浅谈矿山巷道多功能修复机器人技术

徐嘉麟，张瀛方

1 新建矿山巷道掘进和维护维修的设备技术概述及现状

随着金属（包括煤炭及其他稀有金属）矿山埋藏浅、易开采资源的挖掘殆尽，大型矿山企业对地下矿藏资源的开发采掘逐渐向埋藏更深方向发展。与浅埋矿床相比，由于深部矿床岩石的地质构造、赋存条件以及地质力学等与浅埋层有较大的不同；其关键开采技术条件和巷道掘进工艺更加复杂。目前绝大部分复杂恶劣工况已有专门采掘机械研发并应用，但多数设备只是单项功能施工方法；因此造成在井下工作的大型机械种类繁多，并需要额外增加放置相应设备的硐室；存在大型设备在巷道中转场难，掘进主机和支护主机之间错车难等问题。巷道的维修维护中局部会出现各种不同问题需要不同设备处理，该类问题存在特征：①在同一地点并不具备大量存在，需要原有专用设备进行批量处理；②个别需要修复问题处理，非仅用原有专用设备可以解决，还需增加其他专用设备共同工作才能解决。

具体以煤矿井巷工程相关施工工艺为例。

为协助采煤、运输、设备存放等，需要在煤层或岩层内所开凿的一切通道、孔洞等统称为井巷，可分为以下几大类：

（1）水平巷道：①平硐；②隧道；③石门；④平巷。

（2）倾斜巷道：①斜井；②暗斜井；③上（下）山。

（3）垂直巷道：①立井；②暗立井；③溜井。

（4）硐室：①变电所；②水泵房；③煤仓或水仓；④井下炸药库。

在新建埋藏较深矿井开采初期在立井钻好后需要施工水平巷道，但相应专用施工设备较大无法放置，需要预先开挖大型设备组装和转场空间；如果完全由人工采用风镐工作量巨大施工效率低，会严重影响矿井建设速度。需要研发设计一种设备具有体积和外形尺寸相对较小替代人工风镐，在人工开凿出一定空间后由该机器继续破碎和挖掘；作为过渡设备可以降低工人劳动强度，提高生产效率；为后续快速掘进大型设备做工序准备。

水平和倾斜巷道掘进所需要设备根据全煤巷道、半煤岩和全岩巷道，岩石硬度和掘进断面大小采取不同施工方法：

（1）在全煤和半煤岩巷道，即普式硬度f＜4的岩层为软岩（按坚固性系数，单指标分类方法f等于RC/10其中：RC为岩石的单轴抗压强度，单位MPa）。巷道横断面尺寸在3.5m（宽）×4.5m（高）以上多为机器掘进工艺（简称机掘），其中掘锚一体机技术发展成熟。国外知名生产企业美国久益采矿公司（JOY Mining Michinery），奥地利的奥钢联等公司；国内生产企业有太原煤科院，三一重型装备有限公司等。掘锚一体机少数同时具有多种功能设备，特定工况下可以实现巷道快速掘进功能。掘锚一体机主要结构部件及功能：

①具有截割部根据结构布局分为纵轴截割头和横轴截割头，根据驱动形式可分为截割电机和纯液压驱动。通过截割臂上下俯仰、左右摆动、前后伸缩可以实现截割头进给动作，截割头周向旋转带动截齿切削煤和煤矸石，切割成矩形或拱形断面。②具有两个锚杆机可布置在截割臂两侧或者履带行走部上方通过小车滑道或者伸缩臂形式前后滑移、上下俯仰、左右摆动在矩形和拱形横截面内定位。本身锚杆机自身具有伸缩倍增机构、液压旋转机构、油缸推进机构、水冷排渣机构；实现钻孔、打锚杆和锚索功能。③具有临时支护功能通常布置在截割臂上。本身支护部具有一定结构强度辅助支撑锚网或钢带等替代人力托举，在断面有一些松动煤块或矸石时对操作手起到一定临时保护作用。④具有铲运部。铲板部是一个具有液压驱动星轮结构或者蟹爪结构，可以收集截割部切削下来的煤和矸石功能，通过星轮或者蟹爪将物料推送到第一运输机。第一运输机是由液压驱动刮板链（分为圆环链结构适合于煤和滚子链结构适合于煤矸石或者岩石）；具有将截割下来的煤和矸石运送到后面配套的第二运输皮带转载机或矿车。⑤具有履带行走部是一种适合地面工况恶劣、坡度较大的巷道。掘锚一体机使用功能上优点为同时具有截割、打锚杆锚索、临时辅助支护、铲装运输、履带式行走，适用在全煤或半煤岩中大型巷道施工工艺中大部分工步。主要缺点结构由于具备多种功能部件，同时集中布置在一个设备上造成整机尺寸大不适用于小型断面。相比全断面专用双臂锚杆机，掘锚一体机由于锚杆机布置在整机截割臂两侧会造成个别位置如侧帮最下面一排的锚杆锚索无法打。对比单独工序打锚杆锚索效果，相较于专用双臂锚杆钻车效率略微低一些。掘锚一体机相对于分体机施工工艺避免了错车，在满足巷道使用要求前提下可以适当设计减小巷道断面尺寸，对应降低掘进和支护工作量；从而提高巷道掘进速度匹配煤矿产能。降低生产工作量可以降低人工成本和支护材料使用成本，提高生产效率；具有明显经济效益的提升。

我国部分煤矿由于煤质好埋藏条件特殊但储量并不小，在考虑经济效益平衡等因素后设计巷道大小会在3.5m（宽）×3.5m（高）以下或更小；受限于掘进机尺寸和空间要求无法机掘，多数采用人工开挖。需要我们设计一种布局紧凑尺寸小，具有挖掘、装载和破碎功能替代人工风镐。

（2）在全岩巷道，即普式硬度f＞4的岩层为中硬岩及以上。掘锚一体机无法实现破岩需采用打眼放炮的掘进工艺（简称炮掘）。巷道横断面尺寸在4m（宽）×3.5m（高）以上可以凿岩台车、扒渣机和双臂锚杆台车三机配套使用，在巷道尺寸在6m（宽）×5.5m（高）以上可以钻装机和双臂锚杆台车配套使用。以上炮掘工艺和相关主机设备技术相对成熟，国内主机厂商江西鑫通机械制造有限公司可以提供全系列炮掘工艺相关设备。

①凿岩台车：根据结构布局分为单臂和多臂，行走方式分为履带式行走和轮胎式，动力系统分为柴油发动机驱动和电机驱动。凿岩工作臂可以上下俯仰、左右摆动，具有伸缩内外筒适合较大的工作断面范围。具有倍增结构的滑台带动凿岩机进行往复运动，凿岩机具有旋转冲击破碎功能，可实现打炮眼功能。②扒渣机：根据结构布局分为两节臂和多节臂，配有反铲式扒斗。行走方式分为履带式行走、轨轮式辅助牵引行走和轮胎式，动力系统分为柴油发动机驱动和电机驱动。具有一体式集料铲斗和第一运输机，采用滚子链刮板结构液压马达驱动。放炮后崩出的岩石是通过扒渣机转运出去，后方可配套第二运输皮带转载机或矿车。③双臂锚杆台车：总体结构布局为两个工作臂，行走方式分为履带式，动力系统分为柴油发动机驱动和电机驱动。锚杆工作臂可以上下俯仰、左右摆动，具有伸缩内外筒适合较大的工作断面范围。本身锚杆机自身具有伸缩倍增机构、液压旋转机构、油缸推进机构、水冷排渣机构；实现钻孔、打锚杆和锚索功能。④钻装机：集凿岩台车和扒渣机功能于一体。总体结构是在扒渣机结构基础上重新布局设计采用履带式行走，具有两个凿岩工作臂布置在左右履带行走部上方，安装在滑动小车上前后滑移通过齿轮齿条传动，防止扒渣工作时与凿岩工作臂相碰。

以上设备可以完成岩巷炮掘工艺主要工序。存在沿着巷道走向开挖侧帮下方水沟槽，由于采用放炮工艺现有技术无法很好控制爆炸威力，不能通过放炮达到设计要求深度和宽度的水沟槽。需要人工通过风镐开挖，总体工作量不大但工人劳动强度高；需要研发设计一款设备代替人工。

（3）已经开拓好的巷道，存在有自然灾害情况下局部围岩压力突发扰动情况，也存在其他接近工作面开采作业时或开拓新的巷道人为诱发围岩压力扰动情况；导致已经支护好的巷道会局部变形出现片帮、顶板冒落、起底鼓等情况；必须将巷道尺寸修复到原有设计大小满足生产要求。需要风镐破除原有抬高硬化地面、撬动松动石块；需要拆除超尺寸侧帮锚网、扩帮到设计尺寸，通过液压剪切断探出失效部分的锚杆锚索。以上工作90%是人工采用小型机械完成；工作种类繁杂、劳动强度大、占用人力多、效率低。需要设计一种多功能机械完成以上巷道修复工作。

2 未来矿山巷道多功能修复机器人关键技术

针对目前金属（包括煤炭及其他稀有金属）矿山埋藏浅、易开采资源的采掘殆尽，大型矿山企业对地下矿藏资源的开发采掘逐渐向埋藏更深方向发展状况，为适应开采技术方法和更加复杂巷道掘进工艺，对未来矿山巷道多功能修复机关键研究技术方向创新提出“分散—集中—机器人”。

关键词“分散”详细含义是指具有多种功能，满足大多数金属矿山开采方法和巷道施工工艺对应设备的需求；允许没有大型专用设备的效率高，但是可以胜任专用设备的工作；针对特殊工况工作量不大、但是大型专用设备无法胜任的工作新型多功能巷道修复机可以完成。从结构上讲可拆分为不同的功能模块，每个功能模块是高度集成液压系统和电气系统的执行机械部件；每个模块根据功能不同预先分散放置在不同工作位置，模块彼此间没有必要联系，功能上互不干扰。未来多功能修复机器人通过万能快换器集成挖掘模块、破碎模块、装载模块、铣挖机模块、锚杆机和瓦斯等气体或水钻探模块、液压锚杆索剪断器模块、登高平台模块等功能。

由于整机定位紧凑、重量轻、适用性广、可靠性高。考虑设备之间错车整机宽度受限，考虑设备在巷道转场最小转弯半径7000mm整机长度受限，考虑适合并允许工程机械使用的90%巷道高度最小设计不低于3000mm整机高度受限；综合考虑所有工况和功能要素，确定工作时安装最大重量和外形尺寸功能模块后额定整机重量不超过7500kg（包括调整重心所加配重），整机工作宽度最大不超过1200mm、整机工作长度不超过6350mm（工作臂完全折叠抬起状态）、整机工作高度不超过2800mm（工作臂完全折叠并落下状态）。各模块的选型、特定性能参数和外形尺寸，如下详细说明设计结构思路。

（1）挖掘模块

主要功能为挖掘装载；挖斗布局属于反铲式挖掘，动作方向是沿回转轴向前和向下挖掘，为了既要满足大断面巷道又要适用小断面巷道，部分巷道沿掘进方向整个一侧布置运输皮带，导致挖斗结构不易设计过大否则会影响工作臂左右摆动影响卸料。挖斗设计开口宽度最大不超过500mm，斗容不超过0.2m3。

（2）破碎模块

主要功能为破碎和撬毛；由于巷道修复机主要功能定位是修复和辅助功能，是为了适用更多类型工况，不需要完全用破碎器开拓巷道，工作量不是巨大。可以不选冲击能较大的液压破碎器，涉及工作臂强度和液压系统的匹配会影响整机尺寸。推荐设计方案选型为冲击能为600焦耳，驱动油压为110bar～140bar，流量40L/min～70L/min，打击频率500bpm～900bpm，钎杆直径¢70mm。在普式硬度为F8以下岩巷工况破碎效率与大冲击能破碎锤没有比较明显降低，在性能上符合多功能巷道修复机定位。

（3）装载模块

主要功能为装载物料；挖斗布局属于正铲式装载，动作方向是沿回转轴向前和向上铲起举升，适用大断面巷道。铲斗设计容积相对反铲式挖掘斗明显加大；开口宽度最大不超过机身宽度1200mm，斗容不超过0.5m3。根据装载物料重量需要在主机后方加装配重调整重心，以满足装载工作时整机工作稳定性，防止设备在下山工作时向前倾翻。

（4）铣挖机模块

主要功能为挖掘空硐、水仓、煤仓等；井下相关工程主要是指在巷道底板以下挖临时存储煤或者矸石仓，连接下方工作面的运输巷道，设有仓门用来卸料到矿车或转运皮带上，侧帮开挖空硐用来存放设备、避难逃生仓等。总体施工量不大，如果采用人工风镐劳动强度比较大，挖掘速度慢、会影响总体工作进度。如果配合灵活的工作臂选用横轴铣挖头机械开挖，避免了工人的高强度劳动挖掘速度快，成型好。由于操作空间有限，为了满足灵活性、适应性等要素，仍然需要选配型号较小横轴铣挖头。推荐滚筒截割转速160转/分钟，在工作压力50巴时推荐流量100升/分钟，在工作压力350巴时输出扭矩3500牛顿·米，在工作压力350巴时切削力17500牛顿。推荐最低工作压力210巴，铣挖头直径450mm，额定液压功率45千瓦，横轴铣挖头重量750kg，推荐安装在整机重量7t～10t的巷道修复机器人上使用。

（5）锚杆机和瓦斯等气体或水钻探模块

主要功能为钻锚杆和锚索孔、打锚杆和锚索；在掘进时会存在局部断层含水或者其他高压气体，需要锚杆机作为临时的钻探工具，通过接杆方式钻20m左右的深孔。推进器结构由滑道装置、滚子链装置、推进器油缸、液压马达及钻杆座等部件组成，滑道装置采用钢板焊接成形,经过热处理,机械加工，刚性好,韧性好,精度高，满足了井下使用的要求。推进器油缸安装于滑道装置的内侧，通过滚子链传动机构，获得钻孔所需的推进行程，推进行程1000mm。二次推进油缸位于滑道内侧，用于补偿推进行程，二次推进油缸推进行程1170mm。推进总行程2170mm。钻孔马达与钻杆座直接连接，在液压马达驱动下，来提供钻孔时所需的动力。所使用钻杆为中空两端具有密封螺纹本身具有较高强度和韧性，一端接硬质合金钻头负责钻孔，另一端可以接多根钻杆满足钻较深的孔。中空钻杆设计可以通过水起到冷却和排渣作用；也可以通高压气体同样起到排渣作用。

（6）登高平台模块

主要功能为在大断面巷道工况中，操作手站在平台上进行轨道安装、风筒布置及其他辅助维修工作。为了满足平台具有平动功能时刻保持操作手如在平地一样正常站立、可靠安全等要素。总体设计结构在平台下方负责回转的螺旋摆动油缸加装角度传感器，在各节臂连接销轴处也分别加装角度传感器。升降平台工作时角度传感器实时传输角度信息到控制箱，控制箱具有芯片和控制软件，通过数据分析计算并发出控制信号到各个电磁阀控制螺旋摆动油缸及各个直线液压油缸复合动作，达到平台平动效果。操作手可以采用液压手柄控制，可以布置在操作平台上；也可以通过遥控器控制，需在主机上增加无线信号接收和发出装置。

（7）液压锚杆索剪断器模块

主要功能为切断失效的锚杆锚索或者直径在30mm以下的钢筋等辅助材料。需要具有的特点是切断力大、外形尺寸小、重量轻；操作手可以轻松用手拿起使用操作方式简易，具有便携性。可以配合自身登高平台剪断巷道顶部较高处的失效锚杆锚索。锚杆索切断器主要技术参数：①切断对象：￠30mm以下锚杆钢筋，￠29mm以下锚索（钢绞线）。②驱动油压：Mpa（最大工作压力）：63。③最大切断力KN：600。④刀口最大开度mm：32。⑤外形尺寸mm：300（长）×150（宽）×120（高）。

关键词“集中”详细含义是指一台主机设备除了具有执行功能模块以外其他必要的组成部分集中设计在一起，主要作用是为了更好的服务于执行功能模块。包括动力源电机或者柴油发动机，液压系统、电气系统及智能控制、负责整机移动的履带行走部、驾驶室及操作台和其它的连接结构主体等。主要特征具有可靠的执行功能模块的通用机械接口，对每个功能模块的液压系统和电器系统及智能控制具有兼容性，整机设计唯一动力系统去匹配，结构紧凑，工作时的整机尺寸小，总体功耗低；主机在工作时只安装一个功能模块执行单一任务；体现了设计理念关键词“集中”，与其他类具有多功能一体机设计不同。多数一体机总体结构是将多个功能模块集成在一起，整机尺寸庞大，功能模块间在工作时会有一定相互影响；适应性差，一些中小型工作面或巷道无法使用；总体功耗大。

关键词“机器人”详细含义是指在井下工作面或者巷道中存在局部会有突然垮塌、瓦斯等有害气体涌出、灰尘较多能见度低、高温、噪声大等不适合工人工作的环境，需要具有高度集成智能化、可通过遥控器远程操控的机器人去替代人工。也符合国家对采矿企业要求井下提高机械化、智能化、减员增效和打造安全矿井的政策。

其中万能快换器是一种执行功能模块的通用机械接口，最重要的攻关技术点，他的可靠性决定了矿山巷道多功能修复机器人是否可行。