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掘进工作面设备选型计算(周小龙)

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19

8专题
8.1掘进工作面设备选型计算
8.1.1已知原始参数
已知原始参数见表8-1。
表8-1 已知原始参数
掘进断面
（㎡）
截割高度
（m）
截割宽度
（m）
截割硬度
（）
22.4
4.2
5.34

掘进坡度
（°）
接地比压
（）
卧底深度
（mm）
供电电源
（V）

0.14
180
1140/660
8.1.2巷道掘进工艺
1）矿井综掘机状况
掘进机用于巷道机掘施工，机掘速度快，效率高，巷道成型规整，岩体免遭炮震破裂，施工质量好等诸多优点，被越来越多的国家所认识。掘进机破岩有钻削、铣削和滚压3种方式。部分断面掘进机破岩主要用于钻削和铣削两种方式。截割工作机构悬臂布置，截割头有纵向和横向出轴旋轴两种，形状有圆锥形，圆锥圆柱形、半球形，滚筒式等。截割头截入工作面的部分断面，用悬臂式的循环摆动截落全断面煤岩。全断面掘进机破岩主要用滚筒和铣削两种方式。滚压式工作机构用在坚硬岩层中，工作机构前端有一个旋转刀盘，在刀盘旋转的同时，利用机器的轴向推力压向岩面，使刀具在岩面公转并绕自身轴线自转，从而实现全断面破岩，铣削式工作机械用在煤和软岩中，工作头前端有若干个独立旋转的刀盘，刀盘上装铣削刀具。利用工作头、刀盘各自的旋转运动与机器的推进运动相互配合，使刀具呈螺旋线方式运动破落煤岩。
2）悬臂式掘进机
按截割头布置方式，悬臂式掘进机分纵轴式和横轴式。纵轴式掘进机多采用截锥体截割头，其结构简单，容易实现内喷雾，较易切出光滑轮廓的巷道，便于用截割头开水沟和挖柱窝。截割头上既可安装扁平截齿，也可安装锥形截齿。一般情况下，纵轴式截割头破碎的煤岩向两侧堆积，需用截割头在工作面下部进行辅助装载作业，影响装载效果。由于截割头是埋在被切煤岩中工作，且转速较低，因而产生量较少。横轴式截割头的形状近似为半椭圆球体，不易切出光滑轮廓的巷道，也不能利用截割头开水沟和挖柱窝。横轴式截割头上多安装锥形截齿，齿尖的运动方向和媒体的下落方向相同，易将切下的煤岩推到铲装板上及时装载运走，装载效率较高。但截割头的转速高、齿数较多，且不被煤岩体所包埋，因而产尘量较多。
综上所诉，纵轴式和横轴式掘进机各有优缺点，应结合煤矿地质条件和掘进机的性能加以选用。
3）巷道掘进工艺
目前国内外采用最多的是部分断面掘进机，这种掘进机比较灵活，可使煤岩分掘。根据已知原始参数的巷道地质条件，接地比压为适合选用中型掘进机，根据煤岩坚固性截割硬度，可选用半煤岩巷掘进机。由于纵轴式掘进机其结构简单，容易实现内喷雾，较易切出光滑轮廓的巷道，便于用截割头开水沟和挖柱窝。因此本选型设计采用部分断面纵轴式掘进机半煤岩巷掘进工艺。掘进机截割程序如图8-1所示，半煤岩工作面，先软后硬。沿煤岩分界线的煤侧钻进开切，沿线掏槽。

图8-1掘进机截割煤岩程序
8.1.3掘进设备选型计算
1）掘进设备选型
根据所截割煤岩的硬度，参考现有机型的参数和现行技术条件选取截割功率、最大工作坡度、可掘断面、机重等基本参数见表8-2。
表8-2 掘进机型式的基本参数
技术参数
单位
机型
特轻
轻
中
重
切割煤岩最大单向抗拉强度
MPa

切割机构功率
kW

50～75
90～200

适应工作最大坡度(绝对值)不小于
(°)

可掘巷道断面
㎡
5～8.5
6～16
7～24
8～28
机重(不包括转载机)
t

由已知原始参数及煤矿地质条件选用中国煤炭科工集团太原研究院制造的EBZ150型掘进机。该机是一种中型悬臂式掘进机，适用于各种类型底板、半煤岩及岩巷掘进。
2）EBZ150型掘进机技术特点
（1）模块化设计采用大合金头截齿，强度更高、更耐磨、损耗更小；
（2）采用等摩擦角星轮刀形设计，使装载效率更高，能耗更小；
（3）应用自主开发的截割力学性能优化软件结合传统设计方法，对截割部参数进行优化，使截割牵引力变化更小，截割更稳定；
（4）该机有不可伸缩和可伸两种不同截割机构供选择。
3）EBZ150型掘进机技术参数
EBZ150型掘进机基本参数见表8-3。
表8-3 EBZ150型掘进机基本参数

序号
名称
技术参数（标配）
总体
1
外形尺寸（m）
9.1×2.3×1.65
2
定位最大可掘高度/宽度（m）
4.2/5.34
3
经济截割岩石单向抗压强度（MPa）
90/70
4
截割卧底深度（mm）
250
5
地隙（mm）
250
6
适应巷道坡度（）

7
接地比亚（MPa）
0.14
8
整机重量（t）
40(不含二运和除尘)
9
总额定功率（kW）
255(不含二运和除尘)
10
机器供电电压（V）
1140/660
截割部
11
截割电机功率（kW）
150
12
截割头转速（r/min）
48.5
13
平均单刀力（N）
4950
装运部

装运部

14
装载形式
等摩擦角三爪星轮
15
运输形式
边双链刮板
16
铲板宽度（m）
2.8
17
星轮转速（r/min）
37
18
运输机链速（m/s）
1.1
19
装运能力（）
220
行走部
20
行走形式
履带式
21
行走速度（m/min）
0~8.4
22
制动形式
摩擦离合器
液压系统
23
系统形式
定量型/开式回路
24
额定压力（MPa）
16
25
总流量（L/min）
503
26
泵站电机功率（kW）
90
27
油箱有效容积（L）
640
28
锚杆泵站电机功率（kW）
15
喷雾及冷却系统
29
灭尘形式
内喷雾及加强型外喷雾
30
供水压力（MPa）
3~8
31
流量（L/min）
63
电控系统
32
电控箱
隔爆兼本质安全型
33
控制箱
隔爆兼本质安全型
34
电气控制
进口专用控制器
4）主要结构和工作原理
EBZ160TY 型掘进机主要由切割部、装载部、刮板输送机、行走部、机架和回转台、液压系统、水系统及电气系统等部分组成，参见图8-2。

1-切割部；2-装载部；3-刮板输送机；4-机架和回转台；5-履带行走部；6-油箱；7-操作台；8-泵站；9-电控箱；10-护板总成
图8-2 EBZ150 型掘进机
（1） 切割部
切割部又称工作机构，结构如图8-3 所示，主要由切割电机、二级行星减速器、悬臂段、切割头等部分组成。

1-切割头；2-悬臂段；3-二级行星减速器；4-轴套；5-切割电机；6-电机护板
图8-3 EBZ150型掘进机切割部
切割部为二级行星齿轮传动。行星减速器结构如图8-4所示。EBZ150 型掘进机切割部由150kW 的交流恒功率双速水冷电动机输入动力，轴套传至二级行星减速器，经悬臂段，将动力传给切割头，通过切割头的旋转和履带推进实现钻进运动，通过切割头的旋转和升降以及回转台水平回摆实现径向切割，从而达到破碎煤岩的目的。在掘进机的工作过程中，切割电机可以提供高、低不同的两种切割速度。由于EBZ150型掘进机切割电机高、低速工作时，额定功率均为150kW。所以，低速时速度低，输出扭矩大，适合于硬岩切割；高速时速度高，输出扭矩小，适合于软岩及煤岩切割。两种切割方式可以根据实际情况方便切换，从而大大的提高了掘进机的切割效率。

图8-4 EBZ150 型掘进机切割部二级行星传动
整个切割部通过切割电机的两个电机耳以及两个销轴铰接于回转台上。借助安装于切割部和回转台之间的两个升降油缸，以及安装于回转台与机架之间的两个回转油缸，来实现整个切割部的升、降和回转运动，由此切割出任意形状的断面。
(2) 装载部
装载部结构如图8-5所示，主要由铲板及左右对称的驱动装置组成，通过低速大扭矩液压马达直接驱动三爪星轮转动，从而达到装载煤岩的目的。该机构具有运转平稳、连续装煤、工作可靠、事故率低等特点。
装载部安装于机器的前端。通过一对销轴铰接于主机架上，在铲板油缸的作用下，铲板绕销轴上、下摆动,可向上抬起300mm，向下卧底250mm。当机器切割煤岩时，应使铲板前端紧贴底板，以增加机器的切割稳定性。

1-铲板体；2-改向链轮组；3-三爪星轮；4-驱动装置；5-液压马达
图8-5 EBZ150 型掘进机装载部
（3）刮板输送机
刮板输送机结构如图8-6所示，主要由机前部、机后部、驱动装置、边双链刮板、张紧装置和脱链器等组成。刮板输送机位于机器中部，前端与主机架和铲板铰接，后部托在机架上。刮板输送机采用低速大扭矩液压马达直接驱动，在液压回路上设有安全阀，即使有大的岩块卡在龙门上也不会造成机器的损坏，刮板链条的张紧是通过在输送机尾部的张紧油缸来实现的。

1-机前部；2-机后部；3-边双链刮板；4-张紧装置；5-驱动装置；6-液压马达
图8-6 EBZ150 型掘进机刮板输送机
（5） 行走部
EBZ150 型掘进机采用无支重轮履带式行走机构，降低了故障率，提高了机器了稳定性。左、右履带行走机构对称布置，分别驱动。各由11 条高强度螺栓（M30×2、10.9 级）与机架相联。每个行走机构均由液压马达提供动力经摩擦片防滑制动器→三级圆柱齿轮减速器→两级行星减速器→驱动链轮→履带链组成，驱动履带行走。现以左行走机构为例，说明其结构组成及传动系统。如图8-7所示，左行走机构主要由导向张紧装置、左履带架、履带链、左行走减速器、液压马达、摩擦片式制动器等组成。摩擦片式制动器为弹簧常闭式，当机器行走时，泵站向行走液压马达供油的同时，向摩擦片式制动器提供压力油推动活塞，压缩弹簧，使摩擦片式制动器解除制动。为节省辅助时间，提高掘进机效率，本机采用了带负载敏感控制的恒功率变量泵，行走速度可因实际情况在0~8.4m/min 之间变动，从而最大限度的发挥了机器的效能。另外，本机通过使用黄油枪向安装在导向张紧装置油缸上的注油嘴注入油脂，来完成履带链的张紧（油缸张紧行程120mm），调整完毕后，装入适量垫板及一块锁板，拧松注油嘴螺塞，泄除油缸内压力后再拧紧该螺塞，使张紧油缸活塞在掘进机正常工作过程中不会承受张紧力。

1-导向张紧装置；2-履带架；3-履带链；4-行走减速器；5-行走液压马达；6-摩擦片式制动器
图8-7 EBZ150 左履带行走机构
（5）机架和回转台
机架是整个机器的骨架，其结构如图8所示。它承受着来自切割、行走和装载的各种载荷。机器中的各部件均用螺栓或销轴与机架联接，机架为组焊件。
回转台主要用于支承、联接并实现切割机构的升降和回转运动。结构如图8-8所示。回转台座在机架上，通过大型回转轴承用止口、54 个高强度螺栓与机架相联。工作时，在回转油缸的作用下，带动切割机构水平摆动。切割机构的升降是通过回转台支座上左、右耳轴铰接相连的两个升降油缸实现的。
左、右后支撑腿是各通过后支撑油缸及销轴分别与后机架连接，它
的作用有：
a. 切割时使用，以增加机器的稳定性；
b. 窝机时使用，以便履带下垫板自救；
c. 履带链断链及张紧时使用，以便操作；
d. 抬起机器后部，以增加卧底深度。

1-回转台；2-前机架；3-后机架；4-后支撑腿；5-转载机耳架
图8-8 EBZ150 型掘进机机架
(6)液压系统
本机除切割头的旋转运动外，其余各部分均采用液压传动。液压系统主泵站由一台90kW 的电动机驱动一台三联柱塞泵，分别向油缸回路、行走回路、装载回路、输送机回路及增设的锚杆钻机回路提供压力油，主系统由三个独立的开式系统组成。另外系统还设置了文丘里管补油系统为油箱补油，避免了补油时对油箱的污染。液压系统原理如图8-9所示。

图8-9 EBZ150 型掘进机液压系统原理图
(7) 内、外喷雾冷却除尘系统
本系统主要用于灭尘、冷却掘进机切割电机及油箱，提高工作面能见度，改善工作环境，内、外喷雾冷却除尘系统如图8-10 所示。

1-Y 型过滤器；2-球阀；3-减压阀；4-油箱冷却器；5 -耐震压力表；6-蛇形管冷却器；7-球阀；
8-雾状喷嘴；9-线型喷嘴图
图8-10 EBZ150型掘进机水系统原理图
水从井下输水管通过过滤器粗过滤后进入总进液球阀，一路经减压阀减压至后，冷却油箱和切割电机，再引至前面雾状喷嘴架处喷出。另一路不经减压阀的高压水，引至悬臂段上的内喷雾系统的雾状喷嘴喷出，当没有内喷雾时，此路水引至叉形架前方左右两边的加强型外喷雾处的线型喷嘴喷出。内喷雾配水装置安装在悬臂段内，8个线型喷嘴分别安装在截割头的齿座之间；外喷雾喷雾架固定在悬臂筒法兰上，安装有8个雾状喷嘴；加强型外喷雾的喷雾架固定在叉形架前端，安装有8个线型喷嘴。
(8)电气系统
掘进机电控设备主要是由KXJZ-250/1140E矿用隔爆兼本质安全型掘进机用电控箱（以下简称电控箱）和TJ1-24E矿用隔爆兼本质安全型掘进机用操作箱（以下简称操作箱）两部分组成，它们和BAL2-127G矿用隔爆电铃、DGE60/24B型矿用隔爆抗震照明灯、JCB4（B）型甲烷检测报警仪、BZJA2-5/127矿用隔爆型急停控制按钮以及油泵电机、截割电机、二运电机等组成了掘进机电气系统。掘进机电控系统是整机的主要组成部分，与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。掘进机电气控制系统以可编程控制器为控制核心，对截割、油泵、二运三个电机的过压、欠压、过载、三相不平衡、漏电等进行监控和保护甲烷检测报警仪当检测到瓦斯含量超标时，发出告警，要求操作者停车。控制系统具有程序控制、保护模块化、可靠性高、抗震动、抗干扰等特点，电控箱控制器与操作箱液晶显示屏通讯，当工作正常时，显示系统工作电压、各电机运行状态，系统工作电压，油泵、截割电机工作时间等，使掘进机操作者对机器工作情况一目了然。当系统故障时，显示故障状态并有记忆功能，使操作者及维修人员非常容易的判断故障原因。
8.1.4巷道支护方式及支护设备选型
1）巷道支护方式
对巷道掘送的岩石巷道，顶板坚硬且压力不大的，可采用裸体不支护或光爆喷浆支护方式；对于一般岩巷有一定压力的巷道可采用锚杆、锚网、锚喷支护方式；在原始段掘送巷道中提倡锚网、锚网U型钢联合支护方式；对于压力较小的地点，服务时间较短的巷道应推广锚杆锚网支护方式。
2）支护设备选型
掘进时支护：压力较小地点，服务时间较短的巷道应推广喷浆、锚网支护方式。根据不同地点选择相应强度锚杆，科学设置锚杆间排距，锚杆间排距从1m×1m到0.5m×0.5m。压力显现较大地点宜采用的支护方式，为了保证能“支得住、不翻修、少维护”的支护目的，在选择支护方式上宜选择选择支护强度较大的支护方式，如u型钢支护、锚网（索）喷浆u型钢联合支护等，选择锚杆间排距和u型钢棚棚距，要选择较小间排距和棚距。
8.1.5配套设备选型
1)掘进工作面设备选型原则
(1)采掘工作面设备必须适应使用矿井的地质条件。掘进工作面整套设备选型要合理，整体配套后设备生产能力应不小于工作面设计生产能力的1.2倍。
(2)掘进机械成巷宽度、高度、断面积及截割硬度要满足工作面需求。
(3)应使掘进机械对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。
(4)所选设备的所有部件要易于拆卸、安装和井下搬运，在大部件上应提供起吊孔，起吊孔要结实可靠。
2)设备选型
(1)物料运输方式与设备选型
掘进机破岩，掘进机刮板输送机及桥式转载机将渣转载到工作面运输巷内胶带输送机。具体运输线路：掘进工作面（掘进机铲板装渣）→ 掘进机刮板输送机及桥式转载机 →工作面运输巷（胶带输送机） →带式输送机石门（胶带输送机） → 煤仓 → 主井（胶带输送机）→ 地面洗煤厂 → 地面煤仓。
(2)供电设备配置
各种供电设备的额定电压与所在线路上额定电压一致；电缆的额定电压应等于或略大于所在线路额定电压。设备的额定电流或长时允许负荷电流应大于工作中所通过的长时负荷电流。开关电器的极限分断能力应等于或大于出口最大三相短路电流。采用移动变电站要优秀选用节能产品。
(3)巷道局部通风方式及设备选型
压风系统管路的规格按采掘工作面需风量、供风距离、阻力损失等参数计算确定，但管路直径不得小于50毫米。回采工作面进、回风巷和掘进工作面压风管路支管末端距离工作面不大于50米，并采用高压软管接入采掘工作面内。掘进工作面距迎头25~40m距离内设置压风自救装置，其呼吸器数量应至少比该区域工作人员数量多出2台，巷道沿途每100m设置一组供气阀门。长距离的掘进巷道中，在巷道中部根据实际情况增设压风自救装置。回采工作面回风巷在距采面回风巷上安全出口以外25～40m范围内设置一组压风自救装置，进风巷在距采面下安全出口以外50～100m范围内设置一组压风自救装置，其数量应比该区域工作人员数量多2台；巷道沿途每100m设置一组供气阀门。距离较长的可根据实际情况在巷道中部增设压风自救装置。放炮地点、撤离人员与警戒人员所在的位置以及回风巷道有人作业处至少设置一组压风自救装置，每组压风自救装置应可供5～8个人使用。矿井采区设计、采掘工作面设计中应有“压风系统布置图”，图中应标明压风管路型号、长度、压风自救系统及供气阀门型号、安设位置、数量等。