矿用喷浆机械手的设计与应用

贾湛胜

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 036600）

1 工程概况

晋能控股煤业集团王家岭煤业公司设计生产能力为500 万t/a，主要开采4 号煤、7 号煤、9 号煤，其中4 号煤平均厚度7.6 m。18103 工作面胶带运输巷设计长度1934 m，矩形断面设计，掘进宽度×掘进高度=5.4 m×3.6 m，断面积为19.44 m2，平均坡度为2°。巷道支护采用先锚网（索）掘进、后撤除、再集中喷浆的方法。从王家岭煤业以往巷道情况来看，掘进锚网（索）支护后，人工喷浆支护施工未能及时进行，造成巷道支护强度低，出现漏顶片帮现象，大幅度增加了巷道后期的维护成本。针对人工喷浆施工效率低下，影响到喷浆支护作业的情况，基于机械化换人的理念，设计了矿用喷浆机械手设备来代替人工喷浆作业[1-6]。矿用喷浆机械手设备的应用可改善作业环境，保障喷砼质量稳定，提高施工效率，提高喷浆人员的安全性。

2 矿用喷浆机械手的设计

2.1 结构分析

矿用喷浆机械手的结构如图1，主要由行走机构、稳定机构、大臂伸缩机构、大臂回转机构、喷射机构、液压系统、操作系统、电气系统组成。整机运行状态外形尺寸长×宽×高=3430 mm×2260 mm×2170 mm，可以适应巷道断面15～50 m2，工作范围宽×高=7 m×7 m。液压泵站额定工作压力为20 MPa，整机采用履带底盘，马达驱动，适于在恶劣地面环境移动。

图1 矿用喷浆机械手结构示意图

（1）行走机构。采用两台低速大扭矩液压马达驱动链轮带动履带行走，保证了行走机构的可靠和稳定，行走速度为0～9 m/min。

（2）稳定机构。为保证喷浆作业时设备的稳定性，在设备前部左右两侧各增加一组稳定靴，通过两根油缸实现升降，喷浆作业时支撑在底板上，需要行走时将其抬起，保证了设备工作的稳定性。

（3）大臂伸缩机构。由两级伸缩油缸和伸缩简组成，设备稳定后进行0～2 m 伸缩量。

（4）大臂回转机构。采用液压马达驱动回转支撑轴承方式进行，实现左右各60°角的摆动，能实现在不用移动设备的情况下对巷道两侧的近距离喷射，保证喷射质量。在回转机构与伸缩臂中间设有一个伸缩油缸，与大臂立柱形成一个四连杆机构，可以实现对≤6 m 高的巷道进行喷浆作业。

（5）喷射机构。喷射机构由三根旋转马达组成，一级旋转油缸实现喷头的左右旋转，二级旋转油缸实现喷头前后旋转，三级旋转油缸是一个偏心轴马达，实现喷头的画圈运动（模拟人工抱喷头时的动作），保证喷浆的均匀度。喷射头处设有一个三岔口（输料口、进水口、速凝剂口）。

（6）液压系统。液压系统由一台7.5 kW 的防爆电机驱动一台主油泵（柱塞式变量泵，流量：13 mL/rad，额定压力：20 MPa）和一台副泵（齿轮泵）作为动力源，通过供油切换阀组合多路换向阀，将压力油分别送给各执行机构，完成各部件的动作。

（7）操作系统。由一组七联阀组和一组两联阀组组成，七联阀组控制左右行走、大臂回转、大臂伸缩、喷头喷射等动作，两联阀组主要控制稳定靴的升降和喷头三级马达的画圈运动。

（8）电气系统。电气系统设计简单，由一台7.5 kW 防爆电机和一台QZ-301140 真空磁力器构成，能实现电机的启停及各种保护和报警功能。设备两侧各设有一个急停接钮，保证在紧急情况下能够及时停机；主操作平台左侧设有一个两联启停按钮，供操作人员远距离启停设备；本机大臂上设有照明灯两盏，能够随大臂的转动而转动，保证行走和喷射时的照明需要；本机还设有瓦斯断电装置，当瓦斯超限时能自动停止本机电源。

2.2 关键技术分析

（1）实现了机械化替人的重大突破，工人的劳动强度降低，施工效率得到了提升。

（2）采用履带式行走机构，解决了人工移动设备的问题，采用多级伸缩臂式，能够实现对巷道不同方位的喷浆作业。伸缩臂可实现回转、大臂变幅、伸缩等功能，能够对巷道顶及两帮进行不同方位的喷射作业。

（3）喷头画圈机构采用偏心轮，实现喷头的偏心摆动运动，动力由旋转马达提供，实现了喷头不间断圆弧喷射，保证了喷浆质量。

（4）利用了机、电、液一体化的优势，实现了机械化减人提效的目的，提高了施工效率和施工质量，同时施工过程中的安全得到了有效管控。

2.3 先进性及创新性分析

（1）采用履带式行走机构，解决了人工移动设备的问题；采用多级伸缩臂式，能够实现对巷道不同方位的喷浆作业。伸缩臂可实现回转、大臂变幅、伸缩等功能，能够对道顶及两帮进行不同方位的喷射作业，大幅降低了工人的劳动强度。

（2）喷头画圈机构采用偏心轮，实现喷头的偏心摆动运动（画圆），动力由旋转油缸提供，实现了喷头不间断圆弧喷射（替代人工摇摆），保证了喷浆质量，同时也提高了施工的效率，成功实现了机械化换人。

3 现场施工应用及效果分析

3.1 现场施工应用

将设计的矿用喷浆机械手配套“湿式混凝土喷射机+煤矿用带式上料机”，构建机械化远距离喷浆配套装备，在18103 工作面胶带运输巷的两帮及顶板的喷浆支护作业中进行了实践应用。

工艺流程为：搅拌均匀的物料用防爆胶轮车运至煤矿用带式上料机料仓内；工作时，将料仓内的喷浆料连续、均匀地输送至湿式混凝土喷射机料斗内，在迎头使用矿用喷浆机械手代替人工夹持喷枪进行自动化喷浆作业。此时，操作人员可在距离喷料口10 m 以外的位置进行遥控操作。

3.2 效果分析

18103 工作面胶带运输巷的两帮及顶板的喷浆支护作业中应用矿用喷浆机械手施工后，效果理想，主要表现在以下几方面。

（1）作业环境得到了改善。操作人员距离喷料口10 m 以外，降低了操作人员与喷浆料的直接接触机会，有利于作业人员的职业健康。

（2）保证了喷砼质量稳定。机械手喷砼可保证喷射角度、距离，避免人工喷射的盲区、盲点等造成喷浆料回弹高的问题。

（3）提高了施工效率，降低了材料的浪费。喷浆效率是人工喷浆的1.39 倍。

（4）喷浆人员的安全性更高。操作人员远离喷浆出料口，喷浆料的回弹和顶板及两帮的活矸、活煤等掉落或反弹回来后不会打到操作人员身上，确保了人员安全。

（5）对4 m 以上高巷道的喷浆更加方便，不需要搭设临时作业平台，通过机械臂的自动伸缩功能即可达到合适的喷浆位置，提高了喷浆料的上墙率。

4 效益分析

喷浆机械手使用前，喷浆作业一直采用人工抱喷头的工作模式。操作人员劳动强度大，不得不间断休息，其工作效率低，且很容易患尘肺、腰肌劳损等职业病。原人工喷浆队平均每班喷浆15 m3计算，人工工效为2.25 m3/h。矿用喷浆机械手应用后，每班的喷浆量可增加到25 m3，人工工效为3.13 m3/h，施工效率是人工的1.39 倍，综合工效提升67%。

矿用喷浆机械手制作成本一次性投入约32 万元，日常运行成本每年约8 万元（喷浆管和配件费用）。使用矿用喷浆机械手后每班的喷浆量25 m3，按照喷浆单价0.11 万元/ m3计算，每班经济效益=（使用后每班喷浆方量-使用前每班喷浆方量）×喷浆单价=（25-15）×1100=1.1 万元。按照喷浆队每天两班工作制计算，每天经济效益=1.1×2=2.2万元，全年可多结工程款=2.2×365=803 万元。因此，每年可增经济效益约763 万元。