多个自由度，可实现截面锚杆位置全覆盖，灵活快捷、定位精准。在控制方式上，通过程序科学控制钻锚顺序，依次自动打钻、自动推进及回退，可以实现一人同时控制多台锚杆钻机的锚钻工作，有效减少现场施工人数。

（6）成套装备的智能连锁控制技术

① 实现成套装备的顺序控制：启动时，转载机→2 号锚杆钻车→1 号锚杆钻车→掘锚机；
停止时，为掘锚机→1 号锚杆结车→2 号锚杆钻车→转载机。顺序控制可有效减少煤料堆积，保障系统正常工作。

② 任一台设备出现故障或操作任一急停按钮时，能及时保证整套设备全部停止，有效防止安全事故和设备损坏。

（7）完备的故障自诊断和在线监测系统

通过智能控制技术将所有设备控制单元进行协同控制和集中控制，通过可视化显示界面直观地显示出来，实现了参数实时在线监测，同时对各控制环节信号及时对比分析和阶段存储。出现故障后，通过数据自动分析对比，可及时自动诊断故障位置、故障类型，并通过屏幕和语音提示，快速进行反馈，便于及时排查和解决。

3.1 截割机构进给速度与截割速度的匹配性研究

截割机构在进给和截割过程中，进给速度和滚筒转速必须有一个科学合理的匹配速度，截割才能平稳，才能保证掘锚机上钻锚工作的平行进行。经过多次试验和分析研究，结合煤层硬度情况，通过优选不同长度截齿、调整掘锚机伸缩油缸伸缩速度，最后获得了合理的匹配速度。

3.2 锚杆钻机优化布置的研究

在试验过程中，钻机数量增加后，相互之间空间狭小，钻机自由度受到限制，对人员操作也存在一定影响，掘进效率提高有限。经过分析后，将顶锚杆钻机4 个调整为2 个，增加X、Y 方向上的移动行程，同时将多余的空间改为操作平台，大幅改善工人的操作灵活性，配合遥控和锚杆钻机智能化顺序控制，4 个人减少到1 个人，效率还提升了20%。

3.3 运输系统各设备之间的衔接技术研究

运输系统的可靠高效能保证快速掘进。成套装备运输系统的衔接主要是通过刮板输送机搭接转载运输，工作顺序采用程序加人工干预进行顺序梯次行进。掘锚机、锚杆钻车、转载机之间要保证至少一个半截割循环的搭接尺寸才能保证煤料运输的平稳运行，要保证后续设备运输能力不小于前一台设备，同时要考虑底板的平整性，要保证后一台设备在左右倾斜2°、前后倾斜5°的特殊情况下，接煤斗不出现撒煤和漏煤的情况。因此对接煤斗的设计、设备之间的衔接速度、运输设备之间的运输量匹配等进行了深入的研究和分析，有效地保证了运输系统的正常运行。

3.4 智能化快速掘锚成套装备除尘研究

该煤矿井下巷道除尘方式主要有：主机配套内外喷雾、长压短抽湿式水幕除尘。该项目装备前期配备内外喷雾+机载湿式除尘系统，除尘效率能达到60%。存在问题主要表现在：（1）成套装备配套设备较多，内、外喷雾对水量需求较大，大量水排放在巷道迎头，造成设备行走困难。（2）内外喷雾水压力不高，无法形成水雾，内外喷雾除尘效果不佳。（3）掘锚机机载湿式除尘器无法后接风筒，直接排风，带水雾高压风的排风口正对后部钻车，造成钻车锚钻作业无法正常进行。

经过深入分析研究和市场调研，引入了泡沫除尘系统。泡沫除尘系统采用外喷雾形式，节省空间，用水量少，除尘效率达到98%以上。同时，控制内喷雾水量，仅满足冷却设备需要即可。改进后除尘效果明显改善，也解决了巷道迎头积水现象，为掘锚平行作业提供了重要的环境保障。

煤矿智能化快速掘锚成套装备集掘锚同步、超前探放、智能导向、一次成巷、负压除尘、数字截割、数据交互、远程操控八大功能于一体，真正实现掘、支、运同步作业。该装备自2021 年4 月下线，在大海则煤矿201 工作面应用以来，平均月进尺超过1200 m，最高单日进尺91.5 m，最高月进尺2020 m。该快速掘锚成套装备在大海则煤矿201 工作面的成功应用，大幅度提高了掘进生产效益，保证了矿井生产安全。

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