煤礦小斷面硬巖巷掘進用遠控鉆機

王天龍，宋海濤，董洪波

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著科技水平的發(fā)展，我國煤礦綜采技術取了重大成果，逐步實現(xiàn)了綜采的自動化、智能化[1-2]。然而煤礦一直以來存在“采掘失衡”的矛盾，巖巷掘進水平成制約煤礦正常接續(xù)生產(chǎn)的關鍵，硬巖巷道掘進問題尤為突出[3-4]。懸臂式掘進機為主要設備的綜掘法在國內(nèi)煤礦得到了廣泛應用，但只適用于半煤巷、硬度系數(shù)不大的巖巷掘進。對于硬巖巷掘進，形成以氣腿式鑿巖機和全液壓鉆車為主要設備的爆破掘進作業(yè)線。對于煤礦小斷面硬巖巷掘進仍以鉆爆法為主[5]。絕大多數(shù)礦采用手持式氣動鑿巖機進行炮眼施工，這種施工適用于淺孔炮眼施工，施工效率低，工人勞動強度大，噪音大[6]。落后的小斷面硬巖巷掘進技術對煤礦安全生產(chǎn)和礦井建設速度產(chǎn)生嚴重影響。

隨著煤礦開采向集成化、智能化方向發(fā)展，井下煤礦設備面臨的“機械化換人、自動化減人”需求日益迫切，信息化、自動化、智能化掘進技術與裝備是未來必然的發(fā)展趨勢[7-8]。針對現(xiàn)有煤礦小斷面硬巖巷掘進施工的不足和未來發(fā)展需求，研制一種適用于煤礦小斷面硬巖巷掘進施工的遠控鉆機（簡稱遠控鉆機）可以極大的降低勞動強度，提高工作效率，提高勞動安全性。

1 鉆機總體設計方案

遠控鉆機由鉆機本體和電控系統(tǒng)組成。遠控鉆機總體布局圖如圖1。

圖1 鉆機總體布局圖Fig.1 The overall layout of the drilling rig

鉆機本體集主機、泵站、履帶車體、附屬部分于一體，結構緊湊、體積小。其中主機包括了給進裝置和變幅裝置；泵站包括了電機泵組和油箱；附屬部分包括油霧潤滑器、冷卻器、電纜卷筒等。電控系統(tǒng)包括電控系統(tǒng)硬件和電控系統(tǒng)軟件。硬件包括操控臺、遠程遙控器（包括遙控器和接收器）、控制柜、傳感器組和電磁啟動器，可以實現(xiàn)遠控鉆機的遠程控制以及狀態(tài)監(jiān)測；其中傳感器組件用來采集鉆機鉆進過程中的鉆進參數(shù)；控制柜用來驅(qū)動液壓系統(tǒng)電磁閥進行邏輯控制以及采集傳感器數(shù)據(jù)；電磁啟動器用來給電控系統(tǒng)供給合適的電壓。系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、解析，控制邏輯的運算。該鉆機分為手動和遠控2種操作方式。其中操控臺用于司鉆人員觀察狀態(tài)參數(shù)和進行手動鉆進操作；遙控器可以實現(xiàn)司鉆人員遠程觀察鉆機參數(shù)以及遠程鉆進操作。

2 鉆機本體

2.1主機

主機包括了給進裝置和變幅裝置，主要實現(xiàn)鉆機動力頭鉆進和回退以及鉆機各種工況位置的調(diào)節(jié)[9-10]。給進裝置采用油缸-鋼絲繩倍程倍速結構，可以實現(xiàn)鑿巖動力頭的快速回退，減少運動時間，提高施工效率。帶有液壓沖擊動力頭的給進裝置相比于回轉鉆機更適用于硬巖施工，可以提高過斷層速度。給進裝置上設計有盤管輪和接管板，可整齊理順膠管，方便施工。變幅裝置由大臂組件、調(diào)角平移裝置、調(diào)平裝置和回轉支撐組件組成。大臂組件底下的調(diào)角油缸伸出用來調(diào)整機身高度；調(diào)角平移裝置中安裝有平移油缸，平移油缸伸出可以使機身整體伸出，提高機身開孔高度；調(diào)平裝置裝有2組調(diào)平油缸，調(diào)節(jié)調(diào)平油缸可以使給進裝置處于水平位置，用于水平孔施工。為了保證油缸穩(wěn)定性和調(diào)平油缸同步性，在調(diào)角油缸、平移油缸處安裝有液壓鎖，在調(diào)平油缸處安裝有分流閥。回轉支撐組件由2個回轉支撐組成，上回轉支撐用來實現(xiàn)給進裝置方位角移動，下回轉支撐用來調(diào)節(jié)俯仰角。

2.2泵站

泵站包括了電機泵組和油箱，主要用于儲存油液和為鉆機提供動力源[11]。電機泵組采用22 kW電機+兩聯(lián)串聯(lián)齒輪泵的形式。電機泵組采用豎直安裝的方式節(jié)省了安裝空間。選用的齒輪泵結構簡單、抗污染能力強、成本低，可以適應于綜采工作面惡劣環(huán)境。聯(lián)軸器與齒輪泵之間采用梅花式聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器具有緩沖減震、無需潤滑、維護方便的特點，可以補償兩軸相對的偏移。油箱結構采用異形設計，上面可以放置控制柜，有效利用了空間，降低了鉆機高度尺寸。頂部采用封閉型設計，相比于傳統(tǒng)的開式設計，可以防止加油時候混入雜質(zhì)，污染油液。油箱出油口安裝有自封式吸油濾油器，維護人員可以在防止油液外漏的情況下更換吸油濾芯，既可以節(jié)約更換時間，又可以防止油液外漏污染環(huán)境。

2.3 履帶車體

履帶車體包括了焊接車體和履帶2個部分。履帶寬度僅有0.8 m，體積小，適應狹窄斷面。焊接車體采用內(nèi)凹式結構，留出足夠空間安裝變幅機構，可以有效降低主機高度；履帶采用重型履帶，履帶片強度高不易損壞，有利于在煤礦井下復雜環(huán)境行走。履帶車體前端安裝2個下穩(wěn)固裝置，提高復雜條件下行走施工的穩(wěn)定性和安全性。后端有安裝電纜卷筒的拖板。

3 電控系統(tǒng)

3.1 電控系統(tǒng)硬件

遠控鉆機電控系統(tǒng)由傳感器組、操控臺、控制器、電磁起動器和遙控器組成。電控系統(tǒng)組成圖如圖2。

圖2 電控系統(tǒng)硬件組成圖Fig.2 Hardware composition diagram of electronic control system

傳感器組包括了壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、位移傳感器。其中壓力傳感器安裝于操控臺側面，用來測液壓系統(tǒng)中各個執(zhí)行動作的壓力、系統(tǒng)和回油壓力；溫度傳感器和油液傳感器安裝于油箱上，用來測油箱的溫度和油液位置；位移傳感器安裝于給進裝置上，用于檢測沖擊動力頭的移動位置。操控臺上安裝有開關電磁閥、比例電磁閥、電磁溢流閥，用來控制執(zhí)行機構動作。控制柜是電控系統(tǒng)的核心，采用專用的PLC控制器。電磁啟動器用于給電控柜進行供電。遙控器由顯示屏、指示燈、控制手柄、開關、調(diào)節(jié)旋鈕等組成。用來下發(fā)鉆機遠程操控指令。遙控器發(fā)出操作指令由接收器接收信號后傳遞給PLC控制器，PLC接收后發(fā)出信號驅(qū)動操控臺上的電磁閥開合執(zhí)行相應的動作，同時控制器采集傳感器采集的工況數(shù)據(jù)，進行分析處理后顯示在遙控器的顯示屏上。為滿足鉆機在惡劣環(huán)境下安全使用要求，電控系統(tǒng)采用防爆設計，線路插接件選用IP65等級防護。

3.2 電控系統(tǒng)控制器

鉆機控制器是鉆機的電控系統(tǒng)的核心部件，其功能的多樣性、可靠性以穩(wěn)定性的優(yōu)劣直接影響鉆機電控系統(tǒng)整體性能[12-13]。電控系統(tǒng)硬件原理圖如圖3。

圖3 電控系統(tǒng)硬件原理圖Fig.3 Hardware schematic of the electronic control system

鉆機控制器主要作用是完成對傳感器信息的采集、解碼和計算以及輸出控制信號完成對鉆機各個執(zhí)行機構的控制[14]，同時也為加掛在控制器上的其他本安設備供電。該專用控制器按結構來說主要由本安電源板、隔離采集板和以及PLC控制器組成。其中本安電源用于實現(xiàn)電源轉化，將AC127 V非本安電源轉化為DC12 V本質(zhì)安全電源輸出，為隔離采集板和其他供電設備供電；隔離采集板用于實現(xiàn)本安和非本安電路隔離，可以承受AC2 500 V工頻耐壓，具備1.3 A過流保護、過壓保護、過熱保護功能；PLC控制器內(nèi)嵌有控制程序，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)包解碼計算、鉆機控制邏輯判斷、執(zhí)行機構控制信號的輸出。

按照功能分為輸入端和輸出端2大部分。其中，輸入端包括1路AC127 V非安電源；3路本安CAN總線通訊電路，其中CAN1用來連接收發(fā)器，CAN2用來連接壓力傳感器，CAN3備用；1路RS485總線通訊電路以及1路以太網(wǎng)信號接口，如有需要可與計算機連接；6路1～5 V本安電壓量輸入電路，用來連接位移傳感器；6路4～20 mA本安電流量輸入電路，用來連接溫度傳感器；3路本安開關量輸入DI，用來連接位置傳感器以及轉速傳感器。輸出端包括12路非安PWM輸出接口，可輸出24 V，0～2 A可調(diào)電流，可驅(qū)動電磁比例閥；20路非安開關量輸出接口，可驅(qū)動電磁開關閥；1路DC12 V本安電源輸出，6路DC24 V非安電源輸出為系統(tǒng)中的本安設備供電。

3.3 電控系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)控制器主程序編程在CoDeSys V3.5開發(fā)環(huán)境完成。用戶可以根據(jù)自己情況選擇6種語言中的1種進行編程，也可以根據(jù)標準庫調(diào)用功能模塊。本文使用ST語言進行編程，這種編程用戶可以快速掌握，可以快速實現(xiàn)邏輯控制、運動控制和人機界面交互編程[15]。炮眼鉆機軟件流程圖如圖4。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of software system

首先開機檢查炮眼鉆機的狀態(tài)。通過安裝在鉆機上的傳感器采集的鉆機壓力溫度的信息，判斷鉆機情況是否正常，若不正常時，檢查出現(xiàn)問題的機械和電氣故障，直到調(diào)整至正常狀態(tài)；根據(jù)鉆孔設計位置（方位、角度、高度）調(diào)整開孔位置，控制調(diào)角裝置動作到設計位置；控制動力頭回轉，控制給進裝置執(zhí)行2 000 N的推進力，使其頂住巖壁后，將采集到推進力與設置的巖壁頂緊力比較，（頂緊力為根據(jù)實際情況給定的數(shù)值）若推進力小于頂緊力，則繼續(xù)加大推進力；若采集的推進力大于巖壁頂緊力，則可以開孔，控制動力頭沖擊啟動以6 MPa的沖擊壓力進行開眼，開眼后通過位移傳感器檢測位移，即開眼深度，若開眼深度符合要求，則沖擊壓力加大到14 MPa，進行正常沖擊打眼；若位移傳感器檢查的開眼深度不符合要求，則繼續(xù)以6 MPa壓力開眼直到開眼深度滿足；正常打孔過程中顯示屏上一直顯示推進力、回轉速度、給進速度等參數(shù)；鉆孔過程中如果出現(xiàn)回轉壓力升高超過回轉正常值14 MPa，則判斷為卡釬現(xiàn)象，進行卡釬處理，此時沖擊停止，給進裝置回退直到回轉壓力達到正常值時繼續(xù)給進沖擊進行鉆孔施工；位移傳感器檢測到預定鉆孔深度后關閉沖擊，給進裝置回退；根據(jù)位移傳感器檢測給進裝置的動力頭是否回退到位，到位后停止回轉和推進，鉆孔結束，若動力頭沒有回退到位，則進行位移傳感器檢測位移，直至動力頭回退到位，到位后停止回轉和推進，停機，結束。

4 現(xiàn)場試驗

鉆機裝配好進行了現(xiàn)場鉆孔試驗。所用巖樣為1.2 m×1.2 m×1.2 m花崗巖樣塊，硬度系數(shù)為15。鉆機配套2 m長R28 mm釬桿和準41 mm合金鉆頭進行鉆孔施工。施工之前對鉆機的主要參數(shù)沖擊壓力、回轉流量、給進壓力進行調(diào)節(jié)，分別控制鉆機的沖擊功率、回轉速度、給進力的大小。匹配3個參數(shù)可知增加沖擊壓力可以增加沖擊功，使孔鉆速度增加，回轉速度在一定范圍內(nèi)對鉆孔速度影響不大，給進力不宜過大和過小，過大導致鉆桿變形，過小不能使釬頭與孔底充分接觸影響鉆孔速度。最終將鉆機參數(shù)調(diào)定在沖擊壓力12 MPa、給進壓力4 MPa的情況下施工1.2 m深，直徑準41mm鉆孔30個，角度在-30°～30°，平均成孔時間為1.5 min。試驗表明該鉆機操作簡單，安全性好，施工效率高。

5 結語

煤礦小斷面硬巖巷掘進施工用遠控鉆機采用新穎的結構設計，布局緊湊，能解決小斷面硬巖巷道炮眼鉆孔施工效率低、勞動強度大、安全性低的問題。該炮眼鉆機采用倍程倍速給進裝置、多變幅調(diào)角裝置、窄體履帶底盤，利用檢測與控制技術解決了制約小斷面硬巖巷鉆機結構適應性不足的問題，能提高施工安全性及綜合施工效率，為煤礦井下炮眼施工的進步提供新思路。