一种锚固前移式快速掘进、支护装置及其工作方法与流程

1.本发明属于煤矿巷道快速掘进设备领域，特别是涉及一种锚固前移式快速掘进、支护装置。


背景技术：

2.煤矿井下绝大多数掘进工作面空间小、工序多、系统多、条件复杂、围岩易破碎，造成掘进面智能化发展严重落后于采煤工作面，因此大大降低了煤炭开采效率。
3.国内仍有部分现存煤矿掘进面依然采用传统施工工艺，即由掘进机单机作业，完成一个工作步以后停机，工人将锚固设备搬运到掘进机前方，完成铺网、接网、上钢带、打锚杆、上药卷等任务，工人的工作条件危险、劳动强度大，掘进机施工工艺复杂缓慢、截割与锚固无法平行作业、工人数量多，因此整体效率低。
4.部分煤矿采用掘锚一体机作业，将两台或多台锚杆钻机连接在掘进机截割臂上，待完成一个工作步以后截割臂停工，通过悬臂机构将锚杆钻机运送到待锚固位置，再由工人上前完成铺网、接网、上钢带、打锚杆、上药卷等任务，这种技术虽然能够降低工人劳动强度，但是前端仍然存在片帮等安全隐患，部分机型配置有临时支撑护板，但安全性依然不足，工人面临的危险依然存在，且掘进机施工工艺复杂缓慢、截割与锚固无法平行作业、工人数量多，因此整体效率低。
5.部分煤矿地质条件较好、几乎无破碎顶板的掘进巷道采用连采机或盾构机施工，这两种技术具备一定的机械化、集成化和自动化程度，都可实现掘锚同步、降低工人劳动强度、作业环境相对安全，但是仅仅适用于条件相当好的煤矿，且巷道形状固定，而我国大多数煤矿井下地质条件复杂，空间小，围岩易破碎，巷道形状需要根据地质条件有适应性地变化。
6.要实现综掘工作面集约、减员、快速、高效、安全施工，必须要让工人远离截割面，降低产尘对工人的身体危害，保障工人在安全的顶板下作业；集掘进、超前支护、永久锚固于一体，使得设备集成化集中控制；采用远程控制、自动截割技术，开发新机型和新工艺适配自动截割技术，提高截割效率；实现掘进、锚固并行作业，提高掘进效率；满足现有巷道的地质条件和需求。


技术实现要素：

7.针对上述存在的技术问题，本发明提供一种锚固前移式快速掘进、支护装置及工作方法，发明超短距离的临时超前支护，并且将动力站集中放置在机身后部，司机远程操作，从而缩短锚固到前端面距离，提升巷道安全性，另外，为了避免行走部频繁调动导致的远程操作实现困难和影响锚固与超前支护的工作，设计三级进给定点截割工艺，完成掘进机一次钻进，定点截割与修形。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锚固前移式快速掘进、支护装置，包括：
行走部，与主框架连接，用于带动整机前进；伸缩截割部，通过滑移回转部设置在所述主框架上部前端，用于实现截割补偿；全断面铲运部，位于所述滑移回转部下方，实现全断面收煤；支撑部，位于掘进机履带前端和后端，用于截割时稳定机身；还包括：超前支护部，位于所述滑移回转部前方，对新截割好的巷道顶板和侧帮进行临时支护，所述超前支护部包括能够交替支撑并平移的两组支护，分别是主支护和辅助支护，其中，所述主支护位于所述全断面铲运部两侧，包括：对称设置在全断面铲运部左、右两侧的两个底座，每个底座上连接有：第一支撑立柱，其底部与底座固定连接，第一支撑立柱的外侧连接有侧支护；第一顶梁，横跨在两个所述第一支撑立柱上方，第一顶梁上方通过若干销轴铰接有第一柔性纵梁；侧向摆动支撑杆，位于所述第一支撑立柱前方，侧向摆动支撑杆的底部通过第一水平杆件铰接在底座前方，上部通过第二水平杆件铰接在顶梁前方；主支护推移导向杆，位于所述底座后方，通过滑套与行走部相连；主支护推移油缸，一端连接在底座上，另一端连接在所述滑套上；所述辅助支护位于行走部上方，包括：第二支撑立柱，底部固定安装在行走部上方；第二顶梁，横跨在两个所述第二支撑立柱上方，第二顶梁上方通过若干销轴铰接有第二柔性纵梁；折叠支地立柱，位于第二支撑立柱前方，上部与第二顶梁通过摆动油缸相连，下部通过竖直油缸与地面接触；所述第一柔性纵梁和第二柔性纵梁的上方设置循环钢梁若干。
9.所述辅助支护的第二支撑立柱与主机连接处增设隔振器。
10.所述滑移回转部上方设置锚杆钻机组，锚杆机组的位置设在在回转台之后，还包括h形锚固支撑框架，所述h形锚固支撑框架的上下两端对称设有可伸缩支撑腿；当掘进机截割前，该h形锚固支撑框架通过可伸缩支撑腿作用到地面和顶板上，将锚杆钻机抬离掘进机独立进行锚固作业；当掘进机前进，该h形锚固支撑框架的可伸缩支撑腿缩回使得h形锚固支撑框架落在主机圆锥安装槽内，主机携着锚杆钻机组前进。
11.所述滑移回转部包括：回转台，通过回转支承与滑移框架连接，位于滑移框架上部前方；滑移框架通过下部两侧的螺栓与滑移支撑导向连接；滑移驱动油缸，一端通过铰耳与所述滑移框架连接，另一端通过铰耳与所述主框架连接。
12.所述全断面铲运部通过伸缩变形和折叠变形适应巷道宽度变化，同时安装有螺旋导料装置，将两侧堆积的煤料导向中间，包括：主铲板；
星轮辅助导料装置，位于所述主铲板上方中间部位，通过液压马达驱动；两个伸缩铲板，对称设有在所述主铲板左右两侧，每个伸缩铲板均通过一个伸缩油缸与主铲板连接，能够实现从主铲板内侧向主铲板两侧外部平移；折叠板，通过铰耳连接在所述伸缩铲板的外侧；螺旋导料装置，设置于所述折叠板上，包括螺旋导料杆，所述螺旋导料杆的一端通过马达安装座与折叠板连接，另一端通过轴承安装座与所述折叠板连接。
13.所述支撑部包括前支撑和后支撑，所述前支撑的固定端与所述行走部外侧铰接，自由端向前伸出，位于所述全断面铲运部下方，所述自由端与地面接触；后支撑通过法兰连接在所述主框架后方，后支撑底部安装有支撑器，支撑器与地面接触。
14.本发明进一步公开了一种所述的锚固前移式快速掘进、支护装置的工作方法，包括如下步骤：s1、在现场准备锚固前移式快速掘进、支护装置施工过程中用的辅助材料，辅助材料包括钢带、锚网和锚杆，先将锚网整理成要求的状态并安放在锚网安装架中；s2、检查机组各关键部位并启动设备，使行走部行驶到合适位置；s3、超前支护部的第一支撑立柱动作，主支护的第一顶梁升起，并托起循环钢梁，使循环钢梁支撑到巷道顶板，同时驱动侧向摆动支撑杆油缸，使摆动支撑杆的立柱位于合适的位置，然后驱动侧支护支撑到巷道侧帮，操作第二支撑立柱升降至合适的高度，既不支撑顶板又不干涉截割部工作，截割过程中辅助支护不工作；s4、驱动全断面铲运部通过伸缩变形和折叠变形适应巷道宽度变化，并启动铲运系统；s5、启动截割部，由行走部向前行驶将截割部首次送入前方煤壁，随后驱动前、后支撑以合适的力撑到巷道底板；s6、截割部上、下、左、右摆动完成施工要求的断面切割工作，并通过滑移回转部前后滑移和伸缩截割部伸缩实现差补截割，使得断面平整且到达满足设计要求的尺寸，截割过程中行走部与地面位置关系应尽量保持稳定；s7、在进行步骤s5的过程中h形锚固支撑框架（12）通过可伸缩支撑腿作用到地面和顶板上，将锚杆钻机抬离掘进机，锚杆钻机组上的若干顶锚杆钻机和帮锚杆钻机同时动作进行锚固作业；s8、完成步骤s6、步骤s7后，第二支撑立柱上升使得第二柔性纵梁支撑到循环钢梁底部，折叠支地立柱的摆动油缸动作，使折叠支地立柱竖直向下，竖直油缸伸出与地面接触，第一支撑立柱降下使得第一柔性纵梁带下最后一根循环钢梁，并离开前部被支撑的循环钢梁底部一定距离，然后驱动主支护推移油缸使得主支护底座带动主支护向前移动一个步距后马上升起第一支撑立柱，使第一柔性纵梁支撑到循环钢梁底部，并在此过程中完成上钢梁动作，此过程中侧支护一直处于带压支护状态；s9、降下第二支撑立柱，并收回折叠支地立柱，使得第二柔性纵梁离开循环钢梁底部一定距离，截割过程中辅助支护不工作，一旦截割时发生特殊情况，顶板需要辅助支护组参与工作；辅助支护的第二支撑立柱与主机连接处增设隔振器以减缓主机振动传递到顶板；
s10、重复步骤s5~步骤s9实现连续掘进。
15.本发明相比现有的巷道快速掘进设备具有以下有益效果：第一．本发明采用超前支护保护未锚固的顶板，将工人锚固施工点移动至超前支护后方，从而使得工人远离截割面，降低产尘对工人的身体危害，超前支护能够保障工人在安全的顶板下作业；由于超前支护保护的顶板还未经过锚固，因此超前支护区域要一直处于支撑保护状态，所以设计了能够交替支撑并平移的超前支护即设置两组支护框架，将其中一组与主机体相连，而另一组则依靠主机体的推动在地面行走，设计这种超前支护必须具备钢梁（6）循环铺设功能，铺设钢梁的机构及钢梁结构形式见本同族专利cn201910870500.3、cn201910675379.9、cn202011551648.x。
16.第二．为了保证顶板的质量和安全，要尽量缩短超前支护区域，并且由于单排的锚杆数量必须足够，截割部摆动工作空间的区域无法安置多个锚杆钻机，因此安置锚杆机组的位置设在在回转点之后。
17.第三．由于截割臂的摆动导致前部可供超前支护下立柱的空间极其有限，截割断面到截割臂摆动回转点之间的立柱不能干涉铲板部的正常工作，因此主支护的前立柱设计为侧向摆动结构，辅助支护前端设计可折叠收回的支地立柱，当主支护组前进时需要辅助支护的折叠支地立柱从上方摆动下来支撑到铲板前方，从而提供给顶板有效的支撑力。
18.第四．本发明方案摒弃了传统掘进机依靠行走部频繁调动位姿完成断面截割的工艺，而是在履带上方设计了一级进给截割平台和使用伸缩截割部保障掘进机在稳定驻机的条件进行截割，这种技术方式既可以提高截割效率同时又避免了掘进机频繁调动位姿，减少对地面重复碾压的破坏，也为掘进机自动截割技术的应用提供了基础保障。
19.第五．本发明还为巷道顶板隔振提出了解决方案，由于辅助支护连接在主机上，而主机在截割过程中振动较大，为勉该截割振动通过支撑立柱传递到巷道顶板从而使顶板破碎和离层，本发明在辅助支护的立柱与主机连接处增设隔振器，同时为了避免截割振动干扰锚固机组施工从而破坏顶板，设计了一种h形锚固支撑框架，当掘进机截割前，该框架支撑腿作用到地面和顶板上，将锚固组整体抬离掘进机独立进行锚固作业，当掘进机前进，该框架支撑腿缩回使得框架稳定落在主机圆锥安装槽内，主机携着锚固组前进。
附图说明
20.图1为本发明锚固前移式快速掘进机结构示意图；图2为本发明整机结构示意图；图3为本发明的柔性纵梁及其与顶梁连接示意图；图4为本发明安装侧支护的主支护结构示意图；图5为本发明不安装侧支护的主支护结构示意图；图6为本发明侧支护安装结构示意图前视图；图7为本发明辅助支护结构示意图；图8为本发明锚杆钻机组与掘进机位置关系示意图；图9为本发明锚杆钻机组结构示意图；图10为本发明滑移截割部以及与主框架连接结构示意图；图11为本发明全断面铲板结构示意图；
图12为本发明的第一顶梁；图13为本发明的第二顶梁。
21.图14为本发明锚固前移式快速掘进机结构工作示意图；其中，1为行走部；2为主框架；3为伸缩截割部；4为滑移回转部；5为全断面铲运部；6为前支撑部；7为后支撑部；8为主支护；9为辅助支护；10为底座；11为第一支撑立柱；12为侧支护；13为第一顶梁；14为第一柔性纵梁；15为侧向摆动支撑杆；16为过第一水平杆件；17为第二水平杆件；18为主支护推移导向杆；19为滑套；20为主支护推移油缸；21为第二支撑立柱；22为第二顶梁；23为第二柔性纵梁；24为折叠支地立柱；25为摆动油缸；26为竖直油缸；27为循环钢梁；28为隔振器；29为锚杆钻机组；30为h形锚固支撑框架；31为可伸缩支撑腿；32为圆锥安装槽；33为回转台；34为回转支承；35为滑移框架；36为滑移支撑导向；37为滑移驱动油缸；38为主铲板；39为星轮辅助导料装置；40为第一伸缩铲板；41为第二伸缩铲板；42为伸缩油缸；43为折叠板；44为螺旋导料杆；45为马达安装座；46为轴承安装座；140为第一柔性纵梁段一；141为第一柔心纵梁段二；142为第一柔心纵梁段三；230为第二柔性纵梁段一；231为第二柔性纵梁段二；232为第三柔性纵梁段三；47为油缸；48为临时超前支护区；49为锚网；50为永久锚固区。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例以及说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
23.如图1、2、3所示一种锚固前移式快速掘进、支护装置，包括：行走部1，与主框架2连接，用于带动整机前进；伸缩截割部3，通过滑移回转部4设置在所述主框架上部前端，用于实现截割补偿；全断面铲运部5，位于所述滑移回转部下方，通过伸缩变形和折叠变形适应巷道宽度变化，实现全断面收煤，同时安装有螺旋导料装置，将两侧堆积的煤料导向中间；支撑部，位于掘进机履带前端和后端，用于截割时稳定机身；超前支护部，位于所述滑移回转部前方，对新截割好的巷道顶板和侧帮进行临时支护，所述超前支护部包括能够交替支撑并平移的两组支护，分别是主支护8和辅助支护9，其中，如图3、4、5所示，所述主支护8位于所述全断面铲运部两侧，包括：对称设置在全断面铲运部左、右两侧的两个底座10，每个底座上连接有：第一支撑立柱11，其底部与底座固定连接，第一支撑立柱的外侧连接有侧支护12；第一顶梁13，横跨在两个所述第一支撑立柱上方，第一顶梁上方通过若干销轴铰接有第一柔性纵梁14；侧向摆动支撑杆15，位于所述第一支撑立柱前方，侧向摆动支撑杆的底部通过第一水平杆件16铰接在底座前方，上部通过第二水平杆件17铰接在顶梁前方；主支护推移导向杆18，位于所述底座后方，通过滑套19与行走部相连；主支护推移油缸20，一端连接在底座上，另一端连接在所述滑套上；如图2、7所示，所述辅助支护9位于行走部上方，包括：第二支撑立柱21，底部固定安装在行走部上方；第二顶梁22，横跨在两个所述第二支撑立柱上方，第二顶梁上方通过若干销轴铰
接有第二柔性纵梁23；折叠支地立柱24，位于第二支撑立柱前方，上部与第二顶梁通过摆动油缸25相连，下部通过竖直油缸26与地面接触；如图2所示，所述第一柔性纵梁和第二柔性纵梁的上方设置循环钢梁若干27。
24.如图2所示，辅助支护的第二支撑立柱与主机连接处增设隔振器28。
25.如图8所示，所述滑移回转部4上方设置锚杆钻机组29，锚杆机组的位置设在回转台之后。
26.如图9所示，锚杆机组还包括h形锚固支撑框架30，所述h形锚固支撑框架的上下两端对称设有可伸缩支撑腿31；当掘进机截割前，该h形锚固支撑框架通过可伸缩支撑腿作用到地面和顶板上，将锚杆钻机抬离掘进机独立进行锚固作业；当掘进机前进，该h形锚固支撑框架的可伸缩支撑腿缩回使得h形锚固支撑框架稳定落在主机圆锥安装槽32内，主机携着锚杆钻机组前进。
27.如图1、10所示，所述滑移回转部4包括：回转台33，通过回转支承34与滑移框架35连接，位于滑移框架上部前方；滑移框架通过下部两侧的螺栓与滑移支撑导向36连接；滑移驱动油缸37，一端通过铰耳与所述滑移框架连接，另一端通过铰耳与所述主框架2连接。
28.如图11所示，所述全断面铲运部5通过伸缩变形和折叠变形适应巷道宽度变化，实现全断面收煤，同时安装有螺旋导料装置，将两侧堆积的煤料导向中间，包括：主铲板38；星轮辅助导料装置39，位于所述主铲板上方中间部位，通过液压马达驱动；两个伸缩铲板，对称设有在所述主铲板左右两侧，每个伸缩铲板均通过一个伸缩油缸42与主铲板连接，能够实现从主铲板内侧向主铲板两侧外部平移；折叠板43，通过铰耳连接在所述伸缩铲板的外侧；螺旋导料装置，设置于所述折叠板上，包括螺旋导料杆44，所述螺旋导料杆的一端通过马达安装座45与折叠板连接，另一端通过轴承安装座46与所述折叠板连接。
29.如图1所示，所述支撑部包括前支撑6和后支撑7，所述前支撑的固定端与所述行走部外侧铰接，自由端向前伸出，位于所述全断面铲运部下方，所述自由端与地面接触；后支撑通过法兰连接在所述主框架后方，后支撑底部安装有支撑器，支撑器与地面接触。
30.本发明相比现有的巷道快速掘进设备具有以下技术特点：第一．本发明采用传统的摇臂截割部，可适应大小、形状多变的断面和复杂的顶底板煤岩结构，适用于国内大多数煤巷的掘进工作；采用超前支护保护未锚固的顶板，将工人锚固施工点移动至超前支护后方，从而使得工人远离截割面，降低产尘对工人的身体危害，超前支护能够保障工人在安全的顶板下作业；第二．由于超前支护保护的顶板还未经过锚固，因此超前支护区域要一直处于支撑保护状态，所以设计了能够交替支撑并平移的超前支护即设置两组支护框架，将其中一
组与主机体相连，而另一组则依靠主机体的推动在地面行走，设计这种超前支护必须具备钢梁循环铺设功能，铺设钢梁的机构及钢梁结构形式见本同族专利cn201910870500.3、cn201910675379.9、cn202011551648.x；第三．为了保证顶板的质量和安全，要尽量缩短超前支护区域，并且由于单排的锚杆数量必须足够，截割部摆动工作空间的区域无法安置多个锚杆钻机，因此安置锚杆机组的位置设在在回转台之后；第四．由于截割臂的摆动导致前部可供超前支护下立柱的空间极其有限，截割断面到截割臂摆动回转点之间的立柱不能干涉铲板部的正常工作，因此主支护的前立柱设计为侧向摆动结构，辅助支护的前立柱设计为可折叠收回的结构，当主支护组前进时需要辅助支护的前立柱腿从上方摆动下来支撑到铲板前方，从而提供给顶板有效的支撑力；第五．本发明方案摒弃了传统掘进机依靠行走部频繁调动位姿完成断面截割的工艺，而是在履带上方设计了一级进给截割平台和使用伸缩截割部保障掘进机在稳定驻机的条件进行截割，这种技术方式既可以提高截割效率同时又避免了掘进机频繁调动位姿，减少对地面重复碾压的破坏，也为掘进机自动截割技术的应用提供了基础保障。
31.第六．本发明还为巷道顶板隔振提出了解决方案，由于辅助支护连接在主机上，而主机在截割过程中振动较大，为勉该截割振动通过支撑立柱传递到巷道顶板从而使顶板破碎和离层，本发明在辅助支护的立柱与主机连接处增设隔振器，同时为了避免截割振动干扰锚固机组施工从而破坏顶板，设计了一种h形锚固支撑框架，当掘进机截割前，该框架支撑腿作用到地面和顶板上，将锚固组整体抬离掘进机独立进行锚固作业，当掘进机前进，该框架支撑腿缩回使得框架稳定落在主机圆锥安装槽内，主机携着锚固组前进。
32.具体实施步骤如下：步骤1.首次运行，将掘进机行安置距离断面一定位置处，侧向摆动支撑杆油缸向外展开适应铲板宽度；步骤2.升起主支护的立柱油缸，使纵梁带动钢梁支撑到顶板煤岩，伸出侧支护支撑到侧帮煤岩，辅助支护此时不动作；步骤3.行走部马达动作，推动掘进机前移，让截割头钻进煤壁；步骤4.滑移进给油缸和伸缩截割部联动动作，完成断面截割和轮廓修整；在步骤3~步骤4的过程中，伸出框架支撑腿，撑到顶板和底板后，继续使上、下支撑腿联动动作，使框架体向上离开安装槽，随后工人开始锚固工作；步骤5.截割完成后进给机构依次缩回，h形锚固支撑框架缩回，直到h形锚固支撑框架完全回到安装槽，辅助支护的折叠立柱向下摆动支撑到地面，升起辅助支护的立柱油缸，使其纵梁到达支撑状态；步骤6.主支护立柱油缸降下，脱离支撑状态，主支护推移油缸动作，将主支护向前推进，若期间巷道宽度变化，则相应的改变侧向摆动支撑杆油缸的角度和侧支护的角度，期间侧支护一直处于带压支护状态，然后升起主支护立柱油缸，回到支撑状态，辅助支护离开支护状态；步骤7.在步骤5~步骤6之间完成专利cn201910870500.3、cn201910675379.9、cn202011551648.x描述的上钢梁动作；重复步骤3~步骤7，完成巷道的连续快速掘进。
33.注：掘进机截割过程的前、后支撑，铲板，一运，二运，喷雾，通风等工作内容已是普遍成熟技术，本文不做详尽描述，并不代表本技术方案不具备这些功能。