悬臂式掘进机施工选择与技巧

2.2.1　悬臂式掘进机施工与选型

我国的机械化掘进按照机械化程度不同可分为普通掘进机械化和综合掘进机械化。综合掘进机械化是利用悬臂式掘进机进行落装岩石，通过桥式胶带转载机和其他运输设备运送岩石。用人工、托梁器、架棚机安装支架，利用绞车、单轨吊、卡轨车、铲运车、电机车运送支护材料和器材，用局部通风机进行压入式通风，用除尘风机进行降尘。悬臂式掘进机工作过程如图2-15、图2-16所示。

图2-15　臂式掘进机开挖与支护平行作业示意图

图2-16　臂式掘进机开挖作业示意图

1.悬臂式掘进机的切割方式

悬臂式掘进机的主截割运动是截割头的旋转和截割臂的水平或垂直摆动的合成运动，如图2-17所示。

（1）掏槽切割

截割机构工作时首先要在工作面上用截割头进行掏槽，然后按一定方向摆动悬臂，掘出所需要的断面。

图2-17　主截割运动方式

纵轴掏槽时，切割头的推进方向与切线力方向近似成直角，需要的力较小，切割力来自切割臂伸缩机构。掏槽可在断面任意位置，在一个工作循环中，最大掏槽深度为截割头长度，煤层时一般推荐为截割头直径的2/3，割岩时为截割头直径的1/3。

横轴掏槽时，切割头推进方向与切线力方向几乎一致，由于是两个切割头同时工作，需要的切割力较大。掏槽可在工作面的上部或下部进行，但截割硬岩时应尽可能在工作面上部掏槽，切割成水平槽，最大掏槽深度为截割头直径的2/3。掏槽时，截割头需做短幅摆动，以截割位于两个截割头中间部分的煤岩，因而操作较为复杂。

（2）工作面切割程序

切割程序指截割头在巷道工作面上切割岩石的移动路线。切割程序取决于巷道断面大小、煤岩硬度、顶底板状况、矸石夹层分布等工作面条件和技术规范。研究表明，沿着阻力最小的方向切割能耗最小。层状岩石时，应沿层理方向切割；若为水平层面，横向切割最有利；若为倾斜层面，纵轴式切割可先切割软岩，有了自由面后再切割硬岩，横轴式也应从软岩层入切，然后横向左右运动切割，如图2-18中的箭头所示。

图2-18　切割倾斜岩层时截割头的运动方式

不论纵轴式还是横轴式，在整个工作面上的切割方式都是自上而下或者自下而上，在同一切割层上是左右摆动。多数情况下采用自下而上方式，有利于装载和机器的稳定，提高生产率。掘进半煤岩巷道时，应先从煤层钻进，再卧移切割至地板下角，切底掏槽，增加自由面。

2.机械化掘进作业线及设备配套

悬臂式掘进机的主机效率一般比较高，但如果掘进设备不配套，掘进速度仍然上不去。因此，在选用悬臂式掘进机施工时，除合理选择掘进机外，还要综合考虑其他系统设备的合理性，如煤岩的运输、材料设备的辅助运输、巷道支护、通风防尘、供电等，这些设备必须相互配套，形成完整的综合机械化掘进作业线，才能提高掘进效率。

配置设备主要包括掘进机、转载机、运输设备、支架机（或锚杆机）、激光指向仪、瓦斯断电仪、除尘器、辅助运输设备和电气系统等，其中最主要的是运输设备配套。根据运输设备的不同，可有不同形式的机械化掘进作业线。如：

（1）掘进机+桥式胶带转载机+可伸缩胶带输送机作业线；

（2）掘进机+桥式胶带转载机+刮板输送机作业线；

（3）掘进机+梭车作业线；

（4）掘进机+吊挂式胶带机+矿车作业线。

以上作业线又叫综合机械化掘进作业线，简称综掘。

3.掘锚联合机组

实践表明，现有的悬臂式掘进机虽然能够提高掘进速度，但受其利用率的影响，综合效率仍然较低，其主要原因是支护作业的影响。因为现有的悬臂式掘进机只能掘装运，不能支护，达不到连续掘进的要求。因此，既能掘进又能支护的掘锚联合机组便应运而生。1970年以来，世界上多个国家都在努力研究各种不同形式的掘锚机组，有的可实现割锚同时作业，有的只能单行作业。其中有代表性的是奥地利阿尔卑尼公司生产的ABM20型掘锚机组，如图2-19所示。它能较好地实现掘进与支护平行作业，大大提高开机率和生产效率（最高班进105m），使操作工人安全性大为提高，是今后掘进技术的一种发展方向。(www.xing528.com)

4.悬臂式掘进机的选择

（1）悬臂式掘进主要参数

悬臂式掘进机的主要参数有生产能力、适用的煤岩硬度、切割机构功率、最大工作坡度、机高、可掘巷道断面、机重等，见表2-1。机器的重量与切割功率匹配，其大小直接影响机器的工作稳定性。

图2-19　ABM20掘锚机组

1—可升降临时支护；2—侧帮锚杆机；3—顶板锚杆机；4—截割滚筒伸缩部分

表2-1　掘进机主要参数表

（2）煤岩的种类及特性

1）煤岩的抗压、抗拉强度：岩石强度高、能耗大、速度慢。用于采全煤的掘进机可以选择横轴式的截割头，截齿的排列较少，螺旋线的节距大，截齿较长，有利于提高效率。用于半煤岩巷道的掘进机优先选择纵轴式的截割头、截齿排列密、螺旋线的节距小、截齿短合金头大的机型，有利于巷道成形好，便于煤岩兼顾。

2）煤岩的比能耗：比能耗用于判断岩石的可钻性。比能耗小，切割效率高；在给定的切割深度和切割间距下，比能耗与切割成正比。

3）煤岩的抗磨蚀性：磨蚀性是岩石对刀具摩擦磨损的能力，通常用研磨系数表示，研磨系数越大，截割阻力越大，对刀具的磨损越严重。

4）岩石的坚固性系数f：它主要反映岩石的抗压强度大小。坚固性系数越大，切割越困难。目前部分断面中型掘进机的截割硬度为f＝4～8，选择掘进机时，为提高可靠性可加大一个硬度系数。当切割硬岩时，要选择机器重量大的机型，因为机重对切割时振动和工作稳定性起重要作用。

（3）巷道断面形状及大小

1）断面形状：一般来说，悬臂式掘进机可掘进任何断面形状的巷道，但有的机器只能切割出矩形断面的巷道，如掘锚机组。

2）断面大小：每种掘进机都有一定的范围，其下限由机器作业最小尺寸决定，上限是机器位于巷道中部位置不动，切割头可掘出的最大断面。

一般小断面巷道应大于掘进机适应断面的15%～20%，或不小于掘进机外形尺寸宽度加1m，高度加0.75m的要求。

大断面巷道小于掘进机适应断面值即可，但必须满足最大截割高度的要求。如掘进宽度过大，将频繁地调动掘进机，影响掘进效率，此时可考虑分步掘进。

（4）巷道支护形式

巷道需要支护，掘进机必须具有装备适合支护系统的结构和与支护系统相适应的切割工艺过程。如巷道支护为锚杆支护系统，那么掘进机应当装备有供锚杆钻机作业的动力源，如果是金属支架，掘进机必须切割出正确的巷道断面形状，以利于支护支架的安装。除此之外，掘进机应该配备有助于支护金属梁的机构（如在切割悬臂上附加托梁器等）。当然最好是采用掘锚机组，它本身具有掘、支、运综合功能。

（5）底板条件和倾角

1）底板条件：选用悬臂式掘进机时，底板松软不利于掘进机正常行走推进。掘进机履带接地比压在45～200kPa范围内，使用时应根据隧道底板坚硬情况在此比压范围内选择机型，即松软岩层宜选用较小的接地比压。掘进机非作业状态的履带接地比压称为公称比压，但机器在作业时的真实比压常常是公称比压的3～5倍。按标准规定，一般接地比压量不大于0.14MPa。

2）倾角：掘进机要适用掘进上、下山的坡度，在不同倾角下作业，按我国标准，要求其爬坡能力在±16°范围内。倾角小于6°的巷道可以正常选择，6°～15°坡度的巷道需要选择牵引力较大、带停机制动器的掘进机，以满足上坡时有足够的牵引力和下坡时的及时制动。

（6）其他

巷道的拐弯半径必须大于或等于所选机型所要求的拐弯半径。隧道越长，使用全断面掘进机的优越性越大。对于不长的隧道，若别的工程条件适宜时，采用悬臂式掘进机是适宜的。

另外，还应考虑工程进度、生产能力对机器的要求，以及配件供应、维修能力、职工素质等因素。