項目名稱: 綜掘機超前護(hù)頂裝置的研制及掘進(jìn)工藝技術(shù)研究

申報單位: 山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司

主要完成人：賀貴元、徐鎖庚、郝躍洲、胡林、呂吉峰

魏兆祥

主要完成單位：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司煤炭科學(xué)研究總院南京研究所

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：礦山工程技術(shù)（440）

所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：B類型

任務(wù)來源：自選

項目起止時間：2006 年7月-2007 年10月

項目簡介：該項目屬于煤礦快速掘進(jìn)與安全技術(shù)領(lǐng)域，著重目前我國煤礦超前支護(hù)不安全以及超前支護(hù)速度慢影響快速掘進(jìn)的難題，實現(xiàn)機械化超前支護(hù)。

該項目開發(fā)了綜掘機超前護(hù)頂裝置和配套掘進(jìn)工藝，實現(xiàn)了掘進(jìn)與超前支護(hù)一體化。綜掘機超前護(hù)頂裝置主要由滑道、滑臺、主臂和護(hù)頂梁四大結(jié)構(gòu)部件及液壓系統(tǒng)、外配套電氣設(shè)備等組成，采用全液壓傳動，配有超限聲光報警裝置和保護(hù)卸壓系統(tǒng)，完成掘進(jìn)過程中快速機械化臨時支護(hù)。該護(hù)頂裝置與掘進(jìn)機配套掘進(jìn)工藝的研究主要是研究采用該裝置后與掘進(jìn)機、錨桿支護(hù)等工序的配套掘進(jìn)工藝，找出合理的掘進(jìn)工藝和人員配備等，對該裝置使用后，超前支護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性作出分析。

該項目具有與掘進(jìn)機合理配套實現(xiàn)掘進(jìn)與超前支護(hù)一體化，能快速綜掘巷道的超前支護(hù)等特點，提高了超前支護(hù)機械化程度，加快掘進(jìn)速度。該項目采用了長滑道與雙伸縮主臂結(jié)合，使得護(hù)頂粱能進(jìn)入迎頭空頂區(qū)，真正實現(xiàn)了超前支護(hù)。該項目采用與掘進(jìn)機共享油箱，又有獨立液壓系統(tǒng)，簡化了液壓系統(tǒng)。該護(hù)頂裝置不僅能被動承受壓力，而且能夠主動支撐頂板，防止巷道頂板變形或下沉，有助于控制頂板。該項目具有超壓報警和保護(hù)卸壓功能，具有安全警示作用，既提高錨桿支護(hù)作業(yè)的安全性，為高產(chǎn)高效掘進(jìn)生產(chǎn)提供保障，又能保護(hù)設(shè)備，以免因過載損壞設(shè)備。

該成果獲2008年度中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎三等獎。第一臺設(shè)備一直在蘭花集團(tuán)伯方煤礦進(jìn)行井下應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。取得的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在實現(xiàn)了超前支護(hù)的機械化和快速超前支護(hù)，縮短了綜掘巷道超前支護(hù)的時間，加大了超前支護(hù)的面積，從而加快掘進(jìn)速度，減少人員配置，提高了掘進(jìn)工效，累計給伯方煤礦帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時該項目還產(chǎn)生了巨大的社會效益。該項目的實施實現(xiàn)超前支護(hù)的機械化，減輕了超前支護(hù)的勞動強度； 實現(xiàn)一掘多錨，減少錨桿支作業(yè)的勞動強度。該項目的實施錨桿支護(hù)作業(yè)的安全程度，減少冒頂事故的發(fā)生。

項目詳細(xì)內(nèi)容：

1、立項背景、科技內(nèi)容、特點及應(yīng)用推廣情況：

（1）立項背景：

該項目的提出來源于煤礦生產(chǎn)的迫切需要。隨著綜采工作面生產(chǎn)能力和推進(jìn)速度的提高，采區(qū)范圍日益加大，采準(zhǔn)巷道的機械化快速掘進(jìn)和支護(hù)成為礦井高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，掘進(jìn)機掘進(jìn)具有連續(xù)掘進(jìn)、工序少、效率高、速度快、施工安全、勞動條件好、對巷道圍巖不產(chǎn)生振動破壞等特點，尤其是綜采工作面的順槽斷面大，只有配套綜掘才能滿足快速掘進(jìn)的需求。目前我國大力推行錨桿支護(hù)的綜掘巷道，由于圍巖多為中等穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀況，頂板較破碎，支護(hù)形式多種復(fù)合，有錨桿、梁、網(wǎng)、錨索甚至還要加金屬棚。因巷道斷面小，大多配套使用風(fēng)動單體錨桿鉆機，每個循環(huán)需將它由綜掘機前后拖進(jìn)拖出，占用輔助時間長，致使掘錨平均月進(jìn)尺均比較低，產(chǎn)生采掘失調(diào)、接續(xù)緊張的被動局面。由于掘錨速度慢，為避免空頂時間長引起頂板發(fā)生沉降離層和變形，采用超前支護(hù)是必要的。

美、澳、英等許多國家自推行錨桿支護(hù)以來，根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)條件，制定錨桿支護(hù)形式與支護(hù)參數(shù)，并定為法規(guī)。由于國外巷道頂板條件較好，支護(hù)形式較為單一，實施高強度、高預(yù)拉力錨桿全長錨固，錨桿間排距較大。綜掘機械化程度高，掘錨綜合速度快，實行一次性永久支護(hù)基本無超前支護(hù)的概念。

國內(nèi)煤礦目前普遍使用的超前支護(hù)形式是竄管前探梁和支柱加橫梁兩種方式。前一種形式支護(hù)面積小，不能滿足一掘兩錨的要求，且支護(hù)速度慢，支護(hù)效果差，且工人勞動強度大；第二種形式則支護(hù)速度慢，導(dǎo)致空頂時間長，頂板易發(fā)生沉降和變形，而且工人勞動強度大。

該項目主要使綜掘巷道超前支護(hù)機械化，提高綜掘巷道掘錨速度，減輕工人勞動強度。在頂板條件允許下，該裝置可實現(xiàn)一掘兩錨，減少錨桿機拖進(jìn)拖出的輔助時間，而且其護(hù)頂速度快，從而加快掘錨速度。同時該裝置機械化程度高，減輕勞動強度。因此該項目將提高綜掘巷道超前支護(hù)機械化，加快掘錨速度，同時提高錨桿支護(hù)作業(yè)安全性。

（2）科技內(nèi)容：

該項目的綜掘機超前護(hù)頂裝置采用機載式配載方式與掘進(jìn)機相結(jié)合，即在掘進(jìn)機機身中上部設(shè)置長滑道，整個裝置依靠滑道在掘進(jìn)機上前進(jìn)和后退，掘進(jìn)機僅提供載其行走功能。該裝置采用長滑道和雙伸縮主臂將護(hù)頂粱送入空頂區(qū)，完成超前支護(hù)的作業(yè)。

該護(hù)頂裝置主要由滑道、滑臺、主臂和護(hù)頂梁四大結(jié)構(gòu)部件及液壓系統(tǒng)、外配套電氣設(shè)備等組成，采用全液壓傳動。

滑臺上配置操作臺、回轉(zhuǎn)體、支臂油缸、擺動臂油缸、引導(dǎo)油缸等，與主臂為鉸軸聯(lián)接。滑臺下配置滑道油缸-鏈條增倍機構(gòu)，可使滑臺在滑道上前后移動?；啦捎秒p槽框式結(jié)構(gòu)，槽形內(nèi)置，用作兩組滾輪的滾道?；劳ㄟ^由掘進(jìn)機引出的三組橫梁固定在掘進(jìn)機的中上部。主臂采用雙層套筒式伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)置變幅油缸，可使主臂伸縮變幅。主臂后端與滑臺上回轉(zhuǎn)體鉸軸聯(lián)接，并受支臂油缸的支撐，可實現(xiàn)上下運動?；剞D(zhuǎn)體在擺臂油缸的作用，可使主臂左右擺動。主臂前端安裝仰俯油缸并鉸軸聯(lián)接護(hù)頂梁。仰俯油缸用以調(diào)整護(hù)頂梁的仰俯角，使護(hù)頂梁平行巷道頂板。護(hù)頂梁由隨動油缸、延伸油缸、斜撐油缸、上下雙層護(hù)板、左右兩側(cè)護(hù)板及導(dǎo)向桿等組成。轉(zhuǎn)角油缸擺動，實現(xiàn)護(hù)頂梁擺動，延伸油缸用以推動上層護(hù)板向前伸長，使護(hù)頂長度增加。斜撐油缸用以展開兩側(cè)鉸接的側(cè)護(hù)板，使護(hù)頂寬度增加。

該項目解決了超前支護(hù)的機械化的難題，解決了超前支護(hù)與掘進(jìn)機之間的合理匹配，實現(xiàn)了超前支護(hù)與掘進(jìn)之間獨立工作而互不干涉。該裝置采用長滑道和雙伸縮主臂結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了將護(hù)頂粱及時快速送入迎頭空頂區(qū)，實現(xiàn)快速及時超前支護(hù)。該項目的護(hù)頂裝置采用護(hù)頂粱重疊和側(cè)板鉸接結(jié)構(gòu)，解決了護(hù)頂粱收攏要求小、展開要求面積大的問題，實現(xiàn)了一掘多錨。該護(hù)頂裝置采用了報警裝置和保護(hù)卸壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了安全設(shè)備的高可靠性，同時保障設(shè)備本身的安全。

該項目技術(shù)成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。該項目技術(shù)成果已經(jīng)成功地在蘭花集團(tuán)公司所屬煤礦大陽煤礦、唐安煤礦得到應(yīng)用，并且已經(jīng)與王坡煤業(yè)有限公司進(jìn)行推廣應(yīng)用，核心設(shè)備綜掘機超前護(hù)頂裝置已經(jīng)在制造之中，另外，就該項目技術(shù)成果推廣應(yīng)用已經(jīng)與中美合資的晉城大寧煤礦、晉城煤業(yè)的長平公司以及大同煤業(yè)集團(tuán)等單位簽訂了意向合同。相信該技術(shù)成果將得到廣泛的應(yīng)用。

目前，隨著我國煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展，采煤速度越來越快，采煤幾乎攆著掘進(jìn)走。雖然綜掘機在我國得到較好發(fā)展與應(yīng)用，隨著我國錨桿技術(shù)的推廣應(yīng)用，該技術(shù)給煤礦的錨桿支護(hù)帶來很多好處，但是使用該技術(shù)后，綜掘巷道掘進(jìn)速度一直沒有得到提高。綜掘速度成為實現(xiàn)高產(chǎn)高效的瓶頸，綜掘速度慢已經(jīng)造成了煤礦采掘比嚴(yán)重失調(diào)。超前支護(hù)雖然是整個掘進(jìn)過程中一道工序，但是落后的超前支護(hù)技術(shù)同樣制約著掘進(jìn)速度的提高。通過該項目技術(shù)成果的推廣應(yīng)用，提高超前支護(hù)的機械化程度，實現(xiàn)一掘多錨，從而提高掘進(jìn)速度，緩解采掘比失調(diào)的矛盾。同時該項目又能為錨桿支護(hù)作業(yè)提供安全保障，減輕勞動強度。該項目技術(shù)成果不僅為綜掘巷道掘進(jìn)提供安全保障，而且使我國煤礦綜掘巷道的掘進(jìn)速度得到提高，為加快綜掘速度開辟一條新技術(shù)途徑。通過該項目技術(shù)成果的推廣應(yīng)用將推進(jìn)我國綜掘巷道的技術(shù)與裝備的發(fā)展，提高我國綜掘巷道機械化水平，推動我國綜掘巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，從而我國煤礦建設(shè)高產(chǎn)高效的礦井提供有力保障。

（3）成果特點

國外產(chǎn)煤大國現(xiàn)開采煤層賦存條件決定巷道頂板條件好，巷道斷面大，巷道掘進(jìn)設(shè)備為配套頂板錨桿機的連采機和掘進(jìn)機，支護(hù)形式較為單一，采用大跨距高強度、高預(yù)拉力錨桿全長錨固。實行一次性永久支護(hù)基本無臨時支護(hù)的概念。采用以上掘錨設(shè)備和支護(hù)工藝，因頂板條件好，不易發(fā)生較大的頂板沉降和變形，則僅在司機的頭頂位置加上可靠的護(hù)頂板來保護(hù)司機。

該項目技術(shù)成果在安裝選位上更加可靠合理；在支撐力上能主動支撐頂板，又能被動支撐頂板，護(hù)頂力大；護(hù)頂板能夠進(jìn)入空頂迎頭直接護(hù)頂；護(hù)頂粱對巷道頂板的適應(yīng)性好；采用安全保護(hù)系統(tǒng)，更加安全可靠。

與當(dāng)前國內(nèi)普遍使用的幾種超前支護(hù)方式對比表

項目         名稱	綜掘機護(hù)頂裝置	連桿式護(hù)頂裝置	竄管前探支護(hù)
安裝停放位置	在機身上安裝，生根有力，設(shè)備穩(wěn)定可靠；停放在掘進(jìn)機的機身正上方，不影響掘進(jìn)機司機視線	安裝在掘進(jìn)機的回轉(zhuǎn)盤處機身上或截割臂上，停放在回轉(zhuǎn)盤上方，影響司機視線	安裝在頂板已經(jīng)錨桿支護(hù)頂板的錨桿上。
選位功能	可以任意選位，對掘進(jìn)機停放位置沒有特殊的要求，靈活選位，確保錨桿施工質(zhì)量	要求掘進(jìn)停放在正中間，依靠掘進(jìn)機來選位，選位速度慢，不能保證錨桿施工質(zhì)量。	沒有選位功能，固定護(hù)頂位置，只能根據(jù)錨桿布置方式的位置而定
支撐力	主動護(hù)頂2噸，被動護(hù)頂4噸	護(hù)頂力0.5-1噸	幾乎沒有主動支護(hù)力，只能被動受力。因前探懸臂，受力很小
護(hù)頂位置	可以將掘進(jìn)機退出空頂區(qū)，護(hù)頂梁送入空頂區(qū)，方便錨桿施工	掘進(jìn)機不可退出空頂區(qū)，護(hù)頂板只能伸到截割頭上方，有礙錨桿施工	可以將掘進(jìn)機退出空頂區(qū)，探粱竄入空頂區(qū)
頂板適應(yīng)性	柔性護(hù)頂梁可以適應(yīng)多種巷道頂板，適應(yīng)好	整體性護(hù)頂梁巷道頂板適應(yīng)性差	適應(yīng)頂板差，依靠楔塊來撐緊。
機構(gòu)設(shè)置	主臂、護(hù)頂梁和油缸等組成可靠的支撐系統(tǒng)	簡單四聯(lián)桿機構(gòu)	沒有機構(gòu)，人工手動
動力配置	可自帶動力也可利用掘進(jìn)機動力系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠	利用掘進(jìn)機動力系統(tǒng)	沒有動力，人工作業(yè)
安全保護(hù)	可配置報警裝置以及液壓卸壓保護(hù)系統(tǒng)、安全可靠	沒有保護(hù)措施	沒有保護(hù)措施

（4）應(yīng)用情況：

本技術(shù)在蘭花公司伯方煤礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗，實現(xiàn)了一掘兩錨，提高了掘進(jìn)效率，日進(jìn)尺達(dá)16米，較原先的掘進(jìn)速度日進(jìn)尺多5米，全年可增加掘進(jìn)進(jìn)尺1600余米。同時采用該裝置進(jìn)行護(hù)頂，能提高超前支護(hù)速度，及時支護(hù)空頂區(qū)，減少頂板冒頂?shù)膸茁?，從而減少大面積冒頂事故的發(fā)生。另外，采用該裝置進(jìn)行超前支護(hù)為主動支護(hù)與被動支護(hù)相結(jié)合，當(dāng)受力超過限載時，該裝置進(jìn)行報警，提醒工人注意，保護(hù)工人安全。運行以來已安全掘進(jìn)4620米。

目前該技術(shù)成果已經(jīng)在蘭花集團(tuán)所屬大陽煤礦、唐安煤礦得到應(yīng)用。同時已經(jīng)推廣到山西晉城王坡煤業(yè)有限公司，設(shè)備正在制造之中，預(yù)計今年6月投入使用。另外該項目技術(shù)成果還和山西大同煤業(yè)集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)、兗礦集團(tuán)等簽訂合作意向。隨著推廣力度的加大，該技術(shù)成果將會有廣泛的應(yīng)用前景。

（5）經(jīng)濟(jì)效益：

各欄目的計算依據(jù)：

“綜掘機超前護(hù)頂裝置的研制及掘進(jìn)工藝技術(shù)研究”在蘭花公司伯方煤礦試驗成功后，大大提高了掘進(jìn)效率，年增加掘進(jìn)進(jìn)尺1600米，增加掘進(jìn)出煤量2.88萬噸，噸煤利潤178元，新增利潤513萬元，新增稅收169萬元；大陽礦應(yīng)用六個月，增加掘進(jìn)進(jìn)尺540米，增加掘進(jìn)出煤量8400噸，噸煤利潤211元，新增利潤178萬元；唐安煤礦應(yīng)用五個月已安全掘進(jìn)1850米，增加掘進(jìn)進(jìn)尺600余米，增加掘進(jìn)煤量9400噸，噸煤利潤195元，新增利潤184萬元。

（6）社會效益：

a采用綜掘機超前護(hù)頂裝置進(jìn)行護(hù)頂，能提高超前支護(hù)速度，及時支護(hù)空頂區(qū)，減少冒頂事故的發(fā)生。

b采用該裝置進(jìn)行超前護(hù)頂時，當(dāng)受力超過4噸，該裝置首先進(jìn)行報警，同時會自動低頭讓位。最大程度避免迎頭人身安全事故及保護(hù)設(shè)備的安全。

c采用超前護(hù)頂裝置的掘進(jìn)工藝要比竄管方式的掘進(jìn)工藝月進(jìn)尺快140米?？梢蕴岣呔蜻M(jìn)綜合速度，有效緩解目前我國煤礦普遍存在的采掘比失調(diào)的矛盾，可滿足建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的需要。

2、發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：

該技術(shù)成果主要有以下創(chuàng)新點：

1) 開發(fā)的長滑道與雙伸縮主臂相結(jié)合的機構(gòu)，實現(xiàn)了護(hù)頂裝置的快速移動和有效護(hù)頂。

2) 護(hù)頂裝置與掘進(jìn)機采用共用油箱，簡化了液壓系統(tǒng)； 護(hù)頂裝置的滑移機構(gòu)采用油缸-鏈條增倍機構(gòu)，縮短了裝置長度，保證了掘進(jìn)機后部出煤不卡阻。

3) 護(hù)頂裝置的超限聲光報警裝置和保護(hù)卸壓系統(tǒng)，具有安全警示、防止設(shè)備過載損壞的功能。

本項目曾獲科技獎勵情況：2008年榮獲“中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎” 三等獎。

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