張素玉

(北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

近年來,隨著國家對安全生產工作的高度重 視,“以人為本”的理念深入人心,煤礦生產安全事故,尤其是重特大事故大幅下降[1]。然而,由于地質條件、人員素質、安全管理等多方面的原因,水、火、瓦斯、粉塵、頂板等生產事故仍時有發(fā)生,嚴重威脅著井下人員的生命安全,挑戰(zhàn)著煤礦的安全生產管理工作[2-5]。

經過多年的發(fā)展,在煤礦采煤、運輸等生產環(huán)節(jié)方面,機械化、數字化、智能化的裝備已經在煤礦大面積推廣,然而,事故救援方面的裝備及技術發(fā)展相對緩慢,事故救援中使用的裝備仍為常規(guī)的采掘類裝備,專業(yè)性、針對性不強,效率不高,影響關鍵時刻搶險救援的效率[6-7]。

煤礦及其他礦山的實踐一再證明,各種安全事故發(fā)生之后,若能及時施救,就可能避免大的人員傷亡。

2010-08-05智利33名礦工被困于圣何塞銅礦距地面700 m 的井下坑道內,經過65 d緊張搶救,被困33名礦工全部獲救,創(chuàng)造了被困地下時間最長,且成功生還的世界記錄。該救援過程中使用了大量新技術、新裝備,如30 t大型鉆機、鳳凰號救生艙(見圖1)、中國制造的SCC4000履帶式起重機(見圖2)等,對成功救援起到了重要作用。

圖2 SCC4000履帶式起重機

2009年6月,大同煤礦集團四老溝礦2309巷108處發(fā)生冒頂事故,8 名礦工被困,如圖3所示。同煤集團立即啟動了事故應急預案,利用塌落形成的有限空間恢復了通風,向遇險人員所在方向打鉆形成生命通道。與此同時,在巷道的側面緊急掘進并支護形成救援通道,經過奮力搶救,被困8名礦工成功脫險,但在事故救援過程中暴露的問題是救援裝備尤其是掘進過程中的出矸裝備針對性不強,仍為生產中使用的普通鉆機、刮板運輸機和耙斗裝巖機,沒有專用救援設備,如果有專用救援設備,救援用時還能繼續(xù)縮短。

圖3 四老溝礦冒頂事故示意

在掘進過程中,當煤礦瓦斯突出、沖擊地壓、冒頂等事故發(fā)生后,人員傷亡并不全由礦難事故直接造成,很大部分是由于現場工況惡劣、搶險救援裝備不足,救援工作難以開展,以致被困人員因溺水、有害氣體中毒、缺少給養(yǎng)而死亡。若搶險救援工作能夠及時開展,將挽救大量被困人員[8]。本文研究了一種適用于煤礦應急救援的扒裝式救援裝載機,可用于救援過程中低矮巷道掘進時及時出矸。

1 主要研究內容

本文研究的救援用裝載機,主要用于災害現場清理冒落物、出矸,平時可放置于掘進巷道中,作為生產掘進裝載機使用。發(fā)生災害后,需要清理塌落矸石時,可快速運至事故現場。裝巖機最小適用巷道寬度為3 m,高度為2.5 m。

救災現場空間窄小,必須從總體上合理布局動力系統、傳動系統、液壓系統、控制系統、冷卻系統和駕駛操控等系統,使整機機構緊湊,日常維護、維修方便,提高整機的性能和可靠性。

2 整體解決方案

裝載機關鍵組成系統如圖4所示。整體結構主要包括扒裝系統、液壓油缸系統、行走系統、運輸機系統、動力系統等關鍵部件組成。

圖4 裝載機關鍵組成系統

通常救援現場空間窄小,為了降低機器高度,將電機等動力裝置布置在機器的下部,為此,在機體部設計了懸翼,用法蘭固定電機與油泵,并將機器底盤與系統液壓油箱設計成一體,有效地利用空間,縮小機器體積。

采用裝卸分離、由機器的不同機構完成的方式,可使機器裝載時機身處于靜置狀態(tài),從而進一步降低機器的工作高度,實現了小斷面巷道的裝、卸載一體化,機器的適應性好,具有一定的創(chuàng)新性。

2.1 裝載機構的型式選擇

常規(guī)的裝載機構有4種:正鏟側卸式,正鏟后翻卸載式,星輪式,扒爪式。本文選擇扒爪式裝載機構,考慮裝載寬度問題,選擇整個扒爪機構一起水平擺動的裝載機構,并在裝載口設計擋料板,在不加寬機身的情況下,增大了機器的有效裝載寬度,提高了機器的工作能力和適應性。

2.2 輸送機構的型式選擇

部分斷面掘進機多采用刮板鏈式輸送機構,鏈條多用高強度圓環(huán)鏈。此種運輸方式輸送煤等破碎物效果好,但在運送巖石時容易發(fā)生卡阻,采用套筒滾子鏈刮板鏈式輸送機構可以較好地解決這一問題,因此,本裝巖機輸送機構采用套筒滾子鏈刮板,采用獨立的驅動方式,即將電動機或液壓馬達布置在輸送機的一側。

2.3 行走機構

煤礦常用行走機構有邁步式、導軌式和履帶式幾種。由于救援工作環(huán)境惡劣,本裝巖機采用履帶式行走機構,用液壓馬達直接驅動。

2.4 裝巖機液壓系統設計

液壓系統是裝載機能夠可靠使用并完成各個部件功能的關鍵。在仔細研究裝載機各項工況的基礎上,進行了裝載部、行走機構、運輸機構的載荷計算,設計了詳細的液壓系統圖并反復模擬。部件、系統采用力士樂LUDV 控制系統,該套系統效率高、節(jié)能,各執(zhí)行元件的流量只與操作系統的開口大小有關,與單個元件的負載無關[9]。

2.5 救援中一些特殊功能要求的設計

由于搶險過程中,可能涉及到要破碎大塊巖石、進行剪切等,在液壓系統設計中,增設了輔助功能回路,在這一回路中,可以插接液壓錘、液壓剪等機具,使機器能更好地適應搶險的需要。裝載機主要技術參數見表1。

表1 救援裝載機技術參數

3 出廠試驗

裝載機組裝完成后,依據JB/T5503—004和Q/CYZMK018—2010標準,進行了出廠試驗。

3.1 試驗條件

選取平整開闊場地,長度為20 m,寬度為5 m,坡度不大于7‰;試驗場前堆積的巖石高度1.5～2 m。另準備坡度16°,長度不小于10 m,寬度不小于5 m 的斜坡進行爬坡能力測試。

配套材料及設備:不少于60 m3矸石;1.5 t礦車3輛;足量電纜。

3.2 主要參數測試

(1)寬度適應性試驗。試驗機器應具有在水平面平移并能準確裝載的能力。

(2)爬坡能力。機器以前進方式上至16°斜坡,可穩(wěn)定停車、繼續(xù)前進、后退下坡;機器以倒退方式上至16°斜坡,可穩(wěn)定停車、繼續(xù)后退、前進下坡。以上兩種方式分別試驗3次,機器需運行良好,無故障發(fā)生。

(3)液壓系統試驗。液壓系統試驗包括空載壓力試驗、負載壓力試驗和耐壓試驗?？蛰d壓力試驗,即不進行裝載作業(yè),油缸系統、行走系統、運輸系統空載運行,試驗系統的準確性和連貫性,并記錄最大系統壓力;負載壓力試驗,即系統滿負荷裝巖(≥70m3/h),試驗系統連續(xù)工作能力和可靠性,記錄最大工作壓力、油溫、噪聲;耐壓試驗時,液壓系統壓力調至25 MPa,將控制手柄推至極限位置,使油缸或馬達憋壓1 min,系統沒有滲漏或損壞。

(4)穩(wěn)定性試驗。在工作機構大臂、鏟斗伸出狀態(tài)下,運輸機下放至機器行走位置,測量機器前部與地面間隙,機器行走穩(wěn)定。

(5)負載試驗。裝載機在場地內進行裝載作業(yè),連續(xù)運行40 h,機器無故障。

4 結 論

煤礦事故災害的類型、事故引起的破壞程度、發(fā)生事故的地質條件等的不同,所采用的救援技術和裝備也不盡相同,因此,需要多種型式的救災裝備。試驗證明,扒裝式救援裝載機各項技術性能全部達到設計要求,為煤礦救災清障提供了有效的裝備。

(1)本裝載機的研發(fā)成功,為煤礦救援提供了一種新的清障裝備,對提高搶險救災裝備水平,具有重要意義。

(2)采用裝卸分離、由機器的不同機構完成的方式,使機器可在高度不低于2 500 mm 的巷道工作,實現了小斷面巷道的裝、卸載一體化,機器的適應性好。

(3)LUDV 系統的應用,提高了系統效率,降低系統溫升,并可平順實現復合動作,提高了操縱性能,使機器的效率、適用性提高明顯。

(4)本機只在生產現場進行了工業(yè)性試驗,由于條件的限制,還沒有在搶險救災現場使用,因此,本機對救災現場的適應性,還需進一步驗證。