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转载：地下矿山无轨采矿设备的发展与创新
地下矿山无轨采矿设备的发展与创新
转自：矿业装备网站
□ 王荣祥& 任效乾&
太原科技大学&
20世纪60年代，世界几个先进国家开始在地下矿山推广使用无轨采矿设备，使矿山生产工艺发生了一场“革命”，生产效率大幅度提高，并改善了矿山安全环卫条件。
地下矿山无轨采矿设备，是指具有不需轨道的行走机构(轮胎和履带)的自行式设备。矿山坑道和采场使用这种设备，不需铺设轨道和架设牵引导线；可采用旋线斜巷开拓方案，缩短矿山投产建设时间；无轨设备出矿，能够简化采准巷道布置和采场底部结构，减少运输巷道和溜井的数量；无轨自行设备机动灵活，一机多能，从而减少采、装、运设备的总数，提高了设备利用率，减少了维修工作量和备品配件的库存；无轨设备系统易于实现采掘作业全面机械化，生产效率高，工作人员少，并改善了生产安全条件。
根据用途不同，无轨采矿设备分为主体设备(钻孔、铲装、运输等设备)和辅助设备(装药、锚杆、喷浆等设备)；以掘进钻车、采矿钻车、装运机、铲运机和运矿车为主体的采矿设备。其技术水平和开拓创新，直接影响矿山生产的发展、以及经济效益和社会效益，已成为矿业装备行业关注的重点。
掘进凿岩钻车与采矿凿岩钻车
凿岩钻车是随着采矿工业不断发展而研制的一种高效凿岩作业设备。最早出现于19世纪50年代，经过几年生产实践考验之后，1960年得以迅速推广。这种设备是一种将一台或几台凿岩机连同自动推进器一起***在特制的钻臂上，并配有行走机构(轮胎式或履带式)，使凿岩作业实现了机械化，减轻了工人的劳动强度。
凿岩钻车广泛应用于矿山巷道掘进和采矿作业中，也可用于铁路交通隧道掘进、水利工程和国防工程施工中。随着矿山凿岩爆破工艺的不断改进，凿岩钻车在生产建设中越来越凸显其优越性。
掘进凿岩钻车
掘进凿岩钻车的钻臂指向前方，主要用于开凿矿山巷道和铁路交通隧道。20世纪70年代以前，我国先后研制成功8种掘进凿岩钻车，但多数为轨轮式行走机构。此后，在广泛吸收国外先进技术的同时，结合我国矿山生产实际情况，将液压传动技术应用于凿岩钻车，成功设计并制造了轮胎式自行掘进凿岩钻车。这一时期矿山生产使用的自行式掘进凿岩钻车有单臂、双臂、三臂和四臂几种型式。使用实践证明，三臂和四臂式在工作现场所需辅助时间较多，而单臂式工作效率较低；同时认为履带式行走机构比较笨重，机动灵活性较差，所以，轮胎自行式双臂掘进凿岩钻车成为主要机型。
进入20世纪80年代，改革开放政策促进了矿业开发，矿山机械制造业随之迅速发展。特别是液压技术水平大幅度提高，陆续研制成功几种导轨式液压凿岩机，使行业对过去采用压气驱动的凿岩钻车进行更新换代创造了条件；同时，还从瑞典、芬兰和法国引进了几种技术先进的凿岩设备。在借鉴国外先进技术的基础上，国内几个厂家研制成功一批“全液压”型掘进凿岩钻车。这类钻车成孔效率较高，操作性能好，安全可靠，并改善了工作条件。
进入21世纪以来，“十五”和“十一五”国民经济计划的胜利完成，使各行各业对能源材料的需求剧增，因而促使矿业开发和矿业装备得以高速发展。为了满足矿山生产建设需求，张家口矿山建设机械公司、宣化华泰矿冶机械公司、石家庄煤矿机械公司和南京风动凿岩机械公司等分别研制了CMJ系列、NH系列和HT系列掘进钻车。
新一代掘进凿岩钻车在采用液压传动技术方面有很大改进，充分展现了设备结构紧凑、机动灵活、工作稳定、移动性能好，爬坡能力强等特点，大幅度提高了施工效率和施工质量，并改善了现场工作条件。
采用现代设计方法，进一步提高液压化和自动化水平，实现“一机多用”和“一机多能”，是掘进凿岩钻车创新发展的主要趋势，并已取得一定成绩。
（1）钻撬一体。当掘进凿岩钻车进入经过爆破出渣后的工作面，准备钻孔之前，必须首先处理顶板和两帮浮石(现场称撬毛)。钻车前端加装的专用工作台可为这一工作提供方便，大大减轻了工人的劳动强度。
（2）钻锚一体。当工作面顶板需要采用锚杆加固支护时，钻车的工作机构即可钻凿锚杆孔，并按要求装卡锚杆；不需再用专用锚杆钻机进入工作面。既提高了设备利用率，节约了设备投资，又缩短了凿岩爆破的辅助工作时间。
（3）钻铲一体。掘进工作面出渣或处理顶板及边帮后，经常遗留一些散碎岩石，带有铲斗的工作机构，即可很方便地清除岩石，保持工作面整洁，以利于凿岩钻孔工作。
采矿凿岩钻车
采矿凿岩钻车的钻臂指向上方或两侧，主要用于采场钻凿落矿炮孔工作。其应用和技术发展提高了采矿工作效率和矿产资产资源回收率，加快了回采工作速度，也推进了采矿工艺改革。采矿工艺方法不同，所用采矿凿岩钻车的结构型式也不同，采用较多的是单臂式或双臂式两种，早期的采矿凿岩钻车采用压气驱动。20世纪80年代以后，已普遍采用液压传动技术。
“九五”和“十五”期间，我国冶金矿山生产高速发展，采矿工艺方法也有改革创新，从而促使采矿凿岩钻车的设计制造技术水平上了一个新的台阶。大部分钻车更新换代，液压钻车成为主导机型，钻孔直径由30～50
mm提高到50～80 mm；钻孔深度由3～15 mm提高到15～30
mm；并引入电--液控制技术，定位系统可靠，钻孔精度较高，可在大断面一次稳车钻凿中深平行孔，大幅度提高了单位爆破产量。
在地下矿山采掘装运作业的各环节中，凿岩钻车是实现“地下无人矿山”的关键设备之一。地下矿山自行式凿岩钻车的创新发展趋势可概括如下：
（1）采用现代设计方法，进一步提高钻车的液压化、自动化、智能化和结构模块化设计水平；实现自动定位，自动开孔，自动接杆，达到设定孔深自动返回，自动卸杆。
（2）设备制造采用新材料、新工艺，强化钻车的稳定性和可靠性，提高钻车对岩石条件变化的适应能力；并可自动处理卡钎故障和进行参数补偿。
（3）采用“机--电--液”一体化和数控技术，提升钻车的状态监测和故障诊断分析能力；保证钻孔精度和成孔质量，及时反馈和调整钎具的冲击功、冲击频率、轴压及反弹力等参数，确保在一个循环过程中，整个钎具链中的任一环节都不会损坏，以使“无人矿山”成为可能，并提高采掘作业效率。
&地下装运机和铲运机
在地下矿山的“钻爆--铲装--运输”工艺循环过程中，铲装工作所占工时比例最大，一般可达50%～60%。研制适用的高效铲装设备，历来是行业关注的重点。轮胎自行式铲装设备的出现，使采掘作业效率大幅度提高；特别是在“端部放矿--溜井卸矿”工艺系统中，可使出矿效率达到或接近最大化。
装运机(有储仓装载机)
20世纪60年代，国外先进矿山在无轨采掘系统中开始广泛使用有储仓装载机(即装运机)。这种设备多数采用压气驱动；前端是个可实现后卸的铲斗，后面是承接矿岩的储仓；一般以3～5斗装满储仓，然后驶往溜井卸矿。如此往返，在100～200
m运距范围内，其工作效率可达耙矿绞车出矿效率的3～5倍。
20世纪70年代初，我国引进这种设备并很快实现“国产化”。在借鉴瑞典T2G和T4G型装运机技术的基础上，制造出ZYQ-12和ZYQ-14型装运机。后来有些厂家对其行走系统进行改进，研制出可原地转向的C-30和C-50型装运机。
由于这种装运机结构简单，机动灵活，操作和维修方便，很受生产矿山欢迎；20世纪90年代以前，我国很多矿山都采用这种设备。至今，有些小型矿山仍在使用。
铲运机(无储仓装载机)
由于装运机后面拖着供气软管，运输距离受到限制，不能满足大型矿山的出矿要求。20世纪80年代我国从波兰引进一批内燃机驱动的LK-1型铲运机，并在一些矿山试用后很快“国产化”，制造出我国第一代铲运机。
这种铲运机没有“尾巴”，在工作面调度方便，其经济运输距离可达300～400
m，大大增加了使用运行范围，从而可以减少采场溜井布置数量，节约井巷开凿工程投资。
由内燃机驱动的铲运机没有储矿仓，设备前端装有一个大容积铲斗，装满后直接驶往溜井卸载，一机同时具有“装--运--卸”功能。由于铲运机多采用前后两部铰接车架，油缸牵动车架折腰转向，所以整机转弯半径较小，机动灵活，爬坡能力强，对于地下矿山较恶劣的工作条件，适应性较好。
从“九五”国民经济建设时期开始，国内一些制造厂家对地下铲运机陆续进行全面改进和创新。首先是研制大型电动铲运机，对内燃机驱动的铲运机进行更新换代。
在地下矿山采场，往返穿梭运行的内燃铲运机所排放的尾气对工作环境污染很严重；特别是尾气中所含致癌物质，对人的生命有严重危害。所以采用电力拖动的地下铲运机应运而生。在引进德国GHH公司、美国Eimco公司和Wagner公司先进技术的基础上，结合我国国情，研制出一批适用、高效的铲运机。
进入新世纪以来，衡阳力达机械公司、南昌通用机械公司、金川金格车辆公司和北京安期生技术公司等，采用现代设计方法和先进制造技术，分别研发出CY系列、CYE系列、WJ系列、WJD系列、JCCY系列和ACY系列等地下铲运机。无论是内燃铲运机还是电动铲运机，在规格型号、整机结构、技术性能等方面，都已赶上国外先进水平，完全可以满足矿山生产需要。
地下铲运机是设计制造技术比较复杂的矿山设备之一。近年来，随着采矿工业的迅速发展，铲运机进入一个新的发展时期，技术发展的重点是提升自动化水平，改善作业条件，体现以人为本；严格贯彻安全环保节能标准规范要求；开发适应不同工作环境的新产品、新装备。铲运机发展创新的趋势可以概括如下。
（1）开发性能良好、多种用途、多种功能、适应性较强的机型。设计换装简便的工作机构，例如可装配不同铲斗、可装叉爪、可装碎石机和工作平台等，以便进行采掘工作面清顶和修理巷道壁面等工作。此外还应研制适用于高温、薄矿层、含有燃爆气体等工作场所的铲运机。
（2）开发充电式高储能铲运机。电动铲运机没有尾气排放污染问题，也没有烟雾和气味，温升较低，噪声小，牵引能力较大，维修工作量较小，设备完好率较高。但是电动铲运机拖曳着一条动力电缆，限制了设备的运行范围，而且会车时容易发生“绞缆”事故。如果铲运机装有功率较大的充电储能装备(如高能电池等)，其使用性能和适应性能即可显著优于内燃铲运机，一定更受欢迎。
（3）提升铲运机自动化程度和工作可靠性，改善作业条件，实现“人性化”运行。地下矿不同于露天矿，实现采掘作业自动化，必须克服一系列特殊困难。需要研制适用的由计算机硬件、软件和通讯系统组成的、可以完成全部工艺过程监视和控制的系统装置；车载电脑可以判断环境，在全程目标内指挥铲运机离开巷道墙壁，找到溜井卸载，并准确返回待装岩堆；实现远距离控制，甚至无人操纵的全程自动控制。
（4）研制节能降耗、安全环保、人性化的新型铲运机。对于内燃机驱动的铲运机，
改进增压中冷技术、燃油喷射电控技术、变形蜗轮增压器技术和发动机燃烧低排放等技术，优化节能降耗效果。对于大型铲运机，采用封闭、隔音、防振、带空调、防倾翻及防落石的驾驶室；同时加大内部空间，减小反光率；尽量简化操纵杆件和按钮。遵照人机工程学原理，美观科学地布置仪表，设计可调整、可转动、悬浮式座椅，以增加驾驶员的舒适性和扩大能见度，减轻操作疲劳，防止发生事故，提高铲装作业效率。
自行矿车和运矿卡车
地下自行矿车和运矿卡车是无轨采矿工艺的主要设备之一。采用这种设备运输矿岩，不但可以提高矿山劳动生产率和总产量，促进矿山生产规模不断扩大，而且还可以改变矿山的采矿方法和掘进运输系统，促进地下矿朝着全面无轨开采的综合机械化方向发展。
自行矿车(梭车)
自行矿车也称梭车，其宽度和高度较小，机动灵活，工作可靠；可供运输煤炭和任何块度和硬度的、磨蚀性较强的矿岩之用。电动自行矿车靠电缆供电，最大运距为400～500
m；内燃机驱动的自行矿车，最大运距可达1 000 m。在条件适宜的小型矿山，后者使用数量较多。
自行矿车(梭车)在国外最早出现于20世纪60年代，我国于20世纪70年代在引进并研究国外先进技术的基础上，开始研制适合我国矿山使用的自行矿车(梭车)。到20世纪80年代国内有些矿山开始使用国产的自行矿车，其相应生产率为400～500
t/班。这些自行矿车的箱容为3～10 m³，装载质量为5～25 t，爬坡能力为10°～15°，最小转弯半径为9～10
m，适用巷道的最小高度为1.5～1.8 m，运行速度为5～15
km/h；车体底部装有单链或双链板式输送机，可实现自动连续卸下矿岩。
多年的矿山生产实践证明，由于这种自行矿车结构比较复杂，维修工作量比较繁重，整机自重较大，车体和输送机磨损强烈，而且转弯半径较大，行驶速度较低；除少数小型矿山还在使用外，大部分已被各种规格的轨轮式梭车所代替。
运矿卡车(矿用汽车)
运矿卡车与自行矿车不同，其后部是个大车箱，采用铰接车架，装载质量较大，较大车型可达70～80
t。运矿卡车与普通卡车相比，车身较矮，四轮驱动，一般车型全高为2～3 m；爬坡能力强，折腰转向，转弯半径较小。
运矿卡车的卸载方式分为推卸式和后卸式两种。推卸式卡车的车箱，其底部有一个可伸缩的底盘和推板；卸载时，液压缸驱动推板，将物料从车箱后端卸下，而车箱不必倾翻。后卸式卡车的车箱，可由液压缸顶起向后倾翻，实现卸料。由于推卸式运矿卡车结构比较复杂，而且卸载高度较低，使用范围有一定局限性。近年来，后卸式运矿卡车成为使用最广泛的机型。
国外一些先进矿山于20世纪60年代就已使用25
t级的自卸运矿卡车；随着现代汽车技术、计算机技术和电控技术的迅速发展而不断完善；驱动内燃机由风冷进化为带故障诊断的电控水冷发动机，传动系统升级为变矩器与变速器一体的全自动动力换挡变速器，操纵系统更加符合人机工程学原理。
我国自20世纪70年代中期开始研制地下自卸运矿卡车。进入20世纪80年代，随着汽车工业的发展和矿业装备制造业基础条件的完善，同时借鉴并研究国外先进技术，国内地下矿用自卸卡车的研制水平迅速提高；先后由太原矿山机器厂、金川有色公司机械厂、石家庄矿冶机械厂和北京安期生技术公司等厂家陆续研制成功UK系列、JCCY系列、AJK系列和CA系列等矿用自卸卡车。
20世纪90年代以来，国产自卸运矿卡车在一些矿山得以迅速推广。几年的生产实践证明，这些运矿卡车设计合理，技术先进，性能稳定，安全可靠，主要技术指标达到了国外同类型产品水平，具有较好的性价比和广阔的应用前景。
进入新世纪以来，随着地下矿山生产规模的扩大和深部开拓工程的发展，无轨采矿工艺方法不断改革，对地下自卸运矿卡车的规格和数量都提出了新的要求，促进运矿卡车设计制造技术出现了新的发展创新趋势，主要特点如下。
（1）研制国内多数矿山适用的大型运矿卡车，并实现“一机多能”。由于地下矿山生产能力不断提高，矿岩运输车辆必然趋于大型化；装载质量需由目前的20～40
t增大到50～60 t，甚至要求有80
t级的运矿卡车。生产实践证明，应用大型运矿卡车生产效率高，燃油消耗少，运营成本低，可以大幅度提高生产矿山的经济效益。
车箱结构应考虑多样化，可实现向后倾卸、侧卸和边走边卸，确保卸矿干净。卡车后部可配装工作平台，以便进行清顶、处理残眼和架设管线工。
（2）研制高水平的自动化与“机--电--液--仪”一体化运矿卡车。要充分利用现代汽车制造技术的最新成果；通过专用传感器把车辆行驶的各种信息传给车载计算机，再由计算机整定数据，控制内燃机喷油时间、喷油角度和喷油量，以调节内燃机处于最佳工况；从而使其燃油充分燃烧，整机具有动力性能好，尾气排放低，降耗节能，寿命较长等优点。
（3）研制新型发动机，努力实现“零污染”。地下运矿卡车最理想的动力源是电力或天然气发动机，以改善地下矿山工作环境。也可设计混合动力型运矿卡车，在井下运输时采用“零排放”动力源，如蓄电池、燃料电池、机械电池和天然气发动机等；在露天运行时切换成柴油机驱动，这样即可显著改善井下工作环境；同时也利于地下“无人驾驶”全自动化车辆的研制和创新。
（4）遵循人机工程学原理，进行计算仿真研究和结构设计。地下矿山作业条件恶劣，巷道狭窄，活动空间有限，运矿卡车设计应该以人为本，驾驶室应采用隔热、隔音、防爆全封闭结构，座椅采用可调节的油气悬架系统，舒适安全，操纵简单省力，快捷准确；科学布置电子监控仪表盘和声光信号报警系统，创造更加“人性化”的工作环境。
近年来我国的矿业装备制造业，在以铲运机为中心的地下无轨采矿设备的研发方面取得了巨大成绩，凿岩钻车、铲装设备、运输车辆，以及配套辅助设备的规格数量，基本可以满足生产需要；但是，设备的智能化和可靠性等现代化技术水平，与先进国家相比，尚有一定差距。国民经济“十二五”规划宏图已然展开，矿业装备一定会在“稳中求进”中获得更大发展。
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