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矿用组合盾构机机载锚杆机液压系统的研究

2025-04-03 51 上传者：管理员

摘要：介绍了矿用组合盾构机的优势和机载锚杆机的工作原理与性能特点。为实现组合盾构机的高效安全的快速掘进和支护，通过研究支护的生产工艺，设计了满足圆形巷道支护的4台锚杆机，通过合理的布置实现巷道断面的安全支护。通过优化掘锚平行作业的机载锚杆机的液压系统，设计了具有自动开关冲洗水路、应急开关冲洗水路、快速推进和慢速推进的液压回路，该液压系统主要突出了其在机动操作性能的优势。通过在某矿区的工业性试验，验证了该锚杆机液压系统机动操作性能较好，锚杆支护高效、稳定且可靠。

关键词：
快慢切换
掘锚平行作业
机载锚杆机
煤炭
矿用盾构机
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煤炭是我国能源安全的稳定器和压舱石,稳定的煤炭年生产能力是国家“十四五”期间的重大战略部署｡巷道掘进与支护是井工开采的关键技术之一,在煤矿领域新井建设中,岩巷掘进工程量占比较大,施工过程中存在两大难点:①地质结构复杂,岩石较硬,掘进速度较慢;②掘锚分开作业,支护效率较低｡这些导致了施工期占比较高,因此提高掘进和支护效率至关重要｡矿用硬岩组合盾构机通过优化支护方案､提升锚杆支护效率等方式,有效应对了煤矿岩巷掘进中的挑战,为煤矿生产的安全与高效提供了有力保障[1-4]｡

1、矿用硬岩盾构机

矿用硬岩盾构机､悬臂式掘进机和钻爆法施工对比分析如表1所示｡

表1硬岩盾构机､悬臂式掘进机和钻爆法的对比

经对比分析,硬岩盾构机在煤矿岩巷掘进中具有较大优势｡在煤矿领域新井的建设中,岩巷掘进工程量一般占总工程量的40%~50%,施工工期占35%~50%｡现阶段煤矿生产存在采快掘慢的现象,掘进慢主要影响的就是支护｡中煤科工集团上海有限公司研发的矿用硬岩盾构机通过优化支护方案､提升锚杆支护液压系统等方式提高锚杆支护效率｡

2、优化支护方案

硬岩盾构机设备主要包含4台机载液压锚杆机,如图1所示｡其中第1台锚杆机支护顶部锚杆,第2台锚杆机支护左侧锚杆,第3台锚杆机支护右帮锚杆,第4台锚杆机支护顶部锚索,分布在第1节和第2节台车上,可实现掘进和支护同步进行｡

图1锚杆机布置图

硬岩盾构机系统巷道断面呈圆形,圆形巷道直径φ3500mm｡依据一次支护､高预应力和预应力扩散原则､“三高一低”等原则计算和设计了支护方案,如图2所示｡锚杆布置锚杆排距1200mm,每排9根锚杆,锚杆间距900mm,垂直岩面打设;锚索布置:沿巷道中间打设锚索,2-1-2布置,间距2000mm,排距1200mm,全都垂直岩面打设｡

图2盾构机掘进支护布置图

3、机载锚杆机

机载锚杆机主要由钻箱､长推进油缸､短推进油缸､支撑柱组件等组成,如图3所示[5-7]｡支撑柱主要起稳定锚杆机及限制锚杆的作用｡长推进油缸和短推进油缸完成马达钻箱的长距离推进｡马达钻箱实现钻杆钻孔､锚杆搅拌树脂等功能｡

4、锚杆机液压系统原理

矿用硬岩盾构机机载锚杆机液压控制系统为2个液压泵供液4台液压锚杆机的流量分配方案｡液压系统采用负载敏感变量泵和负载敏感多路阀组成的负载敏感节能控制的方式,系统中液压泵的输出流量在符合系统要求的条件下保持系统压力随负载而变动｡4台锚杆机可以平行作业且互不干扰｡4台锚杆机全部完成各自支护后,反馈信号给掘进司机,开始换步掘进｡

该液压控制系统与常用控制系统的区别主要在水路冲洗和快慢推进方式上,主要由梭阀､液控单向阀､单向阀､平衡阀､液控水阀开关､压力传感器､钻箱马达､推进油缸､比例多路阀组成,如图4所示｡

图3锚杆机结构图

图4锚杆机液压原理

主要功能实现:

(1)快速推进功能的实现液压油经过比例多路阀第2片阀A口流进快慢推进控制阀组的A1口,液压油通过平衡阀5中单向阀进入油缸的无杆腔,同时液压油通过梭阀3控制平衡阀6开启,液压缸有杆腔液压油经过平衡阀6流回多路阀B口,实现锚杆机的快速推进｡

(2)推进油缸缩回功能的实现液压油经过比例多路阀第2片阀B口流进快慢推进控制阀组的B1口,液压油通过平衡阀6中单向阀进入油缸的有杆腔,同时油液进入平衡阀5的控制腔,平衡阀5打开,油缸无杆腔油液经过平衡阀5回流到多路阀｡

(3)锚杆机钻进及自动联动喷水的实现液压油经过比例多路阀第1片阀A口进入马达,马达开始旋转,同时液压油进入液控单向阀液控腔,液控单向阀开启;液压油经过比例多路阀第3片阀B口进入快慢推进控制阀组B2口,液压油同时进入单向阀､梭阀3和液控单向阀,进入单向阀致使液压油进入推进油缸无杆腔油缸外伸,进入梭阀3打开平衡阀6,推进油缸有杆腔液压油通过平衡阀6及多路阀第2片阀B口回流｡进入液控单向阀后流入梭阀1最后流进水阀液控开关,液控水阀开关打开,水经过液控水阀开关流入钻箱喷出｡由此实现锚杆机钻进及自动联动喷水｡

(4)锚杆机液控供水的实现在不需要钻箱旋转及推进油缸推进的情况下,液压油经过多路阀第3片阀A口进入快慢推进控制阀组A2口,进而进入梭阀1､液控水阀开关主动实现喷水[8-13]｡

5、结语

通过在某矿区的工业性试验,验证了矿用盾构机机载液压锚杆机可以安全､高效地完成巷道支护｡

(1)矿用盾构机机载锚杆机布置合理,液压控制系统具有很好的操作机动性,可以实现压力和流量的自适应,在整个试验过程中该系统安全､可靠且节能,满足掘支平行作业的工艺要求;

(2)优化后的锚杆机液压系统,马达旋转和推进联动可以实现自动控制冲洗水的开启,避免人员的频繁手动操作,同时满足特殊工况下主动应急冲洗用水需求;

(3)该液压系统快速推进和慢速推进切换自由,实现送锚杆､退锚杆等快速运动节约时间的工况,又实现钻进时缓慢､平稳的油缸运动,满足高分辨率的控制要求｡

参考文献:

[1]康红普,姜鹏飞,高富强,等.掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径[J].煤炭学报,2021,46(7):2023-2045.

[2]程桦,唐彬,唐永志,等.深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术[J].煤炭学报,2020,45(9):3314-3324.

[3]郑健,彭军,焦明交,等.煤矿全断面矩形快速掘进机过断层分析与探索[J].煤矿机械,2021,42(11):91-94.

[4]王勇,古长具,贺飞,等.矿用TBM高效支护技术及安全防护装置设计与应用[J].煤矿机电,2023,44(1):34-41.

[5]董荣宝.全断面矩形掘进机机载锚杆机液压系统及防护措施的研究[J].机床与液压,2023,51(4):123-126.