一種煤礦用遙控控制自動鉆孔鉆車

王樹盤+宋建鋒

摘 要：研發的煤礦用遙控控制自動鉆孔鉆車，操作人員可遠離鉆車作業面進行遙控控制，鉆桿的接續、鉆進、退鉆完全由機器完成。整個鉆孔作業僅需1人即可進行，可徹底解決煤礦鉆車鉆孔作業時的安全和效率二者不同兼顧的問題，具有重大的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：煤礦遙控；控制自動鉆孔鉆車；自動打鉆

中圖分類號：TD421 文獻標志碼：A

0 引言

在煤礦開采過程中，水和瓦斯的控制及排放是關系到煤礦安全重要的問題，我國煤礦地質條件復雜，根據“預測預報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的要求，在巷道掘進、煤炭開采前必須前探幾十米甚至上百米，高瓦斯礦井對于瓦斯探排有更高的要求，用于探水探瓦斯的鉆機已成為煤礦必備設備，國內該類設備發展迅速，目前存在以下幾個問題。

①鉆孔時間長、效率低，鉆孔效率取決于鉆桿鉆進的時間以及裝退鉆桿等方面的輔助工作時間。一般鉆孔深度達幾十米甚至上百米，而每節鉆桿長度不等，因此鉆桿在鉆進和退出的時候分別要進行大量的裝鉆桿和退鉆桿的重復工作。②鉆機鉆孔作業需要3～5人操作，在浪費勞動力的情況下也增加了安全事故的發生概率。

本文研發的煤礦用遙控控制自動鉆孔鉆車，操作人員可遠離鉆車作業面進行遙控控制，鉆桿的接續、鉆進、退鉆完全由機器完成。整個鉆孔作業僅需1人即可進行，可徹底解決煤礦鉆車鉆孔作業時的安全和效率二者不同兼顧的問題，具有重大的經濟效益和社會效益。

1 視距遙控功能設計

視距遙控功能主要是指操作人員在視距范圍內對鉆機進行遙控，遙控系統的可靠通信距離0～50m，操作人員只要站在距離鉆機0～50m的范圍內，通過操作無線遙控器上的手柄、開關及控制按鈕等即可實現對鉆機的控制，如：回轉器（液壓馬達）的正反轉、給進油缸的推進和后退、夾持器的夾緊和松開、裝退鉆桿機構的裝桿和卸桿等。

2 自動送鉆功能設計

自動送鉆是指鉆機在正常鉆進過程中，不依靠操作者調節，而是按鉆井工藝要求，讓送鉆裝置在給定的條件下實現鉆頭的自動給進、自動調速，又叫自適應打鉆。使用自動送鉆技術可以顯著地提高鉆進速度，提高鉆井質量，減輕鉆井工人的勞動強度，減少鉆頭磨損，延長鉆頭的使用壽命，減少井下事故的發生，降低鉆井的成本。

（1）鉆壓和鉆頭轉速對鉆速的影響

鉆壓是指鉆進時鉆頭對于井底巖石的壓力；鉆速是指鉆進時每小時的進尺數。根據鉆井數據得出鉆壓與鉆速的關系曲線如圖1所示。該曲線表示的是鉆進過程中其他參數保持不變時測得的鉆壓與鉆速的關系。由圖1可知，沿著ab段的鉆速幾乎與鉆壓成線性關系，鉆壓取ab段上的某一個值，在該鉆壓下應該獲得較高的鉆井速度而且鉆頭的磨損速度較低。鉆井技術人員根據試井資料或鄰近井口的資料來確定理想的鉆壓值P。

（2）鉆頭轉速對鉆速的影響

鉆頭轉速與鉆速的關系：圖2顯示在井底凈化充分的正常鉆進過程中二者是線性關系。在硬地層鉆速與轉速不再成比例關系，這是因為轉盤轉速快，單位時間鉆頭與井底的接觸時間變短，當接觸時間小于巖石的破碎時間時，鉆頭破碎巖石的效率顯著下降。現場的鉆井經驗表明鉆進時需要將鉆速和轉速對鉆壓的影響綜合考慮，不能將他們孤立地分析。目前鉆井過程中通常的鉆井參數要求是鉆壓恒定和轉速可調。當鉆壓的取值范圍確定后，在整個鉆進過程中就不再改變，可以根據實際地層和水力參數對轉速進行調整。在恒鉆壓連續鉆進中，鉆壓誤差范圍一般是不超過-5kN～5kN，鉆速誤差浮動范圍是0.2m/h～0.6m/h。

（3）鉆壓和鉆頭轉速控制

鉆壓和鉆速之間的關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，與鉆頭類型及巖石硬度有關；CP—壓差影響系數，與泥漿濃度有關；CH—水力參數影響系數；P—井底鉆壓；M—門限鉆壓；N—轉盤轉速；λ—轉速指數，與巖層性質有關；C2—鉆頭牙齒磨損系數，與牙齒特性和巖層性質有關；H—鉆頭牙齒磨損量，隨鉆進時間而變化。

從上式中可以看出，在轉速n和其他參數不變的情況下，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）

于是可以得到經過拉氏變換的關系式：

V（s） = KP（s）-KM（s）

從上面的關系式可知參數K受到地質構造、巖石研磨特性、鉆井液性質等因素的影響，同時系統本身有時變和非線性等特點，僅靠人的觀察和手動控制鉆進壓力很難獲得完美的打鉆速度，自動送鉆功能解決了這個問題，自動送鉆啟動后車載控制單元會實時監測鉆壓實際值，并跟系統中設定的鉆壓值進行比較，根據模糊控制算法，動態調整回轉油缸和給進油缸壓力，實現恒鉆壓、轉速可調的自動送鉆系統目標。

3 全自動打鉆、卸桿功能設計

基于上述自動送鉆功能的設計，結合打鉆和卸桿的標準流程，我方設計了全自動打鉆和退鉆的功能。當遙控單元選擇全自動工作模式時，鉆機可按照預設的流程，自動實現打鉆（接桿和打鉆）和卸桿兩種功能，提高了生產效率和安全操作系統。

（1）自動打鉆（接桿和打鉆）

首先選擇遙控系統工作模式為自動模式，再選擇自動打鉆檔位，按下執行開關，則遙控系統控制鉆機自動執行系統中設置好的打鉆標準流程，打鉆時，系統會根據回轉油缸和給進油缸壓力監測值控制油缸給進以及回轉器的速度和壓力，完全實現全自動打鉆功能。

（2）自動卸桿功能

選擇工作模式為自動模式，再選擇自動卸桿檔位，按下執行按鈕，則遙控系統控制鉆機自動執行系統設置好的標準卸桿流程。

上述模式中，回轉器的起始位置、末端位置和卸桿調整位置通過安裝的位置開關傳感器檢測得到，具體的坐標位置可以通過安裝在給進油缸內部的行程傳感器獲得。

如果在全自動打鉆、退鉆的過程中，碰見特殊情況或危險情況，需要立即停止打鉆、退鉆時，可以通過撥動執行開關至停止位置或者直接拍下遙控器的急停按鈕實現緊急停車；該鉆車也可不用遙控操作改為手動操作，鉆車上有切換按鈕，方便使用者根據具體工況選擇合適的功能。

結語

遙控控制和自動鉆孔技術的結合給煤礦井下鉆探工藝提供了新的思路和設備，提高了工作效率和人員安全性，在新時代供給側改革的浪潮下，有競爭力的創新產品必將迎來快速發展，為煤機設備自動化、智能化貢獻力量。

參考文獻

[1]張付祥，史文軍.雙臂掘進鉆車自動化鉆孔方法研究[J].工礦自動化，2016（6）：42-45.

[2]李旭珍，李強.厚煤層瓦斯抽放鉆車研制[J].機械工程與自動化，2016（1）：120-121.

[3]張凱，吳鑫，張明柱.煤礦用自動換桿液壓鉆車的研制[J].煤礦機械，2015（10）：88-90.endprint