一、煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)中存在的問題
目前，煤礦掘進(jìn)作業(yè)主要以綜掘與炮掘?yàn)橹鳎S著裝備與技術(shù)的不斷進(jìn)步，綜合機(jī)械化掘進(jìn)必將成為將來煤礦開拓掘進(jìn)的主流方向。現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)從以前的傳統(tǒng)機(jī)型發(fā)展為掘錨一體機(jī)和連采機(jī)，但是無論使用什么型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，不管它的掘進(jìn)速度有多快，樣式有多么復(fù)雜，都無法真正突破目前煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)中面臨的最大技術(shù)瓶頸，那就是掘進(jìn)前進(jìn)到一定長(zhǎng)度時(shí)，必須停止掘進(jìn)機(jī)作業(yè)，對(duì)工作面迎頭的頂板及倆幫進(jìn)行支護(hù)，嚴(yán)禁空頂作業(yè)。這樣，就出現(xiàn)了如下的問題：
1.掘進(jìn)與支護(hù)無法同時(shí)平行作業(yè)，在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)前面不得有其他人員作業(yè)，在工作面進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)必須截割頭落地并且停電閉鎖。以常見的綜掘錨網(wǎng)工藝為例，考慮到頂板及側(cè)幫煤巖牢固及人員安全，在巷道掘進(jìn)到規(guī)定距離時(shí)（一般為0.8-1.5米），必須停機(jī)進(jìn)行支護(hù)，人員不能在沒有支護(hù)的環(huán)境中工作，必須先進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，然后進(jìn)行永久支護(hù)。掘進(jìn)和支護(hù)工序不能同步進(jìn)行，在掘進(jìn)時(shí)，支護(hù)工必須停止支護(hù)作業(yè)，而在支護(hù)時(shí)，掘進(jìn)作業(yè)必須停止。掘進(jìn)作業(yè)和支護(hù)作業(yè)互相影響互相制約，嚴(yán)重影響了設(shè)備及人員的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，影響單班掘進(jìn)產(chǎn)量，從而影響企業(yè)效益和收入。
2.人員在工作面進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)及永久支護(hù)作業(yè)時(shí)，存在高處墜落、頂板及側(cè)幫圍巖垮落傷人等安全風(fēng)險(xiǎn)。
二、煤礦掘進(jìn)巷道綜合支護(hù)裝置的研發(fā)背景
本套巷道綜合支護(hù)成套設(shè)備研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員均來自煤礦采掘機(jī)電一線，有豐富的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過多年總結(jié)探索和科研攻關(guān)，不斷修訂完善，最終攻克了這一困擾煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)的歷史性難題，本套技術(shù)成果在2017年已經(jīng)取得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利和1項(xiàng)實(shí)用新型專利。主要可以用于煤礦及非煤井工礦的井開拓掘進(jìn)巷道支護(hù)、長(zhǎng)壁式回采工作面上下安全出口超前支護(hù)、充填式開采綜合支護(hù)等生產(chǎn)場(chǎng)所。
三、煤礦掘進(jìn)巷道綜合支護(hù)裝置具體介紹
本套設(shè)備是由液壓元件與金屬構(gòu)件組成，一套設(shè)備可以用于不同斷面尺寸的拱形巷道、矩形巷道、梯形巷道等不同斷面結(jié)構(gòu)巷道支護(hù)使用?？梢耘涮赚F(xiàn)在市場(chǎng)上所有掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)作業(yè)。它能實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化支撐、移架、鋪網(wǎng)、架設(shè)鋼棚梁、打設(shè)錨桿錨索和灑水噴霧等一整套工序。不僅具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高，移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是減輕了一線人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了整個(gè)作業(yè)場(chǎng)所的工作環(huán)境和安全狀況，同時(shí)具有很大的技術(shù)升級(jí)空間。
其整體為門式結(jié)構(gòu)，由端頭支架、中部支架、支護(hù)平臺(tái)等幾部分組成。在端頭支架頂部設(shè)計(jì)有自動(dòng)鋪網(wǎng)裝置，可以完成巷道頂面自動(dòng)鋪設(shè)尼龍網(wǎng)（鐵絲網(wǎng)）。在端頭支架側(cè)壁可以安裝2套巷柱式探水鉆機(jī)，需要進(jìn)行探水作業(yè)時(shí)可以快速伸出鉆臂，不用時(shí)鉆機(jī)縮回支架側(cè)壁內(nèi)，不影響其他作業(yè)。支架部分整體為組合邁步式結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)創(chuàng)的AB架互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，在整套設(shè)備前進(jìn)時(shí)，始終有一組支架可靠靜態(tài)完全接頂支護(hù)，不會(huì)對(duì)頂板造成二次破壞。在其尾部布置有綜合支護(hù)平臺(tái)，平臺(tái)上面可以打錨桿、錨索，完成巷道永久支護(hù)。
1.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
本套巷道綜合支護(hù)設(shè)備用于煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)與掘進(jìn)機(jī)（連采機(jī)）沒有直接連接，可以全斷面對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。它隨著掘進(jìn)面推進(jìn)自動(dòng)組合邁步式前移，其采用獨(dú)創(chuàng)的AB架結(jié)構(gòu)，在移架時(shí)可以始終保持工作面及掘進(jìn)機(jī)、二運(yùn)等設(shè)備所在巷道全斷面接頂支護(hù)。因?yàn)楸咎字ёo(hù)設(shè)備可以隨著掘進(jìn)機(jī)迅速前移，所以掘進(jìn)面迎頭空頂距很小，不用臨時(shí)支護(hù)，而且把整個(gè)永久支護(hù)環(huán)節(jié)放在整套設(shè)備尾部，所以掘進(jìn)和支護(hù)互不影響，可以平行作業(yè)，是整個(gè)作業(yè)流程特別順暢，人員可以各司其職，設(shè)備使用率可以顯著提升。最重要的是它突破了巷道掘進(jìn)常規(guī)工序的互相制約互相影響的局限，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)中各個(gè)工序的平行作業(yè)，大大提高了掘進(jìn)速度，它的應(yīng)用將對(duì)增加掘進(jìn)工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)起到不可估量的作用。必將成為掘進(jìn)綜合機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。使用本套巷道支護(hù)設(shè)備可以改變傳統(tǒng)掘進(jìn)作業(yè)的流程，極大的提高掘進(jìn)速度，減輕現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高施工作業(yè)場(chǎng)所的安全性。保守的計(jì)算，可以將單班掘進(jìn)產(chǎn)量提高2.5倍以上。
2.本套設(shè)備作為長(zhǎng)壁式回采工作面上下安全出口超前支護(hù)的前景與效益
超前液壓支架是2000年之后逐步出現(xiàn)，支護(hù)可靠性較好勞動(dòng)強(qiáng)度不大。其不足之處主要是在其移架時(shí)空頂時(shí)間較長(zhǎng)，如果遇到破碎頂板或突然來壓，可能出現(xiàn)漏頂及壓垮的危險(xiǎn)因素。本套設(shè)備以高壓液體為動(dòng)力，隨著采煤工作面回采自動(dòng)邁步式前移，其采用獨(dú)創(chuàng)的AB架結(jié)構(gòu)，在移架時(shí)可以始終保持所在巷道全斷面靜態(tài)接頂支護(hù)，提高了安全性能，而且操作簡(jiǎn)單，可以適應(yīng)各種地質(zhì)條件使用要求。
3.本套設(shè)備與掘進(jìn)機(jī)（連采機(jī)）配合進(jìn)行充填開采前景與效益
充填開采可以對(duì)構(gòu)筑物下及水體下的資源進(jìn)行開采，目前國(guó)家政策對(duì)環(huán)保及生態(tài)保護(hù)的力度越來越大，這也是以后礦物質(zhì)開采的必選之路，本套設(shè)備可以與掘進(jìn)機(jī)（連采機(jī)）配合完成充填開采，機(jī)動(dòng)靈活，安全高效，效益顯著。
四、在實(shí)際生產(chǎn)中的意義
掘進(jìn)與開拓是煤礦生產(chǎn)建設(shè)最基本的工作，掘進(jìn)的速度與質(zhì)量直接關(guān)系到煤礦安全與效益，本套掘進(jìn)支護(hù)裝置根據(jù)我們多年的煤礦生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合煤礦的采掘技術(shù)歷時(shí)8年研究而成，其有效的解決了目前煤礦生產(chǎn)中的實(shí)際問題，降低了生產(chǎn)成本，提高了安全與設(shè)備的綜合利用率和單班產(chǎn)量，理順了生產(chǎn)的工序，加快了生產(chǎn)的速度，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)有很大的技術(shù)改造升級(jí)的空間。
本套專利技術(shù)開創(chuàng)了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，改變了煤礦掘進(jìn)生產(chǎn)傳統(tǒng)的工序流程。可以與現(xiàn)在通用的各種掘進(jìn)設(shè)備配套使用，一套設(shè)備可以滿足不同斷面結(jié)構(gòu)和不同地質(zhì)條件及不同支護(hù)形式使用。必將成為未來現(xiàn)代化煤礦機(jī)械化掘進(jìn)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。
本套專利設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，使用本裝置后，正常掘進(jìn)作業(yè)進(jìn)度是傳統(tǒng)工藝流程的2.5倍以上，而且降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度，考慮到其它因素，按2倍保守計(jì)算，目前煤巷掘進(jìn)單價(jià)2000元/米以上，按照2000元計(jì)算，每天可以多掘進(jìn)6-10米以上，每天可以多創(chuàng)造掘進(jìn)產(chǎn)值12000元以上，煤礦企業(yè)投入使用后，在幾個(gè)月就可以收回投資成本。由于本套專利設(shè)備是全斷面接頂支護(hù)，極大的提高了掘進(jìn)工作面的安全狀況，所創(chuàng)造的安全效益無法用現(xiàn)金來衡量。對(duì)于一個(gè)煤礦企業(yè)來說，只要真正的解決了他們的實(shí)際問題，提高了他們的實(shí)際經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和安全效益，才是檢驗(yàn)我們的成果唯一標(biāo)準(zhǔn)。
五、對(duì)于前期市場(chǎng)調(diào)研中各位專家和社會(huì)各界提出的疑問解答
煤礦掘進(jìn)巷道綜合支護(hù)裝置等整套技術(shù)成果在國(guó)家專利局認(rèn)證授權(quán)后，得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。為了更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出不足之處，我們?cè)谏綎|、內(nèi)蒙古、河北、山西等地邀請(qǐng)了許多煤炭生產(chǎn)及煤機(jī)制造領(lǐng)域的專家對(duì)本套科技成果進(jìn)行了多次專題調(diào)研，各位專家提出了很多寶貴的建議和意見，現(xiàn)整理如下：
1.現(xiàn)在市場(chǎng)上也有掘進(jìn)支架，但是反復(fù)支撐會(huì)對(duì)頂板造成二次破壞，請(qǐng)問本裝置如何解決？
現(xiàn)在市場(chǎng)上的掘進(jìn)巷道支架由于反復(fù)動(dòng)態(tài)支撐會(huì)產(chǎn)生反復(fù)交變剪切應(yīng)力，對(duì)頂板造成破壞，我們的支架在接頂設(shè)計(jì)上有很大的區(qū)別；我的支架在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到這一問題，移架采用組合邁步式結(jié)構(gòu)，我們支架分為A·B兩組支架在任何一組支架降低高度不接頂移架時(shí)；另一組支架全斷面可靠靜態(tài)接頂支護(hù)，同時(shí)在液壓支撐系統(tǒng)也做了防過壓保護(hù)，而且最重要的是在頂梁設(shè)計(jì)為鉸接曲面結(jié)構(gòu)，不會(huì)對(duì)頂板圍巖造成二次破壞。
2.在地質(zhì)情況復(fù)雜頂板破碎時(shí)可以使用嗎？
本套設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就是按照復(fù)雜地質(zhì)條件和破碎頂板條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整體為門式結(jié)構(gòu)，尤其在頂部，本套設(shè)備可以完成全面鋪網(wǎng)，在側(cè)幫也是半封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用獨(dú)創(chuàng)的組合邁步A.B架設(shè)計(jì)，在移架時(shí)，保證全斷面靜態(tài)接頂支護(hù)，不會(huì)對(duì)頂板造成二次破壞。
3.煤礦巷道由于功能不同可能存在斷面形狀及尺寸變化，購(gòu)買一套設(shè)備能不能滿足煤礦不同巷道使用的技術(shù)要求？
本套設(shè)備采用可調(diào)式頂梁結(jié)構(gòu)，一套裝備可以完成不同規(guī)格尺寸的拱形，矩形、梯形巷道支護(hù)任務(wù)，而且操作簡(jiǎn)單，可以在使用中隨時(shí)調(diào)整支架支護(hù)寬度。解決了設(shè)備利用率低的問題。
4.本設(shè)備的液壓系統(tǒng)操作是否簡(jiǎn)單易行，會(huì)不會(huì)影響其他掘進(jìn)工作？
液壓操作技術(shù)目前在工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诔墒旒夹g(shù)。本套設(shè)備液壓元件屬于簡(jiǎn)單類型，液壓操作系統(tǒng)有就地手動(dòng)操作和遠(yuǎn)程遙控操作2種操作模式，本套設(shè)備液壓系統(tǒng)不管是手動(dòng)模式還是遙控模式都比較簡(jiǎn)單易操作。
5.巷道綜合支護(hù)裝置穩(wěn)定性如何，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)栽頭、后仰等現(xiàn)象？
本套設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就綜合考慮了穩(wěn)定性和靈活性兼顧的問題，在巷道斷面的4個(gè)拐點(diǎn)分別有單獨(dú)的推移油缸連接，整套設(shè)備整體性強(qiáng)，同時(shí)移動(dòng)靈活?？梢栽谄露冉切∮?5°的巷道內(nèi)正常使用。
6.現(xiàn)在市場(chǎng)上有的掘進(jìn)機(jī)上布置了超前支護(hù)機(jī)構(gòu)和錨桿機(jī)，甚至還有了掘錨一體機(jī)供使用，為什么還要這套巷道綜合支護(hù)裝置？
現(xiàn)在有的掘進(jìn)機(jī)上配備了超前支護(hù)機(jī)構(gòu)和錨桿機(jī)，還有掘錨一體機(jī)也有應(yīng)用，但是不管是什么配置，在支護(hù)作業(yè)時(shí)，必須停止掘進(jìn)作業(yè)，在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，無法進(jìn)行超前支護(hù)及安裝錨桿等操作。而本套綜合支護(hù)就是徹底解決了這個(gè)問題，讓掘進(jìn)作業(yè)和支護(hù)作業(yè)可以平行進(jìn)行，理順了操作作業(yè)流程，提高了生產(chǎn)效率。
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