基于遥控型掘锚机的煤巷快速掘进技术研究与应用

基于遥控型掘锚机的煤巷快速掘进技术研究与应用摘要：EBZ20QM-2A型掘锚机应用于煤矿巷道快速掘进，通过远程智能控制系统实现精确定位用掘进机搭载高精度陀螺仪、加速度计，配合多传感器网络技术，完成车身姿态信息实时获取掘进机系统实现2500m范围内远程操控，车身姿态精度达0.1°,断面成型误差控制在15m内用远程智能控制系统消除了传统掘进作业中安全隐患，提升掘进效率随着采矿工艺发展和井下开采机械化程度提高快速掘进工艺逐渐应用在巷道掘进中用部分矿企在该技术应用中缺乏对围岩控制工作的关注容易出现支护和快速掘进的协调配合问题开无法保证掘进效率和安全因此有必要基于快速掘进工艺进行围岩控制技术研究开体现快速掘进工艺价值用EBZ200M-2A遥控型掘锚机主要由掘进机主体、机载锚杆钻机、临时支护装置、除尘系统构成#掘进机主体采用纵轴式截割头形式配备200110KW截割电度65MPa#机身配置双边链刮板输送机开运输能力达4m³/min履带式行走装置确保爬坡能力达±16用机载锚杆钻机配备两台钻臂开支持顶帮锚施工锚杆机转速500r/min钻进力16kN锚护范围高度3.2～5.2m宽度支撑力超过30kN支护高度4.5m以上支护顶架采用回转油缸控制(1用除尘系统布置于自移机尾后方负压风筒延伸至掘进工作面开循环水系统经三级过滤处理净化水后循环使用用远程智能控制系统内置高精度陀螺仪、加速度计获取掘进机车身姿态信息结合传感器网络计算截割头位姿参数用系统配备1080P高清摄像装置利用红外补光技术保障低照度环境作业水平角度0～360垂直角度0～90°实现2500m范围内远程操控用惯性导航系统由高精度陀螺仪、加速度计组成采用模块化设计原理实现掘进机车身姿态信息自主获取用系统工作电压为DC24V开数据接口采用CAN2.OB标准连续工作时间超过24h#导航系统具备极强抗干扰能力开准备时间短开反应速度快用系统各项精度指标达到设计要求：航向角精度0.15°翻滚角精度0.1°俯仰角精度0.1°升降角精度0.1°回转角精度0.1°用导航模块工作温度范围0～45℃开存储温度范围-10℃~55℃相对湿度25%~95%系统集成多种传感器包括磁致位移传感器测量油缸位移、液位传感器监测油箱液位、压力传感器测量液压油缸压力、温度传感器监测油箱温度²1用通过传感器网络获取多维数据开经精确计算模型处理实现对截割头位姿参数精确计算用导航系统内置多重保护机制开设备出现异常时自动停机确保设备安全运行用远程监控系统包含视频监控分站、摄像仪、监控主站三大部分摄像仪工作电压DC12V工作电流900mA防护等级IP65日采用200万像素图像分辨率1080P用系统通过光纤通信以太环网实现数据高速传输开传输速度10100Mbps自适应用视频监控分站工作电压AC127V开工作电流500mA#监控主站采用AC220127V供电方式配备CAN接口、RJ45接口、RJ45POE接口监控设备具备红外照射、强光抑制、超宽动态、超低照明度补偿功能用监控分站通过光缆相互连接构建完整光纤通信以太环网开作为井下通信传输平台系统设置云台控制功能开水平角度覆盖0～360°垂直角度覆盖0～90°开满足角度旋转、焦距缩放需求用视频存储时间超过80h支持语音通信功能开实现掘进机工作现场全方位监控(图1)用集成控制系统通过中央控制单元实现对掘进机整机电气系统智能控制用系统采用矿用本安型操作台操作台尺寸1300mmx725mmx1280mm配备24英寸显示器#控制系统采用矿用本安型遥控发射器控制开供工作电压DC24V#系统配置矿用本安型键盘工作电压DC5V工作电流180mA#内嵌鼠标支持语音输入输出功能³#控制系统对设备工作环境进行监控开包括数用系统内置故障自动诊断功能实现设备自动停机保护用控制软件具备状态参数设置、控制指令发送、数据存储交换、截割轨迹监控和截割断面边界控制等功能用系统实现井下数据、图像上传地面调度中心支持3关键设备与系统组成EBZ200M-2A型掘锚机适用于煤巷、半煤岩巷掘进作业整机最大外形尺寸长度125m铲板宽度3.6ml机身高度2.4m整机重量87t用掘进机配备纵轴式截割头采用电动机驱动方式装机总功率347kW其中截割电动机功率200110KW泵站电动机功率132KW#截割头转速46/23r/min开截割头伸缩量650nm#装载系统采用五齿星轮形式配备液压马达驱动星轮转速33r/min装载能力超过4m/min#行走装置采用履带式结构配备柱塞马达驱动行走速度0～7m/min履带宽度650mmf对地压强0.14MPa#运输系统选用双边链刮板式链速61m/min运输能力超过4m³/min#掘进机截割范围覆盖矩形断面3.2～5.2m高半圆拱形断面3.7～5.2m高宽度4.5～6.5m#机身具备铲板卧底功能用卧底量不低于300mm川铲板抬升高度不低于350mm#供水系统适应pH值6～8开适应供水压力3～8MPa最小冷却水流量30L/min#内喷雾系3MPa时控制在0.3～1.2KW区间台尺寸1300mmx725mmx1280mml配备24英寸显示器通信接口支持CAN以太网、TCP/IP协议用系统配置矿用本安型遥控发射器供电采用7.5V充电电池开能4曲监控主站采用矿用隔爆兼本安型设计工作电压力传感器和温度传感器用惯性导航系统实现设备姿态临时支护系统采用单主臂多级升降机构设计开单臂多级伸缩结构支护构件强度匹配支撑力要求支撑力超过30kN用支护顶架采用回转油缸控制方式满足不同巷道断面作业需求曲支护装置安装于截割部位开展开收回速度快便于锚固作业支护高度达4.5m以上出支护装置工作过程中临时支护油缸液压管接头升降不会与机架产生碰撞钻臂配置2台支持顶帮锚施工作业锚杆孔钻杆规格B19B22#锚杆机转速500r/min钻进力16kN锚护范围高度矩形断面3.2～5.2m半圆拱开断面3.7～5.2m宽度4.5～6.5m#平台行程5.2m#帮锚水平最低位0.6m锚杆机扭矩350Nom锚杆机前后摆动角度-90～+90°锚杆机左右旋转角度-90～+90锚杆架体摆角-25°~+10H伸缩支护系统设计确保满足掘进工作面空顶距作业要求开提高支护作业安全性用除尘装置布置于自移机尾后方开随自移机尾同步移动用设备配备一体式净化水箱、排污泵、清水泵、旋流过滤器、排污阀、管路和承载小车等部件#负压风筒采用阻燃、抗静电、高强度材料制作开具备耐压、抗撕裂、抗刮蹭能力风筒钢圈间距控制在100mm以内开每节风筒骨架采用直径6mm以上弹簧钢筋#吸风口位于机身上方靠近迎头位置与工作面距离控制在2m以内设置防护网阻止大颗粒煤块进入风道曲除尘箱上部装配高压冲洗喷头利用外接矿井水冲洗除尘箱内部各单元泥尘用风机叶轮采用防火花材料开符合煤矿用金属材料摩擦火花安全性要求曲控尘风筒吊挂在气动单轨吊上单节轨道长度2m重量8kg#便于接延轨道#风筒移动伸缩由气动驱动部实现开通过遥控器操作用承载小车配置两件小车支腿高度可调节保证风机除尘箱水平放置小车车轮设置减震装置转动灵活移动过程中不会发生脱轨用除尘器排出污水经三级过滤处理成净水，循环使用，避免污水随意排放，减少巷道二次污染用装置设计确保风机正常运行，不影响正常截割、出煤作业，不阻挡作业人员视线系统功能测试主要针对惯性导航系统、中央控制单元、远程视频监控系统三个核心部分展开惯性导航系统测试结果表明，在0～45℃工作温度范围内，系统持续工作时间超过24h,航向角精度达到0.15°,姿态角精度达到0.1°用中央控制单元测试验证对设备工温、油压和截割电流等参数实时监测用远程视频监控系统测试数据显示，摄像仪工作电压稳定在DC12V,工作电流控制在900mA以内，防护等级达到IP65标准用图像分辨率1080P,视频存储时间超过80h,传输速度达到10100Mbps#系统具备红外照射、强光抑制、超宽动态、超低照明度补偿功能，确保不同工况下图像清晰度用系统在测试过程中展现出良好稳定性，各项指标符合设计要求4.2远程控制性能评估远程控制性能评估重点验证控制指令响应速度、控制精度、操控距离和通信稳定性用遥控发射器采用7.5V充电电池供电，防护等级IP54,遥控接收器工作电压DC24V,测试结果显示遥控信号传输稳定可靠用远程操控台实现对掘进机截割、运输、行走等动作精确控制用系统通过光纤通信以太环网传输数据，在掘进工作面2500m处操作硐室实现远程可视化监控操作用操作台显示器实时反馈设备运行状态，工作参数显示清晰准确控制系统对异常工况识别准确，故障自动诊断系统反应灵敏，设备出现异常工况时自动停机保护用系统整体表现出优异远程操控性能曲如表1所示，远程控制系统将操作距离从100m提升至2500m实现操作环境从粉尘区到无尘操作室的转变表1远程控制系统性能提升指标评估项目现场粉尘区自动诊断设备监测截割精度验证试验着重测试巷道成型精度、截割轨迹控制精度和边界识别准确性三项关键指标试验数据表明，系统采用高精度陀螺仪测量车身姿态，结合多传感器信息网络，实现截割头位姿参数精确计算用巷道断面成型误差控制在15m以内，避免超挖、欠挖现象用系统具备工作面边界报警功能，截割轨迹实时监测功能有效发挥作用用矩形断面截割高度控制在在46/23r/min,截割头伸缩量650nm,装载能力稳定在4m³/min以上用工程应用效果分析主要评估系统运行稳定性、作业安全性和工作效率远程智能控制系统投入使用后，操作人员通过远程操控台实现对掘进机全方位控制，避免粉尘危害用系统运行数据显示，行走装置稳定运行，行走速度0～7m/min可调，履带对地压强0.14MPa#运输系统链速保持在61mmin,运输能力达到设计要求用内喷雾系统适应0～60RPM转速变化，水压0～4MPa范围内密封性能良好用除尘