矿用矩形全断面掘进机的研制
李刚。
摘要：根据掘进过程中存在掘进与锚护不能同时作业、巷道成形质量不高、无法杜绝零空顶作业、劳动强度高、效率极低，安全风险大等问题。开发出一套全断面成巷掘进机，实现掘进、支护、锚护以及连续运输同时作业，简化工序，减轻劳动强度，实现掘进工作面迎头全封闭支护的高效快速掘进，达到零空顶，实现掘进面快速一次成巷的目的。
Abstract： According to the problems existing in the process of driving， such as driving and bolting can not be operated at the same time， the quality of tunnel forming is not high， zero empty roof operation can not be eliminated， labor intensity is high， efficiency is extremely low， and safety risk is large. A set of full face roadheader is developed to realize the simultaneous operation of driving， supporting， anchoring and continuous transportation， simplify the working procedure， reduce the labor intensity， realize the efficient and rapid driving of the head—on full closed support of the driving face， achieve the goal of zero empty roof， and realize the rapid one—time tunneling of the driving face.
Key words： heading face;rectangular full section;continuous transportation;remote control。
0 引言。
我国已成为世界第一大煤炭生产和消费国，由于受能源结构的制约以及国民经济高速发展的需求，在今后相当一段时间内对煤炭的需求量还会进一步加大。然而，在影响我国煤炭生产的采煤、掘进和运输三大环节中，采煤和运输的功效已经达到了世界一流水平，但掘进功效始终成为制约煤炭产量进一步提高的重要瓶颈，影响掘进效率主要因素是支护效率与支护水平，支护的可靠性成了制约掘进效率的关键因素[1，2]。
现阶段煤矿煤巷掘进主要采用悬臂式掘进机、连采机、掘锚机等装备，在掘进过程中存在很多不足：都不能完成全断面一次成型;掘进与锚护不能同时作业;形成的巷道质量不高，需要二次修整;掘进过程中产生大量的浮矸、浮煤，需要人工清理;无法杜绝零空顶作业，辅助工作量大，劳动强度高，效率极低，安全风险大;除尘效果差，工作環境恶劣。针对以上问题，为了快速高效实现掘进全断面一次成巷、掘进与支护同时作业，简化工序，开发出一套掘支同步作业、掘进工作面迎头全封闭支护的高效掘进装置势在必行。
1 设计原则。
①掘进工作面空间狭小，设备多，掘进机机头、推进支护装置、装运系统、除尘系统，锚护系统以及后配套连续运输系统必须具有良好的配套性能、适应性、工艺性以及不影响通风要求。
②实现全断面一次成巷，达到掘进、支护、锚护以及连续运输同步作业。
③为了达到安全、有效的全封闭支护，掘进机机头与推进支护装置稳定性好，满足巷道支护要求的工作阻力以及足够的推拉动力，实现远程遥控控制，有效控制巷道的围岩变形。
④保持高效的设备推拉迈步移动，同时适应巷道的变化，达到小角度转弯的目的。
⑤装运系统以及后配套连续运输系统运输能力满足全断面快速装载与连续运输的目的;除尘系统保持工作面良好的工作环境。
矿用全断面矩形快速掘进机（如图1所示）整机外形尺寸5.8m×3.8m×12.5m，掘进断面尺寸5.8m×3.8m，整机重量230t，设计掘进能力平均月进尺3000m。主要由矩形掘进机机头、推进支护装置、侧向支撑机构、导向主梁、刮板运输机、鞍架调向机构、超前支护锚杆机组、电气控制系统、导向系统、液压系统和除尘等系统等组成，主要特点如下：
①整机采用分体式的结构，实现了掘进与锚杆支护的同时作业，使打锚杆不再成为提高掘进功效的制约因素，矩形掘进机机头与推进支护装置通过鞍架调向机构铰接，之间空间通过机头伸缩式防护板支护，实现整机的迈步推移、比较小的转弯半径的灵活调向以及全封闭支护。
②4组鞍架调向机构推移行程1.5m，保障掘进时推进支护装置的震动比较小，提高整机系统的稳定性;自带4组超前锚杆临时支护，可以应对顶底板情况相对较差的地质条件。
③矩形掘进机机头重量约150t（如图2所示），掘进机机头采用复合层次组合式刀盘，复合层次组合式刀盘包括一个中心大刀盘和周围四个小刀盘，其中中心大刀盘采用镐形齿、小刀盘采用扁形齿，复合层次组合式刀盘组合截割形成矩形断面，掘进机机头完成全断面割煤。
④刮板运输机布置于导向主梁中，前部凸出在大截割头下部（如图3所示），有利于增大有效落煤面积，提高前端的清煤效果，尾部运输至转载机上，可实现左右摆动。运输机采用套筒滚子中单链刮板运输、黄油缸张紧形式，槽宽760mm，落煤高度1000mm。
⑤推进支护装置采用框架结构（如图4所示），整体宽度5000mm，支撑力5000kN，支撑高度3.0—4.5m，可实现全封闭支护，同时为机头提供足够的推进力。主要有顶梁、底座、前、后连杆、掩护梁、立柱、调架油缸以及提升油缸组成;左右分别通过四连杆机构进行铰接，保证总体稳定性;通过4根立柱为整套设备提供支撑力;整个液压系统配备2个油箱，分别隐藏于底座后部;顶梁上部均布21件可拆卸的聚氨酯块，降低整机对巷道顶板反复支撑以及锚杆索的破坏;左右设置导轨机构，为侧向支撑机构提供可靠的导向作用;前后布置4套提升机构，提高整体设备对底板的适应性。
3 主要技术参数及工作原理。
3.1 主要技术参数。
移动形式：迈步前移。
刀盘总截割功率/kW：1300。
系统压力/MPa：20。
电压/V：3300。
支撑高度/mm：2500～3800。
推进行程/mm：1500。
最大推进速度/m/min：0.3。
输送量/t/h：1200。
链速/m/s：1.7。
运输功率kW：37×2。
适应巷道尺寸/m：5.8×3.8。
控制方式：远程电液控制。
整机重量/t：230。
3.2 工作原理。
矿用全断面矩形快速掘进机主要通过矩形掘进机机头、推进支护装置、鞍架调向机构相互迈步前移，后配套连续运输系统主要由四臂锚杆转载机、带式转载机和迈步自移机尾组成（如图5所示），可实现快掘工作面掘进、运输、支护、锚护平行作业[3，4]。主要工作过程分为以下4个步骤：
①设备组装准备状态。先采用传统的掘进机+二运的方式掘巷约100m，然后将矿用全断面矩形快速掘进机、四臂锚杆转载机、皮带转载机和迈步自移机尾等设备布置于巷道内，皮带转载机和迈步自移机尾搭接行程为60m，四臂锚杆转载机前部2台顶部锚护装置，后部2台帮锚装置，前部设置2.0m长度的受料斗，与矿用全断面矩形快速掘进机搭接行程为1.5m。
②推进支护装置与侧向支撑机构支撑顶部以及煤帮，通过鞍架调向机构纵向推动矩形掘进机机头掘进1.5m，同时物料通过连续运输系统运输到皮带机上;通过4台顶部锚护装置锚护巷道顶部锚杆后，将机头两侧支撑机构支撑煤帮，拉动推进支护装置前移1.5m。
③带式转载机与四臂锚杆转载机联动，跟随矩形掘进机前移1.5m，同时对两帮锚杆、顶部剩余的锚杆以及锚索进行锚护，完成1.5步距小循环。
④重复以上循环推进工艺，将矩形掘进机、四臂锚杆转载机以及带式转载机移动60m后，迈步前移自移机尾60m，完成60m大循环掘进工艺。重复以上动作即可实现零空顶、高效、安全、连续快速掘进的目的。
4 结论。
①针对目前掘进过程中不能完成全断面一次成型，无法杜绝零空顶作业，安全风险大等问题，设计研发了一套安全可靠，远程控制，实现掘支运同步作业、掘进工作面迎头全封闭支护的高效矿用全断面矩形快速掘进机，使得掘进能力平均月进尺达到3000m。
②矩形掘进机机头与推进支护装置通过鞍架调向机构铰接，实现整机的迈步推移、比较小的转弯半径，提高设备的适应性。
③推进支护装置采用框架结构，保证设备整体稳定性以及全封闭支护。
参考文献：
[1]胡林.综掘临时支护技术的研究与应用[J].煤炭科学技术，2008，36（6）：9—11.
[2]王翔，关于巷道成型质量影响因素研究[J].科技创新导报，2015，5（15）：67—68.
[3]王建國.高效快掘后配套设备的应用[J].煤矿机械，2014，35（9）：149—151.
[4]杨东辉，宁掌玄，吕兆恒，等.新型迈步自移式超前临时支架的研制与应用[J].煤炭科学技术，2015，43（6）：112—115，84.