王樹(shù)盤+宋建鋒

摘 要：研發(fā)的煤礦用遙控控制自動(dòng)鉆孔鉆車，操作人員可遠(yuǎn)離鉆車作業(yè)面進(jìn)行遙控控制，鉆桿的接續(xù)、鉆進(jìn)、退鉆完全由機(jī)器完成。整個(gè)鉆孔作業(yè)僅需1人即可進(jìn)行，可徹底解決煤礦鉆車鉆孔作業(yè)時(shí)的安全和效率二者不同兼顧的問(wèn)題，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：煤礦遙控；控制自動(dòng)鉆孔鉆車；自動(dòng)打鉆

中圖分類號(hào)：TD421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，水和瓦斯的控制及排放是關(guān)系到煤礦安全重要的問(wèn)題，我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的要求，在巷道掘進(jìn)、煤炭開(kāi)采前必須前探幾十米甚至上百米，高瓦斯礦井對(duì)于瓦斯探排有更高的要求，用于探水探瓦斯的鉆機(jī)已成為煤礦必備設(shè)備，國(guó)內(nèi)該類設(shè)備發(fā)展迅速，目前存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

①鉆孔時(shí)間長(zhǎng)、效率低，鉆孔效率取決于鉆桿鉆進(jìn)的時(shí)間以及裝退鉆桿等方面的輔助工作時(shí)間。一般鉆孔深度達(dá)幾十米甚至上百米，而每節(jié)鉆桿長(zhǎng)度不等，因此鉆桿在鉆進(jìn)和退出的時(shí)候分別要進(jìn)行大量的裝鉆桿和退鉆桿的重復(fù)工作。②鉆機(jī)鉆孔作業(yè)需要3～5人操作，在浪費(fèi)勞動(dòng)力的情況下也增加了安全事故的發(fā)生概率。

本文研發(fā)的煤礦用遙控控制自動(dòng)鉆孔鉆車，操作人員可遠(yuǎn)離鉆車作業(yè)面進(jìn)行遙控控制，鉆桿的接續(xù)、鉆進(jìn)、退鉆完全由機(jī)器完成。整個(gè)鉆孔作業(yè)僅需1人即可進(jìn)行，可徹底解決煤礦鉆車鉆孔作業(yè)時(shí)的安全和效率二者不同兼顧的問(wèn)題，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 視距遙控功能設(shè)計(jì)

視距遙控功能主要是指操作人員在視距范圍內(nèi)對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行遙控，遙控系統(tǒng)的可靠通信距離0～50m，操作人員只要站在距離鉆機(jī)0～50m的范圍內(nèi)，通過(guò)操作無(wú)線遙控器上的手柄、開(kāi)關(guān)及控制按鈕等即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的控制，如：回轉(zhuǎn)器（液壓馬達(dá)）的正反轉(zhuǎn)、給進(jìn)油缸的推進(jìn)和后退、夾持器的夾緊和松開(kāi)、裝退鉆桿機(jī)構(gòu)的裝桿和卸桿等。

2 自動(dòng)送鉆功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)送鉆是指鉆機(jī)在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，不依靠操作者調(diào)節(jié)，而是按鉆井工藝要求，讓送鉆裝置在給定的條件下實(shí)現(xiàn)鉆頭的自動(dòng)給進(jìn)、自動(dòng)調(diào)速，又叫自適應(yīng)打鉆。使用自動(dòng)送鉆技術(shù)可以顯著地提高鉆進(jìn)速度，提高鉆井質(zhì)量，減輕鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少鉆頭磨損，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，減少井下事故的發(fā)生，降低鉆井的成本。

（1）鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響

鉆壓是指鉆進(jìn)時(shí)鉆頭對(duì)于井底巖石的壓力；鉆速是指鉆進(jìn)時(shí)每小時(shí)的進(jìn)尺數(shù)。根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)得出鉆壓與鉆速的關(guān)系曲線如圖1所示。該曲線表示的是鉆進(jìn)過(guò)程中其他參數(shù)保持不變時(shí)測(cè)得的鉆壓與鉆速的關(guān)系。由圖1可知，沿著ab段的鉆速幾乎與鉆壓成線性關(guān)系，鉆壓取ab段上的某一個(gè)值，在該鉆壓下應(yīng)該獲得較高的鉆井速度而且鉆頭的磨損速度較低。鉆井技術(shù)人員根據(jù)試井資料或鄰近井口的資料來(lái)確定理想的鉆壓值P。

（2）鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響

鉆頭轉(zhuǎn)速與鉆速的關(guān)系：圖2顯示在井底凈化充分的正常鉆進(jìn)過(guò)程中二者是線性關(guān)系。在硬地層鉆速與轉(zhuǎn)速不再成比例關(guān)系，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速快，單位時(shí)間鉆頭與井底的接觸時(shí)間變短，當(dāng)接觸時(shí)間小于巖石的破碎時(shí)間時(shí)，鉆頭破碎巖石的效率顯著下降?，F(xiàn)場(chǎng)的鉆井經(jīng)驗(yàn)表明鉆進(jìn)時(shí)需要將鉆速和轉(zhuǎn)速對(duì)鉆壓的影響綜合考慮，不能將他們孤立地分析。目前鉆井過(guò)程中通常的鉆井參數(shù)要求是鉆壓恒定和轉(zhuǎn)速可調(diào)。當(dāng)鉆壓的取值范圍確定后，在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中就不再改變，可以根據(jù)實(shí)際地層和水力參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。在恒鉆壓連續(xù)鉆進(jìn)中，鉆壓誤差范圍一般是不超過(guò)-5kN～5kN，鉆速誤差浮動(dòng)范圍是0.2m/h～0.6m/h。

（3）鉆壓和鉆頭轉(zhuǎn)速控制

鉆壓和鉆速之間的關(guān)系的修正的楊格模式表示為：

V=KlCPCH（P-M）nλ/（1+C2h）

式中：Kl—巖石可鉆性系數(shù)，與鉆頭類型及巖石硬度有關(guān)；CP—壓差影響系數(shù)，與泥漿濃度有關(guān)；CH—水力參數(shù)影響系數(shù)；P—井底鉆壓；M—門限鉆壓；N—轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速；λ—轉(zhuǎn)速指數(shù)，與巖層性質(zhì)有關(guān)；C2—鉆頭牙齒磨損系數(shù)，與牙齒特性和巖層性質(zhì)有關(guān)；H—鉆頭牙齒磨損量，隨鉆進(jìn)時(shí)間而變化。

從上式中可以看出，在轉(zhuǎn)速n和其他參數(shù)不變的情況下，克服門限鉆壓后，鉆速與鉆壓成正比，即：

V=K（P-M）

式中：K= KlCPCHnλ/（1+C2h）

于是可以得到經(jīng)過(guò)拉氏變換的關(guān)系式：

V（s） = KP（s）-KM（s）

從上面的關(guān)系式可知參數(shù)K受到地質(zhì)構(gòu)造、巖石研磨特性、鉆井液性質(zhì)等因素的影響，同時(shí)系統(tǒng)本身有時(shí)變和非線性等特點(diǎn)，僅靠人的觀察和手動(dòng)控制鉆進(jìn)壓力很難獲得完美的打鉆速度，自動(dòng)送鉆功能解決了這個(gè)問(wèn)題，自動(dòng)送鉆啟動(dòng)后車載控制單元會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆壓實(shí)際值，并跟系統(tǒng)中設(shè)定的鉆壓值進(jìn)行比較，根據(jù)模糊控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整回轉(zhuǎn)油缸和給進(jìn)油缸壓力，實(shí)現(xiàn)恒鉆壓、轉(zhuǎn)速可調(diào)的自動(dòng)送鉆系統(tǒng)目標(biāo)。

3 全自動(dòng)打鉆、卸桿功能設(shè)計(jì)

基于上述自動(dòng)送鉆功能的設(shè)計(jì)，結(jié)合打鉆和卸桿的標(biāo)準(zhǔn)流程，我方設(shè)計(jì)了全自動(dòng)打鉆和退鉆的功能。當(dāng)遙控單元選擇全自動(dòng)工作模式時(shí)，鉆機(jī)可按照預(yù)設(shè)的流程，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)打鉆（接桿和打鉆）和卸桿兩種功能，提高了生產(chǎn)效率和安全操作系統(tǒng)。

（1）自動(dòng)打鉆（接桿和打鉆）

首先選擇遙控系統(tǒng)工作模式為自動(dòng)模式，再選擇自動(dòng)打鉆檔位，按下執(zhí)行開(kāi)關(guān)，則遙控系統(tǒng)控制鉆機(jī)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)中設(shè)置好的打鉆標(biāo)準(zhǔn)流程，打鉆時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)回轉(zhuǎn)油缸和給進(jìn)油缸壓力監(jiān)測(cè)值控制油缸給進(jìn)以及回轉(zhuǎn)器的速度和壓力，完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打鉆功能。

（2）自動(dòng)卸桿功能

選擇工作模式為自動(dòng)模式，再選擇自動(dòng)卸桿檔位，按下執(zhí)行按鈕，則遙控系統(tǒng)控制鉆機(jī)自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)卸桿流程。

上述模式中，回轉(zhuǎn)器的起始位置、末端位置和卸桿調(diào)整位置通過(guò)安裝的位置開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)得到，具體的坐標(biāo)位置可以通過(guò)安裝在給進(jìn)油缸內(nèi)部的行程傳感器獲得。

如果在全自動(dòng)打鉆、退鉆的過(guò)程中，碰見(jiàn)特殊情況或危險(xiǎn)情況，需要立即停止打鉆、退鉆時(shí)，可以通過(guò)撥動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)至停止位置或者直接拍下遙控器的急停按鈕實(shí)現(xiàn)緊急停車；該鉆車也可不用遙控操作改為手動(dòng)操作，鉆車上有切換按鈕，方便使用者根據(jù)具體工況選擇合適的功能。

結(jié)語(yǔ)

遙控控制和自動(dòng)鉆孔技術(shù)的結(jié)合給煤礦井下鉆探工藝提供了新的思路和設(shè)備，提高了工作效率和人員安全性，在新時(shí)代供給側(cè)改革的浪潮下，有競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新產(chǎn)品必將迎來(lái)快速發(fā)展，為煤機(jī)設(shè)備自動(dòng)化、智能化貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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