煤礦智能打鉆造穴一體化技術應用

陳 勇，桂 兵，趙慧杰，蔡 輝，馬志鋒，熊洪恩

(1.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500； 2.徐州弘毅科技發展有限公司，江蘇 徐州 221008)

煤礦生產一直是一個高危行業，由于工作環境的復雜性以及多變性，使得煤礦安全事故頻發，且損失嚴重。隨著社會的發展，人們的物質文化水平不斷提高，關注安全，珍惜生命，追求企業的本質安全以成為廣大職工的迫切愿望。煤礦防突治理工作是保證煤礦安全生產的首要工作之一，因此，防突治理效率成為制約煤礦安全生產的主要因素。隨著煤礦開采深度的增加，大部分礦井面臨著高瓦斯、高突出、高地溫三重威脅，瓦斯治理的難度增大、施工效率低，作業環境更加惡劣，安全系數低。煤礦防突治理的主要措施為瓦斯抽采釋放，通過在煤層鉆孔，下入抽放管，利用負壓將煤層內部瓦斯抽采到標準濃度后，才能進行正常的生產作業。但隨著開采深度的增加，地應力逐步增加，瓦斯抽采的難度也越來越大，瓦斯抽采達標的周期也越來越長。越來越多的煤礦開始進行了各種泄壓增透措施的嘗試，以水射流式煤層造穴泄壓成套裝置為代表的水力沖孔造穴技術因設備成套性好、現場操作簡單、安全性高、作業時間短、煤層泄壓增透效果好等因素而被推廣使用。水射流式煤層造穴泄壓成套裝置雖然作業效果好，但是由于成套裝備組成設備較多，施工時需投入至少3名人員進行同時作業，造成鉆孔作業施工過程中占用人力資源較多；同時由于該設備大多為液壓控制設備，工人作業強度大，且此類設備仍需要工人距離操作才能實現打鉆過程，沒有辦法避免噴孔對作業人員的傷害，保證工人的人身安全。

國家安全生產監督管理總局下發了開展“機械化換人、自動化減人”的科技強安專項行動通知，目標在于通過“機械化換人、自動化減人”示范企業(礦井)建設，建立較為完善的“機械化換人、自動化減人”標準體系，推動煤礦、金屬非金屬礦山、危險化學品和煙花爆竹等重點行業領域機械化、自動化程度大幅提升，實現高危作業場所作業人員減少30%以上，大幅提高企業安全生產水平。該專項行動內容的第一條就是煤礦安全機械化自動化。目前煤礦安全機械化已經得到了普及，煤礦用自動化控制技術得到一定的發展。在防突治理工藝上的應用上也產生了相應的設備，但并不多，也沒有被推廣使用，也更沒有其它公司將自動鉆機與鉆沖一體化作業技術融合到一起實現設備的智能打鉆、造穴一體化作業[1-7]。

本文研究了煤礦智能打鉆造穴一體化技術，通過采用智能打鉆造穴一體化裝備在施工過程中實現了一鍵打鉆、一鍵退鉆與一鍵沖孔功能，施工過程中無需工人頻繁操作設備，減少了工人操作設備時發生危險的可能。

1 智能鉆沖一體化成套裝備

智能鉆沖一體化成套裝備主要包含自動化控制鉆機、遠控清水泵站、高壓密封鉆具、可變徑造穴裝置等，其中自動化控制鉆機主要由自動打鉆車與自動鉆桿車2部分組成。

自動化控制鉆機實現設備的一鍵自動打鉆、自動退鉆、自動上鉆桿以及自動下鉆桿等功能，通過無線遙控控制與數據顯示功能方便工人現場作業；遠控清水泵站在無線遙控器控制下實現泵站輸出壓力的線性調整及定值調整、保壓，在設備正常鉆進時輸出低壓水，設備需要沖孔時泵站輸出壓力自動升高至固定值并保持，實現設備沖孔時高壓水供給功能；高壓密封鉆具在實現設備扭矩傳遞的同時還具有耐高壓以及自動閉水功能，在設備連接鉆桿時實現鉆具的自動閉水，減少通水供水時間，避免因拆解鉆桿時水流流出產生虹吸堵塞鉆具；可變徑造穴裝置通過高低壓水切換實現造穴裝置的轉換，通過轉換后的造穴裝置實現煤層內部造穴，掏出一定的煤體后實現煤層內部泄壓增透。

1.1 煤礦用自動化控制鉆機組成

煤礦用自動化控制鉆機組成如圖1所示。

圖1 煤礦用自動化控制鉆機組成Fig.1 Composition of automatic control drilling rig for coal mine

(1)自動化控制打鉆車。主要包括履帶底盤、液壓操作系統、可編程控制箱、真空電磁啟動器、液壓油箱、動力源、冷卻器、龍門架組件和導軌組件。功能特性及技術特點：①配備10 t履帶，設備行走強勁有力；②采用龍門架支護形式，使穩鉆更可靠，打鉆更穩定；③使用全方位打鉆機構，實現0°～180°一次支鉆，全方位打孔作業；④采用PLC可編程控制系統與電液控制系統的結合，實現自動化打鉆控制過程，并可實時監測打鉆參數；⑤具備自適應鉆進，打鉆沖孔模式自由切換等功能，實現現場自動鉆進與自動沖孔功能的快速切換。

(2)自動化控制鉆桿車。主要包括履帶底盤、自動鉆桿箱、液壓油箱、動力源、電液控制系統、可編程控制箱、行走切換閥組和真空電磁啟動器。功能特性及技術特點：①配備獨立的動力系統，可單獨于打鉆車獨立作業；②采用五軸機械手，靈活抓取鉆桿，達到準確送鉆桿；③自帶大容量鉆桿箱，滿足一次長距離成孔需求；④采用PLC可編程控制系統與電液控制系統的結合，實現了與打鉆車控制系統的高效對接；⑤人性化參數設置界面，可任意設置鉆桿根數，并可監測打鉆深度。

1.2 遠控清水泵站主要組成部分

遠程控制清水泵站功能特性及技術特點見表1。

表1 遠程控制清水泵站功能特性及技術特點Tab.1 Function and technical characteristics of remote control clean water pumping station

2 施工地點概況

巷道名稱：26軌回五聯巷，巷道基本情況描述：巷道斷面寬4.4 m，無膠帶，拱基線高1.4 m，地面硬化，地面狀態良好。巷道斷面布置如圖2所示。

圖2 巷道斷面布置Fig.2 Roadway section layout

3 實施方案

試驗設計4組鉆孔，單組孔之間間距5 m，每組孔共12個鉆孔，分2列布置，共計48個，在26軌回五聯巷施工穿層鉆孔，所有鉆孔均為全煤層沖孔作業，現場布置簡易儲煤倉，容積1.2 m3，要求每2 m沖孔范圍需出煤1筐。鉆孔施工參數設計見表2。

表2 鉆孔施工參數設計Tab.2 Parameters design of borehole construction

(1)“夾角”指的是鉆孔與巷道中心線的夾角(以巷道掘進方向為正方向)，左偏為正，右偏為負；“傾角”指的是鉆孔與水平線的夾角，上偏為正，下偏為負。

(2)瓦斯抽采鉆孔見煤后必須穿透煤層進入煤層頂板1 m，達到設計深度未見煤需繼續鉆進10 m，若出現全巖孔、見煤段長度與設計偏差較大等異常情況時，技術人員應及時分析，可在不超過±3°的范圍內調整鉆孔施工傾角。鉆孔施工傾角偏差超過±3°時，應及時變更或修改設計，經審批后執行。

(3)受現場條件限制，施工人員可對開孔位置進行調整，但距設計位置不得超過0.3 m；補孔距老孔0.2～0.5 m。若超出允許調整范圍，必須補充設計，經審批后執行。

(4)鉆孔采用通管直連注漿帶壓封孔方式。根據以上鉆孔參數設計，單組孔分奇數孔與偶數孔布置，單組奇數孔與偶數孔間隔2.5 m。單組孔孔位打鉆如圖3所示。

圖3 單組孔孔位打鉆示意Fig.3 Drilling sketch of single group hole location

4 現場施工效率對比

根據智能打鉆造穴一體化裝置現場記錄設備施工過程以及與施工現場普通液壓鉆機打鉆造穴施工過程。智能打鉆造穴一體化裝備與普通打鉆造穴設備對比見表3。

表3 智能打鉆造穴一體化裝備與普通打鉆造穴設備對比Tab.3 Comparison of intelligent drilling and cave-making integrated equipment and ordinary drilling and cave-making equipment

利用以上數據進行計算，可以得出以下結論：①智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進速度為普通打鉆造穴設備平均鉆進速度的1.59倍(以平均每小時鉆進米數計算)；②智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進速度為普通打鉆造穴設備平均沖孔速度的1.36倍(以平均每小時沖孔米數計算)；③智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進速度為普通打鉆造穴設備平均退鉆速度的72%(以平均每小時退鉆米數計算)。

常規作業施工中，打鉆作業占總作業時長的30%，沖孔作業占總作業時長的50%，退鉆作業占總作業時長的20%，綜合以上平均速度對比及設備施工時各階段時間占比并進行理論估算，認為智能打鉆造穴一體化裝備的綜合作業效率可達到普通打鉆造穴設備綜合作業效率的1.3倍。以上效率對比沒有考慮人工投入，如果以單人平均作業效率來計算，智能打鉆造穴一體化裝置施工現場只需配備一人作業，而普通打鉆造穴設備需3人作業，智能打鉆造穴一體化裝置的人均作業效率可達到普通打鉆造穴設備的4倍左右。

5 技術特點

以上工業試驗及實驗結果充分肯定了智能打鉆造穴一體化裝備在底板巖巷進行穿層孔打鉆造穴一體化作業的施工效率，該成套設備也滿足此所有技術指標要求，形成了具有以下優勢的智能打鉆造穴一體化裝備。①設備通過PLC可編程控制及電液控制系統實現了一鍵自動打鉆、一鍵自動退鉆、一鍵自動沖孔的功能；②采用分體式結構設計，降低自動打鉆車與自動鉆車尺寸，使設備適用于狹窄巷道，移動方便，適應性強；③自動化控制打鉆車與自動化控制鉆桿車均包含有獨立電液控制系統與程序控制，實現兩車的獨立工作，操作更簡單，維護更方便；④遠程控制雙電機清水泵站配備2臺電機，設備移動時由獨立電機單獨驅動，有效提高了注水泵的使用效率；⑤設備通過遠程控制功能實現了對清水泵站注水泵輸出壓力的控制，同時通過壓力傳感器檢測輸出壓力，實現對清水泵站輸出壓力的精準控制；⑥設備自帶的自動控制水閥，可實現設備供水自動控制，避免了人工開關水閥的過程，有效提高了現場作業的施工效率；⑦自動打鉆車可折疊式龍門架設計，行走時回收降低設備中心高度，打鉆時翻轉，為導軌組件提供穩固支撐，操作方便，安全可靠；⑧自動打鉆車全方位打鉆機構實現了設備0°～180°打鉆的施工要求，具有底抽巷作業一次穩鉆、全方位作業施工的功能，且導軌調角配備有液壓制動系統，使設備打鉆過程更穩、更可靠；⑨自動打鉆車導軌自動防噴孔裝置、封孔便捷、操作簡單、封孔效率高、工人勞動強度低；⑩自動鉆桿箱具備大容量鉆桿儲備功能，滿足單次鉆孔需求，同時配備五軸機械手，實現鉆桿的精準抓取、送鉆及回收鉆桿，工作可靠效率高；自動化控制鉆機液壓系統均采用負載敏感控制系統與電液控制的結合，空載時能量消耗少，工作時按需供給，減少能源的浪費，節能增效；自動化控制鉆機與遠程控制清水泵站均可實現遙控器控制及自動控制功能，有效提高了施工現場的作業效率，降低了工人的勞動強度；自動控制程序通過傳感器實現了設備動作速度及壓力的控制，同時通過傳感器實現設備運行狀態的實時監控，保證設備的運行安全；另外自動控制程序中嵌入防壓鉆控制程序，反應靈敏、自動介入，避免設備施工過程中出現壓鉆的風險；設備采用無線遙控控制功能，避免工人近距離操作設備，保障工人作業安全；無線遙控器自帶顯示功能與參數調整功能，參數讀取直觀、操作便捷；設備自帶甲烷及一氧化碳檢測設備，保障施工過程中的作業安全；設備自帶信息采集、故障診斷、警示及數據記錄功能，有效記錄鉆孔深度、鉆孔時長、沖孔時長、沖孔壓力、鉆孔時的旋轉壓力、旋轉轉速、推進壓力及推進速度，便于數據采集及歷史記錄查找；設備配備有高壓密封閉水鉆桿，在滿足設備沖孔作業的同時有效提高了設備的供水效率，同時避免了虹吸效應導致造穴裝置損壞的情況。

6 經濟效益與社會效益分析

6.1 經濟效益分析

通過綜合對比分析，智能打鉆造穴一體化裝備在施工時不僅實現了自動化打鉆、自動化退鉆以及自動化沖孔作業的整個過程，且設備的整體施工效率也優于常規設備的施工效率；設備施工過程中將現場作業人員由3人減少為1人，且作業人員勞動強度極低，實現了減人增效的目的；自動化控制鉆機采用的全斷面打鉆設計，實現了施工現場一次穩鉆、全方位布孔的功能，縮短了施工過程中找孔的時間，提升了現場作業的效率；設備施工過程采用程序控制，且控制程序中嵌入了多種保護程序，在對設備進行保護的同時，還對打孔效率進行了提升，同時還通過程序控制，避免了設備施工過程中出現壓鉆等情況，提高成孔率，降低了打孔作業時的經濟成本。

6.2 社會效益分析

(1)安全效益提升。通過采用智能打鉆造穴一體化裝備進行井下抽放孔鉆孔、擴孔施工作業，實現煤層卸壓增透，減少了施工現場的人員投入，避免出現危機情況時出現群死群傷的事故；現場施工人員操作設備時可對設備進行遠距離操作，避免了工人近距離操作設備，保障了工人的作業安全。

(2)幸福指數提升。隨著設備的進步及人們生活水平的提高，生命及健康的可貴被越來越多的人重視。通過采用智能打鉆造穴一體化裝備通過實現一鍵自動打鉆、一鍵自動退鉆與一鍵自動沖孔，將現場作業工人的勞動強度降低到了最低；同時無線遙控實現了工人遠距離操作設備，有效降低了工人施工過程中噴孔對現場作業工人帶來的傷害，保障了施工現場工人的作業安全，勞動強度低，作業安全，工人幸福指數顯著提升。

7 結語

智能化采面技術已經被成熟運用，而自動打鉆控制鉆機以及智能鉆沖技術則處于起步階段。該項目通過對智能打鉆造穴一體化裝備的研究與開發，成功地將可編程控制技術與電液控制技術結合為一體，實現了一鍵自動打鉆、一鍵自動退鉆以及一鍵自動沖孔等功能，有效促進了自動鉆探技術的進步，同時更彌補了我國煤礦井下自動沖孔技術的空白。