碎軟煤層順層自動鉆機的研制及應用

辛德忠,唐 敏,劉小華

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

我國煤炭資源整體賦存條件復雜，煤層埋藏深、分布廣，以井工開采為主，多數屬于碎軟煤層，存在瓦斯含量高、煤層透氣性差等問題[1-4]。順層鉆孔瓦斯抽放技術是治理碎軟煤層瓦斯突出最有效的方式之一，但是在碎軟煤層中施工鉆孔，孔深淺、成孔率低、難度大等問題屬于行業技術難題，且在鉆孔過程中，容易發生由于排渣不暢造成的卡鉆、埋鉆、塌孔等狀況，致使瓦斯抽放達不到預期效果，嚴重影響了煤礦安全生產[5-12]。

施工順層鉆孔時，要求鉆機順行巷道對巷道兩側進行鉆孔施工，由于常規鉆機自身結構的限制，施工巷道側壁時，機架須調整至與鉆機機身垂直，姿態調整比較困難，難以實施扇形鉆孔；常規鉆機缺乏防卡鉆系統，卡鉆、埋鉆風險大；常規鉆機采用人工上下鉆桿，工人勞動強度大、安全難以得到保障[13-17]。

為解決常規鉆機碎軟煤層鉆孔施工的難題，研制了碎軟煤層順層自動鉆機，并詳細介紹了該鉆機的結構特點、關鍵技術、液壓系統及其在碎軟煤層中鉆孔試驗情況。

1 總體結構及參數

鉆機采用分體履帶式結構，分為主車和副車，該結構尤其適用于小斷面巷道施工。鉆機由主機、動力總成、液壓控制系統和電氣控制系統等組成。主車搭載主機，實施鉆進；副車搭載動力總成，提供動力。鉆機外形如圖1所示。

1—副車；2—主車。

1)主機由動力頭、雙夾持器、機架、機械手、提升架、鉆桿箱等部件組成。機架采用懸置式橫向布置，以實現巷道兩側扇形鉆孔施工；提升架采用回轉減速器，滿足-40°～+90°傾角調節；矩陣式大容量鉆桿箱及雙機械手輸送鉆桿，實現鉆機一次攜桿數量120根，滿足成孔需求。

2)動力總成主要由防爆電動機、負載敏感泵、聯軸器等部分組成，可實現“電—液”能量轉換并驅動液壓系統，實現液壓執行元件動作，是系統的能量核心。

3)電氣控制系統主要由PLC控制器、電源模塊、安全柵、傳感器及電磁閥等組成，主要實現遙控操作、生成控制指令、電磁閥控制及執行元件動作，是自動鉆機控制系統的核心。

鉆機的主要技術參數如表1所示。

表1 鉆機的主要技術參數

2 關鍵技術研究

在自動鉆機的關鍵技術中，動力頭液壓馬達排量自適應調節技術可實現主動鉆桿大轉矩反轉卸扣；矩陣式大容量鉆桿箱可保證鉆機自動施工長距離鉆孔；雙機械手協同送桿技術可實現鉆桿的自動裝卸；自適應防卡鉆技術可防止碎軟煤層順層鉆孔卡鉆和抱鉆；懸置式提升機構方便施工扇形孔。自動鉆機的關鍵技術如圖2所示。

圖2 自動鉆機的關鍵技術框圖

2.1 動力頭液壓馬達排量自適應調節

在施工碎軟煤層時，要求動力頭高轉速鉆進，以獲得較大的鉆進深度，自動鉆機動力頭的結構如圖3所示。其工作過程為：①反向安裝的液壓馬達通過齒輪將動力傳輸至主軸，主動鉆桿與主軸之間采用花鍵連接，連接套與主軸之間通過法蘭及螺栓連接，實現主動鉆桿軸向及徑向定位；②主動鉆桿頭部的錐螺紋接頭與鉆桿的錐螺紋接頭連接，實現鉆進動力最終傳輸。

1—主動鉆桿；2—液壓馬達；3—連接套；4—主軸；5—軸承；6—端蓋；7—水辮；8—齒輪；9—減速箱體。

由圖3可見，動力頭傳動鏈長，轉動慣量大。當動力頭高速旋轉至接扣完成瞬間，主動鉆桿會突然停止旋轉，產生較大的止動力矩，導致主動鉆桿公頭與鉆桿母頭瞬時擰緊。為提高自動鉆機的卸鉆效率，簡化卸鉆流程，主動鉆桿螺紋處接頭直接采用動力頭反轉脫扣。在現場應用中，多次出現高速接扣后動力頭的反轉力矩不足以克服擰緊力矩，無法擰松主動鉆桿螺紋處接頭的問題。此時，鉆機會反復執行卸扣動作，中斷自動打鉆流程，影響鉆孔施工。

為解決上述問題，提高卸扣的可靠性，須提高卸扣時的鉆機轉矩。通過增設轉速控制閥組，可實現馬達排量自適應調節進而實現大轉矩卸扣。轉速控制閥組結構及原理如圖4所示。

1—減壓閥；2—閥塊；3—電磁閥。

由于液壓馬達為變量柱塞馬達，通過減壓閥的壓力變化可調節液壓馬達的斜盤傾斜角度，進而改變液壓馬達的排量。正常鉆進時，通過減壓閥將液壓馬達的排量調節至滿足動力頭鉆進轉速及轉矩需求的合適數值；在動力頭執行卸扣動作時，通過電磁閥自動將液壓馬達調節至最大排量，此時鉆機轉矩處于最大輸出值，可實現強力卸扣，提高卸扣的可靠性。

2.2 矩陣式大容量鉆桿箱

常規鉆機采用人工加卸鉆桿，無鉆桿箱。為實現自動鉆機自動上下鉆桿，鉆桿箱是必不可少的部件。在自動鉆孔過程中，鉆桿箱容量一直是自動鉆機施工長距離鉆孔的關鍵參數。矩陣式大容量鉆桿箱，可大幅度提高鉆桿箱的容量，減少鉆孔過程中人工的介入，并為自動鉆機向鉆孔機器人升級提供了強有力的技術保障。

基于自動鉆機整體布局需求，研制了鉆桿長度為1 m的大容量鉆桿箱，其由箱體、隔板、活動門等部件組成。鉆桿箱采用并列、分區的矩陣式設計，每列可容納多根鉆桿，其容量為行容量與列容量的乘積，可一次存放120根鉆桿。鉆桿箱一側設置活動門，方便鉆桿的取放。鉆桿箱結構如圖5所示。

1—隔板；2—箱體；3—活動門。

2.3 雙機械手協同送桿

由于鉆桿箱容量較大，鉆桿輸送路徑較長，采用路徑規劃方法對鉆桿裝卸系統進行運動分段規劃[18-19]，并根據分段運動需求設置對應的機械手、平移油缸等執行機構，實現多機構并行輸送，提高輸送效率。設計雙機械手協同作業自動裝卸系統，如圖6所示。

1—抓取機械手；2—鉆桿箱；3—轉運器；4—復合關節機械手；5—動力頭；6—機架；7—雙夾持器。

結合整機結構和鉆進效率需求，將鉆桿輸送路徑劃分為“鉆桿箱—轉運器—鉆進機構”3段，分別采用抓取機械手、轉運器、復合關節機械手3個執行機構輸送鉆桿。

抓取機械手采用側置式結構，具有伸縮和平移2個自由度。采用齒條式平移機構，可與抓取機械手配合實現120根以上大容量鉆桿順序存入與取出。采用轉運器過渡銜接，解決了2個機械手之間的鉆桿姿態空間變換問題。復合關節機械手采取直角坐標與關節式復合結構，具有傾角調節、翻轉、伸縮3個自由度。開發雙機械手與鉆進機構并行自動控制程序，將鉆桿輸送循環嵌入鉆進施工流程之中，提高鉆進施工總體效率。

2.4 自適應防卡鉆

在碎軟煤層順層鉆孔施工過程中，極有可能出現卡鉆情況，需要對自適應鉆進技術進行研究，其核心內容是自動防卡鉆技術。分析突出碎軟煤層鉆桿卡鉆機理，發現造成卡鉆的主要原因是鉆進速度過快，單位時間內煤粉產生量過大，導致煤粉無法及時排出，引起卡鉆。因此，控制鉆進速度，及時排除鉆孔內煤粉，可很大程度地降低卡鉆概率[20-22]。

在鉆進過程中，鉆機狀態參數主要有旋轉壓力、旋轉速度、推進壓力及推進速度等。自適應防卡鉆鉆進控制的目標就是對這幾組參數進行綜合匹配來實現自動鉆進，通過自動控制降低鉆機在不同地質條件下的工作中卡鉆概率、提高鉆進效率。自適應鉆進控制原理如圖7所示。

圖7 自適應鉆進控制原理

圖7中，計算模塊接收來自傳感器的測量參數，再根據動態經驗庫提供的不同地質條件下經驗參數計算出鉆進系數knx，處理模塊根據knx的大小及動態經驗庫的處理規則來進行相應的預處理，并提供對應的控制量來驅動動力頭旋轉與推進，預防卡鉆的發生。

2.5 懸置式旋轉提升機構

旋轉提升機構采用懸置式結構，方便實施扇形鉆孔。旋轉提升機構是鉆機實現開孔傾角、方位角及開孔高度自動調整的關鍵機構，主要由方位回轉減速器、立柱、提升套、提升油缸、底架體、回轉平臺等組成，如圖8所示。

1—回轉平臺；2—方位回轉減速器；3—提升套；4—立柱；5—提升油缸；6—傾角回轉減速器；7—底架體。

回轉平臺通過螺栓與方位回轉減速器連接；2個立柱對稱地安裝在回轉平臺上方，在提升油缸的舉升作用下，提升套可沿立柱升降；傾角回轉減速器通過螺栓分別與提升套和底架體連接；底架體用于支承安裝機架。

在開孔高度調節方面，由提升油缸帶動提升套升降，實現機架高度調節，滿足不同高度的開孔要求；在傾角調節方面，由傾角回轉減速器帶動機架傾角的改變，實現鉆孔傾角在-40°～+90°調整；在方位角調節方面，由方位回轉減速器帶動回轉平臺旋轉，實現-180°～+180°方位角的變化。

3 鉆機液壓系統

自動鉆機為雙履帶布局，采用負載敏感液壓系統以減少能量損失和系統發熱，其液壓系統主要由行走系統、鉆進控制系統、夾持器系統、機械手控制系統、姿態調整系統等組成。自動鉆機的液壓系統如圖9所示。

1—負載敏感泵；2—主多路閥；3—動力頭；4—副多路閥；5—夾持器；6—機械手；7—姿態調整；8—鉆桿箱；9—上下錨固；10—主車行走；11—副車行走。

1)行走系統主要控制主車和副車的前進、后退及轉向等動作。此外，副車液壓系統作為整個液壓系統的存儲和冷卻循環系統，也保障了整個液壓系統的正常運行。

2)鉆進控制系統主要用于控制動力頭旋轉和給進油缸推進。通過電信號控制多路閥上的電磁閥組控制多路閥的閥芯開度和換向，最終驅動動力頭正、反轉和前進后退。

3)夾持器控制系統用于控制雙夾持器的動作，由副泵供油。雙夾持器的夾緊、松開及前夾擺動由多路閥及其電磁控制閥組通過電信號來控制。

4)機械手控制系統和姿態調整系統比較類似，都是經過多路閥閥片過油至電磁閥組，通過開關電磁閥組控制各個動作。該設計既能實現電液控制自動化，又能實現液壓系統的負載節能控制。

4 順層鉆孔試驗

4.1 試驗概況

試驗地點位于淮南礦業集團謝橋煤礦21316運輸巷，巷道標高為-819.4～-857.6 m，處于突出危險區。煤層平均厚度為2.5 m，傾角為10°～18°，設計走向長度為3 274 m，工作面傾向長度為200 m，處于6煤突出煤層突出危險區，原始瓦斯壓力為1.4～1.6 MPa，瓦斯含量為6.3～6.7 m3/t，平均煤厚為3.1 m，風量1 090 m3/min。據礦方資料，在該區域采用常規鉆機施工順層鉆孔時，單臺鉆機配置3名工人，鉆孔深度平均約為60 m，且在鉆進過程中容易出現抱鉆等現象。

4.2 鉆進試驗

由于該試驗區域煤層松軟，承壓能力低，因此試驗采用?73 mm深槽螺旋鉆桿搭配?113 mm復合片鉆頭實施鉆進。深槽螺旋鉆桿如圖10所示，鉆桿凹槽深度為5 mm，能夠有效提供鉆孔環空間隙的紊流度。

圖10 深槽螺旋鉆桿

采用自動鉆機施工順層鉆孔時，單臺鉆機配置2名工人(1人遙控操作鉆機，1人做輔助性工作)。設計單孔平均深度112 m，孔徑113 mm，孔間距按不大于5 m布置。試驗期間，完成有效試驗鉆孔18個，鉆孔數據如表2所示。

表2 順層鉆孔試驗數據

4.3 試驗結果

由表2可知，累計鉆孔長度2 239.4 m，平均鉆孔深度124.4 m，與常規鉆機相比，自動鉆機成孔深度提高了1倍以上。

施工期間，自動鉆機運行穩定，整體性能可靠，一鍵全自動鉆進施工，上下鉆桿流暢，未發生卡鉆、埋鉆等事故；只需1人操作鉆機，減少了作業人數，施工人員可停留在安全距離范圍內，遠距離遙控鉆機。

5 結語

所研究的碎軟煤層順層自動鉆機動力頭液壓馬達排量自適應調節技術、矩陣式大容量鉆桿箱、雙機械手協同送桿技術、自適應防卡鉆技術及懸置式旋轉提升機構，可有效提高鉆機接卸扣可靠性和加接與拆卸鉆桿效率，降低了工人勞動強度，提高了安全性，提升了鉆機適應不同地質條件的能力。該鉆機的成功研制及應用，為煤礦鉆探尤其是碎軟煤層順層鉆孔提供了新裝備、新工藝。該鉆機的相關關鍵技術，可為煤礦同類產品的研制提供一定參考。