煤礦井下遙控式全斷面鉆進鉆機的關鍵技術分析

劉立春

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順市 113122;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順市 113122)

0 引言

煤礦瓦斯突出是煤礦開采過程中的主要災害之一,煤礦井下鉆孔抽采是防治瓦斯突出災害的有效手段之一。煤礦井下鉆孔抽采瓦斯的主要作業方式為回轉鉆進。煤礦井下的施工環境較為復雜,傳統鉆進鉆機設備的鉆桿裝卸過程極其復雜,需要借助大量的人工操作手段,綜合鉆孔效率極低。傳統的鉆進鉆機在距離鉆孔2 m 左右的距離施工,施工操作全憑工人自身的經驗,一旦發生瓦斯突出事故,人員無法在短時間內撤離,存在較大的安全隱患。在傳統煤礦向“智慧礦山”轉型發展的過程中,遙控鉆機施工已經成為煤礦井下瓦斯抽采施工的主要趨勢,其具有高效、環保、安全等多方面的優勢。遙控式全斷面鉆機能有效提升薄煤層瓦斯抽采鉆孔的施工效率,同時具備穩固性高、鉆孔角度可調節、無線遙控距離長等優勢,已經成為我國煤礦業瓦斯治理工作中的“新工具”。

本文研究的全斷面鉆進鉆機是一款遙控式鉆機,采用30 m 以上無線遙控控制的方式,通過履帶進行傳動,該遙控式全斷面鉆進鉆機具有運輸、調角高度低、穩定性高、低位水平開孔等功能。

1 研究現狀

我國對于煤礦井下遙控式鉆機方面的研究明顯不足,僅有少數廠家在2015年前后對煤礦鉆機鉆進壓力、轉速等參數的自動化控制進行研究,對全自動遙控式鉆進鉆機設備進行的研究幾乎沒有[1]。過去采用煤礦井下坑道鉆機施工瓦斯抽采孔以降低煤層瓦斯濃度,能夠有效解決安全開采問題。薄煤層開采占我國煤炭資源總量的30%,但其實際開采量占比并不高,主要是瓦斯抽采鉆孔施工效率低,影響了總體的開采進度。分析發現,制約鉆孔施工效率的主要因素是鉆機裝備,在進行順層鉆孔施工時,由于水平施工孔位較低,需將鉆機鉆進裝置降至低位,目前能滿足該使用工況的分體鉆機具有體積小、開孔低的特點,但其搬遷鉆場、鉆機調角、穩固等動作主要靠人力輔助,耗時耗力、綜合效率低。

傳統的煤礦井下遙控式鉆機樣機能夠采用遙控的方式完成鉆機的操作,但仍需要依靠人工手動裝卸的方式完成對鉆桿的上下操作。而某新材料科技集團有限公司研發了一套具有一鍵自動打鉆、一鍵自動退鉆、無線遙控控制、全方位打鉆及打鉆保護等功能的自動控制設備。該設備施工期間自動運行,僅需一人現場監控設備運行狀態;設備自動對施工過程進行監控,并自帶防壓鉆控制程序,可降低設備施工時出現的壓鉆風險,提高了成孔率,降低了壓鉆造成時間與成本浪費的風險[2]。另外,某研究院研制出一種智能化的自動遙控式鉆機樣機,該鉆機可以實現鉆機的遠程遙控、自動化鉆孔、以及鉆頭的自動化裝卸等。

國外開展煤礦井下遙控式鉆機研究的企業也比較少,瑞典山特維克公司以及美國寶長公司在借鑒Simba M4C巖巷掘進鉆機基礎上,研制了一種煤礦井下遙控式鉆進鉆機[3]。

2 關鍵技術

2.1 關鍵技術參數

此次所研究的煤礦井下遙控式鉆進鉆機是由中煤科工集團西安研究院有限公司研制的,其結構主要由三大部分組成,包括行走結構、鉆給結構以及操作結構。其中,行走結構由車體及傳動履帶構成,主要負責鉆機的前進及后退操作;鉆給結構包括鉆進裝置、制動緊縮裝置及雙立柱變幅穩固裝置;操作結構包括遙控器。該煤礦井下遙控式全斷面鉆進鉆機性能參數如表1所示。

表1 煤礦井下遙控式全斷面鉆進鉆機性能參數

2.2 雙立柱變幅穩固技術

圖1為遙控式全斷面鉆進鉆機的雙立柱變幅穩固裝置結構,雙立柱變幅穩固裝置位于鉆車車體履帶前端,鉆機工作時,變幅穩固裝置會隨著車體的移動而自動收回到車體內部。雙立柱變幅穩固裝置上端設有回轉機構,該裝置可以帶動鉆機機身完成90°選裝,節省鉆機機身所占用的空間,有效解決鉆機在薄煤層巷道內全斷面施工過程中所產生的調角、運輸、低位孔受限等問題[4]。該遙控式全斷面鉆進鉆機采用的雙立柱變幅穩固裝置屬于滑軌式多級穩固立柱,具有靈活度高、穩定性強的優勢,可以帶動鉆頭在立柱表面進行上下移動,實現對水平開孔高度的隨意調節。在進行全斷面大角度施工時,其舉升裝置可以實現對巷道頂底板與鉆進裝置之間距離的調節,可以提升全斷面鉆進施工的靈活性,滿足不同尺寸、角度條件下的全斷面施工要求。

圖1 雙立柱變幅穩固裝置結構

2.3 液力制動鎖緊技術

全斷面鉆進鉆機采用渦輪蝸桿式減速器作為回轉驅動機構,實現鉆機全斷面施工角度的調節。回旋式減速器結構如圖2所示,其優點是承載傾覆力矩大、尺寸小、保持力矩大。蝸桿通常為長軸結構,蝸桿與回轉驅動裝置之間需要預留一定的間隙,以實現對蝸桿工作過程的保護。鉆進裝置直接掛在鉆機前方,僅通過回轉驅動機構相連,在實際作業過程中,鉆機裝置的重力會直接垂直作用于回轉驅動機構上。回轉驅動機構還受到來自鉆桿傳遞的孔內交變負載力,導致回轉驅動機構所受到的作用力較為復雜。當蝸桿與回轉驅動裝置轉動外齒圈之間存在縫隙時,會引起施工過程中鉆進裝置的劇烈震動。本次研究的遙控式全斷面鉆進鉆機中具有液力制動鎖緊裝置。液力制動鎖緊裝置結構如圖3所示,鎖緊裝置位于回轉式減速器內部,鉆機工作時,回轉連接組件會被活塞帶動的摩擦片頂緊[5]。遙控式全斷面鉆進鉆機中的活塞沿缸體組件中心固定,缸體組件與回轉連接組件通過制動扭矩連接的方式形成一個整體,以提高鉆機工作過程的穩定性,減少回轉式減速器發生損壞的概率。

圖2 回轉式減速器結構

圖3 液力制動鎖緊裝置

2.4 防卡鉆技術

煤礦井下施工環境較為復雜,鉆機在鉆進過程中容易因氣壓、地壓等原因而產生卡鉆問題。本文所研究的遙控式全斷面鉆進鉆機具備防卡鉆功能。鉆機在鉆進過程中鉆頭所受到的壓力是根據孔內地質情況的變化而變化的。煤礦井下地質狀況具有不確定性,鉆機鉆頭在鉆進過程中所受到的旋轉壓力不停地在變化。對于鉆頭在鉆進過程中t時刻所受的旋轉壓力的計算,在t＋1時刻與t時刻每隔0.05 s選擇一個壓力參數,共選擇20個參數,在去掉最大值與最小值之后,所有數值的平均值即為鉆機在t時刻所受到的旋轉壓力。鉆頭旋轉壓力的計算公式如下:

式中,Pt＋1為鉆頭在t＋1時刻所受到的旋轉壓力平均值;Pt為鉆頭在t時刻所受到的旋轉壓力平均值。

鉆頭在正常工作狀態下所受到的旋轉壓力為3 MPa,當鉆頭所承受的旋轉壓力超過8 MPa時,就會發生卡鉆現象,導致鉆孔施工停止。在傳統的全斷面鉆孔施工中,卡鉆問題的處理方式主要包括:第一,停止鉆孔,等待瓦斯釋放完畢后再進行鉆孔;第二,進行排渣操作;第三,鉆頭邊旋轉邊前后移動,進行排渣操作。本次所研究的遙控式全斷面鉆進鉆機能夠對鉆頭所受的旋轉壓力進行捕捉,并完成自動排渣。具體操作步驟如下:當傳感器檢測到鉆頭所受旋轉壓力增大時,減緩鉆頭鉆進速度,在推進20 cm 左右后,鉆頭進行前后運動,以提高排渣效率;當傳感器檢測鉆頭所承受的旋轉液力達到3 MPa后,恢復正常鉆進操作。

2.5 遙控技術

傳統的全斷面鉆進鉆機,其鉆頭位于鉆機車體前方,操作裝置安裝于鉆機車體后方。工作時,操作人員只能在鉆機車體后方進行操作,無法直觀地看到鉆頭的實際位置與鉆機的實際工作情況,當遇到鉆機鉆進受阻時,只能移動到鉆機車體前方查看,這種方法不僅鉆進效率低下,并且存在較大的安全隱患[6]。而使用遙控式全斷面鉆進鉆機時,操作人員只需要在遙控器遙控范圍內對鉆機進行遙控操作即可。遙控式全斷面鉆進鉆機遙控控制原理如圖4所示。

圖4 遙控控制原理

2.6 導軌及襯板設計

在傳統的全斷面鉆進鉆機施工過程中,鉆頭的穿層角度變大時,其負載也會變大,導致鉆進裝置的導軌與襯板所受壓力變大[7]。傳統的全斷面鉆進鉆機所用的導軌為長方體結構,會導致一系列問題,如加速導軌側面的磨損,加速鋼材料導軌襯板的磨損;導軌與鉆機之間連接方式為焊接,當導軌出現損壞時,更換導軌會耗費大量的時間[8]。遙控式全斷面鉆進鉆機采用了可替換式“直角型”導軌,提升了導軌正面與側面所受壓力的合理性,有效解決了導軌側面磨損嚴重的問題。利用新型合金材料作為襯板的材料,加之熱處理工藝,有效提升了襯板的整體耐磨性,提高了導軌及襯板的整體使用壽命,避免因導軌、襯板更換所造成的時間浪費[9]。

3 現場試驗應用

傳統分體式鉆機在現場施工過程中,鉆機各部分由人工拆解搬運,鉆孔效率低,設備易損壞,且存在一定的安全問題。全斷面鉆進履帶鉆機是一款遙控鉆機,其無線遙控距離≥30 m,采用履帶自行式,具有低位水平開孔、運輸及調角高度低,穩固性能好及全斷面施工等功能,大大提高了薄煤層瓦斯抽采鉆孔施工效率[10]。在淮北礦業(集團)有限責任公司朱仙莊煤礦的試驗鉆場安排ZDY4000LF分體式鉆機施工,施工從2011 年11 月13 日開始至2011年12 月23 日結束,施工用時40 d,鉆孔66個,進尺5186 m,最深鉆孔126 m,最大傾角為56.5°,平均鉆進速度為129.65 m/d。鉆機現場工業試驗自2011年10月至2012年3月在蘆嶺礦的Ⅱ84 二區段進行,最大孔深112 m,累計進尺17 661 m,鉆孔最大仰角為63°[11-12]。圖5 為ZDY4000LF分體式鉆機鉆車主機。

圖5 鉆車主機

在淮南顧橋煤礦1314(1)軌道順層回風巷6號鉆場對遙控式全斷面鉆進鉆機工業性能進行現場試驗。該鉆場巷道高度為2 m,最低設計水平鉆孔高度為0.8 m,鉆孔類型為頂板走向孔,該礦過去進行瓦斯抽采鉆孔施工使用的鉆進鉆機類型為分體式鉆機,在使用遙控式全斷面鉆進鉆機進行鉆孔后,對鉆孔數據進行記錄,結果如表2所示。

表2 遙控式全斷面鉆進鉆機與分體式鉆機試驗參數對比

由表2可知,與原有分體式鉆機鉆進相比,遙控式全斷面鉆進鉆機的施工效率提高了近40%,且具有較強的施工穩定性與安全性。

4 結語

通過對遙控式全斷面鉆進鉆機研究現狀、關鍵技術進行分析,并對遙控式全斷面鉆進鉆機的實際施工效果進行驗證,可以發現,遙控式全斷面鉆進鉆機能夠有效解決傳統鉆機在煤礦瓦斯井下適應性不足的問題,可以有效提升煤礦井下薄煤層的瓦斯抽采施工效率,保證煤礦工作人員的人身安全,有效提升薄煤層瓦斯抽采的安全性。遙控式全斷面鉆進鉆機的廣泛應用是未來煤礦行業的必然發展趨勢。