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1、 中国矿业大学2005届本科生毕业设计 第 93 页 1 绪论悬臂式掘进机作业线主要由主机与后配套设备组成。主机把岩石切割破落下来，转运机构把破碎的岩渣转运至机器尾部卸下，由后配套转载机、运输机或梭车运走。悬臂式掘进机的切割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状的巷道断面，切割出的表面精确、平整，便于支护。履带式行走机构使机器调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性强。悬臂式巷道掘进机具有掘进速度快,巷道成形好,便于与其它设备配套组成综掘作业线以及成本较为合理等优点, 因而应用广泛。近年来掘进机不仅广泛用于煤及软岩道的掘进,在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也获得良好的技术经济效果。国外的某
2、些重型掘进机已能切割抗压强度达170MPa 的硬岩。据统计,目前国外各主要产煤国采用掘进机掘进的巷道占采准巷道的40%以上。而我国综掘比率为8%左右,与国外先进水平相比尚存在很大差距, 与我国煤炭生产的需要, 特别是现代化高产高效矿井建设的需要也是极不相适应的, 因此, 我国掘进机的研制开发以及推广应用, 还需作大量工作。1.1国外掘进设备及综掘技术发展现状-1.1.1切割能力稳定提高掘进机经历了切割软煤、硬煤及半煤岩的过程。近期一些重型掘进机已能切割硬岩。目前国外矿山应用的各种型号的悬臂式掘进机约4 000余台。一般来说，这类悬臂式掘进机的重量为20160t，最大切割功率已达408kW，切割
3、岩石的抗压强度最高可达170MPa。据报道, 日本成功地使用TM 60K 型掘进机掘进全岩巷引水隧道, 岩石硬度高达170200M Pa。目前最大的WAV 408 型掘进机重达160 t, 切割功率可达408 kW , 定位切割断面可达87.5。1.1.2 机器的可靠性高先进的制造技术为基础, 从原材料质量到零部件的加工精度都能严格控制, 又有优越的国际协作条件, 选购外购外协件的范围宽广, 有效地保证了主机的质量水平。此外, 近年来广泛地采用了可靠性技术, 其突出表现为简化机械结构、采用降额设计。在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统, 有的地方以嵌装式结构代替螺栓组结构。既简化
4、了结构, 又大大提高了可靠性1.1.3采用机电一体化技术国外新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统, 从而可早期发现故障, 快速排出故障, 大大减少停机时间。有些重型掘进机还可配置自动控制系统, 可以使机器的生产率提高30% 左右, 还可以保证切割机构的负载平稳,避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷,从而延长机器的使用寿命约20%。1.1.4发展采掘锚机组采掘锚机组, 实现了掘进与支护平行作业, 为快速掘进巷道开辟了新的途径。主要形式有两种: 一种为连续采煤机与液压锚杆钻机相结合; 另一种为在悬臂式掘进机上加装液压锚杆钻机。前者因为切割效率高,在快速掘进方面更为优越。1.1.5配套设备多
5、样化支护、运输和除尘所需的配套设备是保证综掘效益的必备条件。国外综掘效率高的煤矿多采用机载锚杆支护或配套专用的锚杆钻车,与掘进机交替工作,架棚则采用托梁装置或架棚机, 后配套运输采用桥式、悬臂式转载机及胶带输送机、梭车等,辅助材料的运输则有单轨吊、卡轨车等,除尘主要靠大抽出量的除尘风机,辅以内外喷雾除尘装置、风帘等,可有效地降低工作面粉尘含量。1.1.6 新技术、新结构、新机型的应用以往的全断面掘进机对掘进弯曲巷道的适应性差，现在通过完善方向控制系统，机组已能实现弯道掘进。如瑞士日内瓦一地下工程，主体是直径为8.4m的环形巷道。巷道掘进断面直径为4.5m,成巷直径为3.8m。设计规定，整个巷道
6、任一处断面中心的偏离度，理论值不得大于80mm。采用英国ZED控制系统，掘出的巷道断面中心实际偏离度仅30mm，巷道掘进速度平均达到22.328.2m/d。 阿特拉斯科普科贾瓦MK12型掘进机，当装上一台推力自动控制系统后，可在很短的时间内控制和调整推力，使掘进机的扭矩实现最佳匹配，从而可保证最高掘进效率，并防止电动机超负荷运转。 德国培森掘进技术研究所采取将高压水喷嘴装到德马克6.5m直径的掘进机的中心刀和边刀位置上，不仅使推力节省了10%，而且还减少了刀具数量。法国布依格公研制出了在掘进机头部安装有34个铰接摇臂的新型全断面掘进机。其机头部的所有铰接摇臂端部都装有一把滚刀，掘进时利用这些滚
7、刀来破岩，推力可大为减少。因主机重量轻、长度短，所以允许掘转弯半径小，拆装运输方便。这种掘进机能掘进硬度202 000kg/cm的岩石，在地质条件复杂、恶劣的情况下也能顺利掘进。平均月进尺可达200m，最高进尺达到500m。采用这种掘进机，已掘进地下岩石巷道(隧道)30km1.1.7 遥控和自动化目前，掘进综合机械化已是成熟的技术。微处理器、计算机和专家系统的应用，以及岩层控制理论和技术的完善，进一步提高了作业安全性和生产效率。英、德、美等国在井下作业的遥控和自动化方面进行了大量的研究工作，最终目标是实现不经常有人的自动化采掘工作面。目前，将井下传感器测得的数据传输到地面计算机网络的多功能井下
8、环境监测系统，已推广应用。掘进机、胶带输送机等单台设备的遥控和自动化技术日趋成熟。整个掘进工作面的遥控和自动化已取得明显进展，英国开发的天然放射性煤岩分界传感器已对外出售300多个，自动化掘进工作面的问世已经为期不远。在设备工况和健康监测的基础上，已开发出以微处理和微机为基础的矿井全过程监控系统。英国的MINOS系统已成功地用于许多矿井。1.2 我国掘进机发展概况及存在的问题1.2.1发展概况我国于1962 年开始掘进机的研制工作,最初是仿苏联产品, 机身轻、功率小、性能差, 未广泛应用。八十年代与国外公司合作制造了AM-50 及S100 型掘进机, 这两种机型现已成为国内市场主导产品。同时,
9、 国产掘进机研制步伐也在加快, 先后研制出EL-90、ELMB-55、EBJ-65/48 等机型。其中ELMB-55 得到较大规模的应用。上述产品主要适用于煤巷掘进, 对于硬煤及半煤岩巷道适应性差, 机器振动过大, 故障率高。进入九十年代后, 发展重点转向半煤岩巷道掘进机。先后研制了EBJ-132、EBH-132、EBJ -160 等机型, 机重为36 50 t, 切割功率达160 kW。同时, 机重20 t 的煤巷掘进机也在改进提高, 由ELM 系列发展创新的ELMB-75B 型掘进机在技术指标与经济合理性方面结合得较好, 近几年来销售势头看好。图1-1. 煤科总院太原分院研发的EBJ-12
10、0TP型掘进机1.2.2国产掘进机存在的主要问题(1) 产品设计水平偏低目前国内应用最多的几种机型中AM -50 和S100 是国外七十年代研制的产品, 除切割硬度偏低之外, 内喷雾系统及防碰撞装置实际上不起作用, 许多电气保护工作不可靠, 普遍存在用户甩保护现象, 电控系统抗振性差。国内自行研制的机型如EL -90、ELM 系列等结构比较杂乱, 体积庞大, 总体设计造形很差。新近研制的EBJ -132、EBH -132、EBJ-160 、EBJ-120等较多地吸收了国外八十年代产品的技术, 总体设计水平有很大提高, 主要表现为结构紧凑、造形简洁、重心降低, 选用外购元件性能及质量有较大幅度提
11、高, 安全保护更为完善, 代表了我国掘进机最新技术水平。但与国外新型掘进机相比, 仍存在约10 a 的差距。(2) 技术引进缺少创新我国引进技术生产的机型生产多年改进不大, 尤其是不能结合我国制造、使用水平进行改进, 逐渐暴露出许多缺点。(3) 制造质量较差国产掘进机在使用中普遍存在联接螺栓易松动或断裂、液压系统泄漏严重、机电保护装置易失灵以及溜槽、齿座等耐磨性差的现象。特别是引进技术生产的掘进机, 因部分元部件质量较差影响整机性能, 有些液压电气元件寿命比国外进口件差很多, 形成强烈对比。(4) 配套设备不足配套设备不足主要表现在支护、转载、辅助材料运输及通风除尘等方面。如支护方面尚无适用的
12、架棚机, 运输方面缺少转载机, 通风除尘缺少风机等。1.3 我国掘进机的发展方向1.3.1煤巷掘进仍然是主力军我国统配煤矿采准巷道绝大部分为煤巷, 巷道断面多在712范围内。国内外经验表明: 用于此范围的煤巷掘进机以重量2025 t、切割功率55 75 kW 为最适宜, 这样的机型能达到必要的切割硬度和生产效率, 而且体积小、轻便灵活、成本低, 最易于大面积推广。另一类功能较强的煤巷掘进机应以重30 余t、切割功率100 kW 左右为宜。这类机型可具有较强的切割硬煤及夹矸能力, 机器的功能成本比适中, 是百万吨以上的大型和特大型矿井的主力机型。但这两类机型远未达到完善程度, 应针对不同工况进一
13、步研制多种机型, 以提高综掘应用率。另外, 考虑到我国煤矿经济效益差, 职工文化技术水平较低的状况, 在今后相当长的时期内难有根本性改变, 设计此类机型不宜追求过多的功能及复杂完备的监测、保护, 而应突出价格低廉、结构简单牢固、易于操作及维护的特点1.3.2半煤岩巷道掘进机应推广提高随着开采深度的加大及薄煤层开采的需要, 切割煤岩的硬度及半煤岩巷道的掘进量将会相应增长。我国现已研制出了EBJ -132、EBH-132、EBJ -160 、EBJ-120等几种掘进机, 其中EBH-132、EBJ -160 已经试验证明能图1-2. 煤科总院太原分院研发的EBZ-H132型掘进机够胜任半煤岩巷道掘
14、进。但这些样机尚存在一些薄弱环节, 某些元部件与整机性能不够协调, 应抓紧时间改进完善, 以期尽快形成批量。预计今后几年半煤岩巷道掘进机产量将稳步增长。按煤矿需求及经济承担能力估计, 达到总产量的10% 是必要的和可能的。1.3.3机器的重型化有必要进一步发展根据国外使用情况看, 半煤岩巷道掘进机适用机型重量约45 90 t。切割岩石抗压强度以不大于80 MPa 为宜。用于80 100 MPa 的岩石, 机器重量及切割功率还需增大, 才能获得较高的技术经济效果。EBJ-160在切割局部硬岩时, 出现强烈的振动, 表明50 t 的重量还不是足够的。经常处于此工况,机器寿命必将大大缩短。如果说国外
15、的LH1300 重50 t 是适当的话, 考虑到我国在原材料与制造精度等方面与先进国家比尚存在一定差距, 则以60 70 t 重的机型相似工况, 可以使机器振动减轻, 机器零件寿命延长, 总体上经济效果必然会更好。1.3.4采掘锚机组和连续采煤机采掘锚机组解决了切割与支护平行作业的难题, 极大地提高了掘进速度, 国外现已进入推广应用阶段。锚杆支护适合于中等稳定的煤层顶板, 而我国中等稳定的煤层顶板占50% 以上。因此, 采掘锚机组在我国具有广阔前景, 特别是对于现代化高产高效矿井,这是一种理想的快速掘进设备。1.3.5发展多品种综掘配套设备当前配套设备品种、规格少, 性能及质量水平不高仍是造成
16、综掘效益不高、适应范围不广的重要原因。建议有关设计及制造单位对配套设备给予足够重视, 花大力气研制出一批先进、实用的配套设备。下列设备与工艺可作为近期研究重点:(1) 可沿顶梁导轨移动或放置在掘进机上的轻便、简易的架棚机。(2) 吊挂式、龙门式胶带转载机, 这两种设备可解决后配矿车的转载运输问题, 有利于掘进机向大型基建矿井及不具备连续运输设备的矿井和隧道工程推广。(3) 逐步推广单轨吊, 其前提条件是采用金属棚及扩大巷道断面, 这是提高综合机械化水平的方向。(4) 体积小、移动方便的除尘器。(5) 研究综合防尘措施, 采用加强通风、外喷雾或局部防护的方法减少煤尘的危害。(6) 提高电压等级, 解决长距离供电问题。
