項目名稱: 綜掘機超前護頂裝置的研制及掘進工藝技術(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研究總院南京研究所

專業(yè)（學科）分類名稱代碼：礦山工程技術(shù)（440）

所屬國民經(jīng)濟行業(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與安全技術(shù)領(lǐng)域，著重目前我國煤礦超前支護不安全以及超前支護速度慢影響快速掘進的難題，實現(xiàn)機械化超前支護。

該項目開發(fā)了綜掘機超前護頂裝置和配套掘進工藝，實現(xiàn)了掘進與超前支護一體化。綜掘機超前護頂裝置主要由滑道、滑臺、主臂和護頂梁四大結(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卸壓系統(tǒng)，完成掘進過程中快速機械化臨時支護。該護頂裝置與掘進機配套掘進工藝的研究主要是研究采用該裝置后與掘進機、錨桿支護等工序的配套掘進工藝，找出合理的掘進工藝和人員配備等，對該裝置使用后，超前支護系統(tǒng)的安全可靠性作出分析。

該項目具有與掘進機合理配套實現(xiàn)掘進與超前支護一體化，能快速綜掘巷道的超前支護等特點，提高了超前支護機械化程度，加快掘進速度。該項目采用了長滑道與雙伸縮主臂結(jié)合，使得護頂粱能進入迎頭空頂區(qū)，真正實現(xiàn)了超前支護。該項目采用與掘進機共享油箱，又有獨立液壓系統(tǒng)，簡化了液壓系統(tǒng)。該護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卸壓功能，具有安全警示作用，既提高錨桿支護作業(yè)的安全性，為高產(chǎn)高效掘進生產(chǎn)提供保障，又能保護設(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)會科學技術(shù)獎三等獎。第一臺設(shè)備一直在蘭花集團伯方煤礦進行井下應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。取得的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在實現(xiàn)了超前支護的機械化和快速超前支護，縮短了綜掘巷道超前支護的時間，加大了超前支護的面積，從而加快掘進速度，減少人員配置，提高了掘進工效，累計給伯方煤礦帶來較好的經(jīng)濟效益。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)超前支護的機械化，減輕了超前支護的勞動強度； 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作業(yè)的安全程度，減少冒頂事故的發(fā)生。

項目詳細內(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)能力和推進速度的提高，采區(qū)范圍日益加大，采準巷道的機械化快速掘進和支護成為礦井高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，掘進機掘進具有連續(xù)掘進、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的需求。目前我國大力推行錨桿支護的綜掘巷道，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，大多配套使用風動單體錨桿鉆機，每個循環(huán)需將它由綜掘機前后拖進拖出，占用輔助時間長，致使掘錨平均月進尺均比較低，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，采用超前支護是必要的。

美、澳、英等許多國家自推行錨桿支護以來，根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)條件，制定錨桿支護形式與支護參數(shù)，并定為法規(guī)。由于國外巷道頂板條件較好，支護形式較為單一，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基本無超前支護的概念。

國內(nèi)煤礦目前普遍使用的超前支護形式是竄管前探梁和支柱加橫梁兩種方式。前一種形式支護面積小，不能滿足一掘兩錨的要求，且支護速度慢，支護效果差，且工人勞動強度大；第二種形式則支護速度慢，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，減少錨桿機拖進拖出的輔助時間，而且其護頂速度快，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機械化，加快掘錨速度，同時提高錨桿支護作業(yè)安全性。

（2）科技內(nèi)容：

該項目的綜掘機超前護頂裝置采用機載式配載方式與掘進機相結(jié)合，即在掘進機機身中上部設(shè)置長滑道，整個裝置依靠滑道在掘進機上前進和后退，掘進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頂粱送入空頂區(qū)，完成超前支護的作業(yè)。

該護頂裝置主要由滑道、滑臺、主臂和護頂梁四大結(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?；_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^由掘進機引出的三組橫梁固定在掘進機的中上部。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)接護頂梁。仰俯油缸用以調(diào)整護頂梁的仰俯角，使護頂梁平行巷道頂板。護頂梁由隨動油缸、延伸油缸、斜撐油缸、上下雙層護板、左右兩側(cè)護板及導(dǎo)向桿等組成。轉(zhuǎn)角油缸擺動，實現(xiàn)護頂梁擺動，延伸油缸用以推動上層護板向前伸長，使護頂長度增加。斜撐油缸用以展開兩側(cè)鉸接的側(cè)護板，使護頂寬度增加。

該項目解決了超前支護的機械化的難題，解決了超前支護與掘進機之間的合理匹配，實現(xiàn)了超前支護與掘進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。該項目的護頂裝置采用護頂粱重疊和側(cè)板鉸接結(jié)構(gòu)，解決了護頂粱收攏要求小、展開要求面積大的問題，實現(xiàn)了一掘多錨。該護頂裝置采用了報警裝置和保護卸壓系統(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)成果達到國際先進水平。該項目技術(shù)成果已經(jīng)成功地在蘭花集團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)有限公司進行推廣應(yīng)用，核心設(shè)備綜掘機超前護頂裝置已經(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)給煤礦的錨桿支護帶來很多好處，但是使用該技術(shù)后，綜掘巷道掘進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重失調(diào)。超前支護雖然是整個掘進過程中一道工序，但是落后的超前支護技術(shù)同樣制約著掘進速度的提高。通過該項目技術(shù)成果的推廣應(yīng)用，提高超前支護的機械化程度，實現(xiàn)一掘多錨，從而提高掘進速度，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提供安全保障，而且使我國煤礦綜掘巷道的掘進速度得到提高，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技術(shù)的進一步發(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，巷道掘進設(shè)備為配套頂板錨桿機的連采機和掘進機，支護形式較為單一，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基本無臨時支護的概念。采用以上掘錨設(shè)備和支護工藝，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頂板來保護司機。

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，護頂力大；護頂板能夠進入空頂迎頭直接護頂；護頂粱對巷道頂板的適應(yīng)性好；采用安全保護系統(tǒng)，更加安全可靠。

與當前國內(nèi)普遍使用的幾種超前支護方式對比表

項目         名稱	綜掘機護頂裝置	連桿式護頂裝置	竄管前探支護
安裝停放位置	在機身上安裝，生根有力，設(shè)備穩(wěn)定可靠；停放在掘進機的機身正上方，不影響掘進機司機視線	安裝在掘進機的回轉(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)錨桿支護頂板的錨桿上。
選位功能	可以任意選位，對掘進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	要求掘進停放在正中間，依靠掘進機來選位，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	主動護頂2噸，被動護頂4噸	護頂力0.5-1噸	幾乎沒有主動支護力，只能被動受力。因前探懸臂，受力很小
護頂位置	可以將掘進機退出空頂區(qū)，護頂梁送入空頂區(qū)，方便錨桿施工	掘進機不可退出空頂區(qū)，護頂板只能伸到截割頭上方，有礙錨桿施工	可以將掘進機退出空頂區(qū)，探粱竄入空頂區(qū)
頂板適應(yīng)性	柔性護頂梁可以適應(yīng)多種巷道頂板，適應(yīng)好	整體性護頂梁巷道頂板適應(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機動力系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠	利用掘進機動力系統(tǒng)	沒有動力，人工作業(yè)
安全保護	可配置報警裝置以及液壓卸壓保護系統(tǒng)、安全可靠	沒有保護措施	沒有保護措施

（4）應(yīng)用情況：

本技術(shù)在蘭花公司伯方煤礦進行了工業(yè)性試驗，實現(xiàn)了一掘兩錨，提高了掘進效率，日進尺達16米，較原先的掘進速度日進尺多5米，全年可增加掘進進尺1600余米。同時采用該裝置進行護頂，能提高超前支護速度，及時支護空頂區(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，采用該裝置進行超前支護為主動支護與被動支護相結(jié)合，當受力超過限載時，該裝置進行報警，提醒工人注意，保護工人安全。運行以來已安全掘進4620米。

目前該技術(shù)成果已經(jīng)在蘭花集團所屬大陽煤礦、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、晉城煤業(yè)集團、兗礦集團等簽訂合作意向。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)濟效益：

各欄目的計算依據(jù)：

“綜掘機超前護頂裝置的研制及掘進工藝技術(shù)研究”在蘭花公司伯方煤礦試驗成功后，大大提高了掘進效率，年增加掘進進尺1600米，增加掘進出煤量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，增加掘進進尺540米，增加掘進出煤量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1850米，增加掘進進尺600余米，增加掘進煤量9400噸，噸煤利潤195元，新增利潤184萬元。

（6）社會效益：

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

b采用該裝置進行超前護頂時，當受力超過4噸，該裝置首先進行報警，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設(shè)備的安全。

c采用超前護頂裝置的掘進工藝要比竄管方式的掘進工藝月進尺快140米?？梢蕴岣呔蜻M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)了護頂裝置的快速移動和有效護頂。

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

3) 護頂裝置的超限聲光報警裝置和保護卸壓系統(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)會科學技術(shù)獎” 三等獎。

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