煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統研究

摘要：由于松軟煤層地質條件復雜多變，鉆機在鉆孔施工時，經常發生卡鉆事故，這極大降低了工作效率，并嚴重威脅到工人人身安全。為解決以上問題，分析了引起卡鉆的各影響因素，采用鉆機回轉壓力表示卡鉆狀態，并設置回轉壓力卡鉆閾值。根據鉆機工作原理與卡鉆機理，建立基于負載流量獨立分配系統（LUDV）的防卡鉆液壓回路;采用PID與信號選擇器建立自動防卡鉆控制器，并采用人群搜索算法（SOA）整定PID參數。采用AMESim進行系統仿真試驗，結果表明：回轉壓力達到20 MPa時，鉆機自動回退;達到22 MPa時，鉆機回轉壓力維持穩定，保持較大的回轉動力克服外負載阻力，避免發生卡鉆事故，驗證了自動防卡鉆電液控制系統的有效性。

關鍵詞：煤礦鉆機;LUDV;卡鉆;人群搜索算法;AMESim

中圖分類號：

文獻標志碼：A文章編號：1000-582X（2022）02-114-11

Abstract： " Due to the complex and changeable geological conditions of the soft coal seam， sticking accidents often occur during the drilling construction of the drilling rig， which greatly reduces the work efficiency and seriously threatens the personal safety of workers. To solve these problems， an automatic anti-sticking electro-hydraulic control system is proposed. By analyzing the influencing factors of sticking， the rotary pressure of drilling rig is used to describe the state of sticking， and the threshold of slewing pressure sticking is set. According to the working principle of drilling rig and sticking mechanism， the anti-sticking hydraulic circuit based on the load flow independent distribution system（LUDV） is established. The automatic anti-sticking controller is established by PID and signal selector， and the seeker optimization algorithm（SOA） is used to adjust PID parameters. The system simulation test is carried out with AMESim. The results show that when the rotary pressure reaches 20 MPa， the drilling rig automatically pulls back; when the rotary pressure reaches 22 MPa， the drilling rig slewing pressure remains stable and a large slewing power is maintained to overcome the external load resistance and avoid sticking accidents， verifying the effectiveness of the automatic anti-sticking electro-hydraulic control system.

Keywords： "coal mine drilling rig; LUDV; rig sticking accident; SOA; AMESim

中國松軟煤層分布較多，約占煤炭總產量的42%，松軟煤層強度低、瓦斯解吸速度快、瓦斯含量相對較高，屬煤與瓦斯突出體[1]。瓦斯治理是降低和杜絕瓦斯類事故發生的根本措施，而瓦斯治理的關鍵在于瓦斯抽采鉆孔的施工。鉆機在鉆孔施工中易發生卡鉆事故，卡鉆處理時間長，成本高，甚至需要填井側鉆，這極大降低了施工效率[2]。卡鉆處理不當，還會損壞鉆機，甚至威脅到工人人身安全，因此有必要進行煤礦鉆機自動防卡鉆的研究。

瑞典Atlas Copco公司的Simba261鉆機[3]，當回轉壓力超過某一壓力值時，推進機構回退，以此消除卡鉆現象。加拿大生產CD360鉆機[4]，當回轉壓力升高時，手動調節給進壓力使推進力減小，從而預防卡鉆。孫永興等[5]通過優化鉆桿結構和鉆井液性能制定了防卡鉆措施，并進行了現場應用。湖南山河智能機械股份有限公司生產的SWDB165鉆機[6]，在給進系統上設置減壓閥，當有卡鉆趨勢時，由施工人員調節減壓閥使給進系統壓力下降，實現預防卡鉆。文獻[7]提出利用回轉壓力信號控制給進系統，采用給進力自動控制的防卡鉆方案。綜上所述，現有方案在一定程度上可避免卡鉆事故的發生，但還存在以下問題：一是卡鉆的解決大多依靠施工人員的經驗以及操作水平，自動化水平低;二是防卡鉆方案沒有考慮鉆機給進力與回轉壓力的自適應控制，防卡鉆效果差。

為提高鉆機防卡鉆自動化水平，增強防卡鉆效果，結合現場施工經驗，基于LUDV系統，采用人群搜索算法，建立以PID與信號選擇器相結合的控制器，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統。該系統可實現回轉動力的自適應變化，避免回轉動力不足引發的卡鉆，降低了系統能量損失。控制器實時監測回轉壓力信號，控制電液伺服閥閥芯運動，實現給進力的自適應變化;同時系統可根據回轉壓力自動判別卡鉆程度，并自動采取相應的防卡鉆措施，增強了防卡鉆的效果。通過AMESim軟件進行系統仿真試驗，驗證了自動防卡鉆電液控制系統的可行性。

1 自動防卡鉆系統

1.1 鉆機結構

以ZDY3200S型全液壓煤礦鉆機為研究對象，其結構如圖1所示，主要由動力頭、給進裝置、夾持裝置、機架組成。

1.2 卡鉆機理

結合現場施工經驗，卡鉆主要原因可概括如下：

1）排渣不暢引起的卡鉆。鉆機在松軟煤層鉆進時，鉆渣易在鉆桿內部和表面沉積，導致排渣不暢[8]。當回轉動力未能克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發生卡鉆。

2）裂隙卡鉆。松軟煤層是地質構造的產物，主要由斷層和層滑等運動形成[9]，因此在松軟煤層形成過程中易出現裂隙。當鉆頭進入不規則裂隙時，極易被裂隙內細小的巖石卡死，造成卡鉆事故。

1.3 控制器

1.3.1 PID控制器

在自動防卡鉆電液控制系統中，PID控制器用于回轉壓力的控制。控制器設定值為22 MPa，輸入值為油壓傳感器實時反饋的回轉壓力值，偏差值為設定值減去輸入值，PID控制器以偏差值為輸入信號，在對偏差進行比例、積分、微分運算后輸出控制信號。當回轉壓力超過設定值22 MPa時，PID控制器通過3種不同形式的控制作用消除系統偏差，抑制回轉壓力持續上升[10]。

1.3.2 信號選擇器

信號選擇器可以在兩個或多個輸入信號中自動選擇期望信號[11]，信號選擇器原理如圖2所示。當命令信號（端口2的輸入信號）大于或等于用戶設定值時，信號選擇器將從端口1輸出端口3的信號值;當命令信號低于設定值時，信號選擇器將輸出端口4的信號值。

在自動防卡鉆電液控制系統中，信號選擇器用于給進系統的控制，用戶設定值為零，端口2的輸入信號為回轉壓力值與設定壓力值的偏差信號。當偏差為正值或零時，信號選擇器將從端口1輸出端口3的信號值;當偏差為負值時，信號選擇器將輸出端口4的信號值。端口3控制給進機構前進，端口4控制給進機構回退。

1.4 自動防卡鉆方案

鉆機自動防卡鉆液壓控制系統原理如圖3所示。

基于LUDV建立的液壓系統，將最高負載壓力反饋至兩處[12]：一是反饋至壓力補償閥，使回轉與給進回路的壓力補償閥閥芯同步移動，閥口通流面積保持一致，使各支路流量僅與節流閥節流口面積大小有關。二是反饋至負載敏感泵的變量機構，使泵出口壓力跟隨負載壓力變化，實現回轉壓力的自適應控制，提高系統工作效率，避免發生卡鉆事故。

基于信號選擇器和PID建立的防卡鉆控制系統，將回轉壓力信號實時反饋至信號選擇器和PID控制器，進而控制給進和回轉回路的電液伺服閥閥芯移動，實現回轉壓力和給進力的自適應控制。當回轉壓力達到設定值K2（2）時，回轉壓力信號經減法器3（2）后輸出的信號為正值，因此信號選擇器輸出端口3的信號，該信號經增益5（2）放大后控制電液伺服閥換向，使鉆機回退;若回退過程中壓力下降至設定值K2（2）以下，鉆機恢復鉆進;若回轉壓力持續升高，此時回轉壓力信號經減法器3（1）后產生偏差，該偏差經PID進行比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經增益5（1）放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉壓力維持在設定值K2（1），避免壓力過高損傷鉆機，同時又能保持較大的回轉動力來克服外負載阻力，實現自動防卡鉆控制。其原理如圖4所示。

2 SOA-PID算法

鉆機回轉系統采用PID控制，控制器性能主要取決于參數設置，采用人群搜索算法[13]進行PID參數整定，使PID具有響應快和魯棒性好等優點。

2.1 定義種群

令種群Q中搜尋者個體數為S，由于需整定PID控制器的3個參數，因此系統維數W=3，該種群Q用S×W的矩陣表示為

由圖5、6可知，人群搜索算法在迭代了97次之后收斂，最終產生1組PID控制器參數最優解：KP=19.1930、KI=0、KD=4.063 9。

3 建模與分析

AMESim可以解決絕大部分液壓工程的仿真問題，它提供了從流體力學到液壓傳動到伺服系統的完整解決方案[14]。

3.1 負載敏感泵模型

利用AMESim中的液壓庫（hydraulic）以及液壓元件設計庫（hydraulic component design）對負載敏感泵進行建模，模型如圖7所示。最高負載壓力反饋至LS口與泵出口壓力比較，并通過變量缸的閥芯位移信號去控制泵斜盤擺角的大小和方向，進而使泵出口壓力與最高負載壓力同步變化[15]。

3.2 壓力補償閥模型

利用液壓元件設計庫對壓力補償閥進行建模，模型如圖8所示。最高負載壓力同時反饋至給進和回轉回路的壓力補償閥彈簧腔，并與泵出口壓力比較，進而控制壓力補償閥節流口面積大小[16]。

3.3 防卡鉆系統模型

以ZDY3200S鉆機為研究對象，除默認參數外，鉆機主要參數如表1所示。

鉆機液壓系統額定工作壓力為21 MPa，考慮液壓系統油液泄漏等問題，當傳感器監測到回轉壓力為20 MPa時，鉆機有發生卡鉆的趨勢，信號選擇器控制鉆機回退;若回退過程中回轉壓力下降至20 MPa時，鉆機恢復正常鉆進;若回退過程中回轉壓力繼續升高并超過22 MPa時，PID控制器抑制回轉壓力持續升高，同時鉆機保持回退，嘗試解決卡鉆問題。

鉆機給進、回退以及回轉壓力的控制是由控制系統實現的，除默認參數外，控制系統主要參數如表2所示。

3.4 負載信號

ZDY3200S鉆機額定扭矩為3 200 N·m，當工作扭矩超過3 200 N·m時，有發生卡鉆的趨勢。為完整模擬鉆機從開始工作到卡鉆再到恢復工作的整個過程，施加如圖10所示的負載信號。0～2 s為鉆機啟動狀態，2～5 s為正常工作狀態，5～8 s為發生卡鉆狀態，8～11 s為鉆機空載狀態，11～15 s為正常工作狀態。

仿真時間設置為15 s，通訊間隔時間為0.01 s。

3.5 回轉壓力和泵出口壓力分析

如圖11所示，0～2 s為鉆機啟動階段，此時外負載及系統壓力較小，液壓油泄漏及節流口壓力損失幾乎為零，因此回轉壓力幾乎等于泵出口壓力。2 s以后，泵出口壓力與外負載同步變化。由卡鉆機理1可知，當回轉動力無法克服鉆渣給鉆桿的阻力時，便會發生卡鉆。LUDV采用負載敏感泵，泵出口壓力與外負載變化相一致[17]，實現回轉動力的自適應變化;5～8 s，鉆機排渣不暢，外負載增大時，回轉阻力增大，因此負載敏感泵斜盤擺角增大，泵輸出流量和壓力增大，回轉動力增強，以此預防和解決排渣不暢引起的卡鉆。

3.6 回轉壓力和給進速度分析

如圖12所示，LUDV可保持兩個或多個執行機構同步協調變化[18]，因此在啟動階段0～2 s，當回轉壓力升高時，推進速度同步升高，提高了施工效率;2～5 s為正常工作階段，回轉壓力恒定，推進速度也保持勻速。

如圖10所示，5～8 s外負載持續升高，油壓傳感器實時反饋壓力信號至信號選擇器，由于信號選擇器設定值為0，當回轉壓力超過20 MPa時，經減法器輸出的信號為正值，因此信號選擇器輸出端口3的信號值，該信號經增益放大后控制電液伺服閥換向，使給進機構回退，以此嘗試解決卡鉆問題。

如圖12中6～8 s所示，若回退過程中由于裂隙摩擦阻力較大或受裂隙中巖石或煤渣影響，鉆機仍未解決卡鉆問題，回轉壓力繼續升高，油壓傳感器實時將回轉壓力信號反饋至PID控制器，回轉壓力信號經減法器后產生偏差，該偏差經比例、積分和微分運算后輸出控制信號，該信號經增益放大后控制電液伺服閥閥芯移動，使回轉壓力維持在22 MPa，避免回轉壓力持續升高損壞鉆機，同時保持較大的回轉動力克服外負載阻力。

如圖12中8～11 s所示，當解除卡鉆后，由于回退過程中鉆機空載，因此回轉壓力迅速下降，當回轉壓力下降至20 MPa，鉆機開始給進，給進速度從負值變為正值。11～15 s，鉆機恢復正常工作。

4 結 論

1）針對鉆機在松軟煤層鉆孔施工時的卡鉆問題，通過分析卡鉆機理，建立自動防卡鉆控制器，采用LUDV、人群搜索算法等技術，提出了煤礦鉆機自動防卡鉆電液控制系統。該系統實時監測鉆機工況，自動判別卡鉆程度，并自動采取相應的防卡鉆措施，實現了給進力和回轉動力的自適應變化，提高了防卡鉆的自動化水平，增強了防卡鉆效果，降低了系統能量損耗。研究內容為后續煤礦鉆機的系統優化提供了新思路，為解決鉆機在松軟煤層中的卡鉆問題提供了新方法。

2）鉆機在防卡鉆控制過程中，控制器需對輸入信號迅速響應。采用人群搜索算法整定PID參數，為參數設置提供了科學依據，提高了控制器魯棒性以及快速響應性，在工程上具有一定實用性。

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（編輯 鄭 潔）