煤礦瓦斯抽放孔探測裝置的概念設(shè)計(jì)①

王續(xù)明 李孝平 張 文

(華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

瓦斯抽放是解決礦井瓦斯災(zāi)害事故行之有效的措施，根據(jù)國家關(guān)于煤礦“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風(fēng)定產(chǎn)”的瓦斯治理十二字方針，為了大幅度降低瓦斯超限對安全生產(chǎn)的威脅，強(qiáng)制煤礦對本煤層或鄰煤層的瓦斯實(shí)施預(yù)抽，將瓦斯在一定范圍內(nèi)抽出和卸壓，以使其壓力和蘊(yùn)藏量降低，盡可能降低突出的可能性，而且抽放的瓦斯可用作燃料，變害為利，對環(huán)境也起到了保護(hù)作用。鉆孔抽放瓦斯具有施工成本低、工作面準(zhǔn)備周期短、施工安全性好、有利于瓦斯的綜合利用等優(yōu)點(diǎn)［1］。在煤層內(nèi)鉆孔這道工序目前普遍采用的是液壓鉆機(jī)來完成，鉆深一般都可達(dá)100m以上，甚至上千米［2］。鉆孔達(dá)到一定深度后，軸線都會有所彎曲，并且在鉆桿退出后，孔壁受到周邊壓力的作用會發(fā)生局部塌落而堵塞鉆孔。因此，采用常規(guī)的波測法與光測法很難對瓦斯抽放孔的有效深度和孔內(nèi)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。

鉆孔孔深測量技術(shù)和裝備的研究還處于起步階段，在煤礦領(lǐng)域尚無有效的手段和方法來測量鉆孔的準(zhǔn)確深度，現(xiàn)有方法基本局限于鉆孔時計(jì)算鉆桿的長度，或者成孔后往里捅鐵絲、塞木棍等方法測量，費(fèi)工費(fèi)時，很不方便。也有不少學(xué)者提出了一些新的測量方法，例如通過測量鉆頭進(jìn)桿推進(jìn)油缸的液壓油流量來計(jì)算鉆孔的深度［3］，還有通過測量壓入瓦斯抽放孔的壓縮空氣量來計(jì)算深度等［4］，但在應(yīng)用過程中都存在一些不足，現(xiàn)有的測量方法還是無法做到簡便、易行。目前中國煤炭科工集團(tuán)重慶研究院、沈陽研究院已經(jīng)開始著手對鉆孔孔深測量技術(shù)和裝備的研究工作。

1 總體方案

瓦斯抽放孔直徑一般在60～110 mm之間［5］，本文主要針對直徑為70 mm的鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。在參考各種孔深測量方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合瓦斯抽放孔的自身特點(diǎn)，提出一種以圓筒型直線電機(jī)為動力、沿瓦斯抽放孔蠕動行走、攜帶多種傳感器的檢測裝置，可以測量成孔的深度、軌跡、圖像及其它理化參數(shù)。該裝置由直線電機(jī)直接驅(qū)動，無儲能元件，行走效率較高。蠕動行走時，采用電磁吸合方式實(shí)現(xiàn)初級與次級的循環(huán)定位，定位可靠。由于該裝置能產(chǎn)生較大的電磁推力，孔內(nèi)出現(xiàn)的局部微小坍塌、堵塞、排氣不暢的地方，可以進(jìn)行一定程度的修復(fù)，從而有效提高抽放孔的利用率。

圓筒型直線感應(yīng)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、響應(yīng)快、制造成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，且由于其初級、次級繞組不存在端部，提高了繞組的利用率，也消除了橫向邊端效應(yīng)。但是直線電機(jī)兩端不能封閉，所以存在縱向邊端效應(yīng)，為了降低其影響，對于低速高滑差直線的感應(yīng)電機(jī)應(yīng)使級數(shù)2p＞5［8］。

1.1 結(jié)構(gòu)簡圖

該裝置的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由次級電磁吸合裝置1、次級導(dǎo)電層2、鋼次級3、導(dǎo)向滑動軸承4、初級軛部5、初級鐵心6、初級線圈7、初級電磁吸合裝置8、電纜線9、滾動輪10、傳感器和攝像系統(tǒng)11等組成。

圖1 探測裝置的結(jié)構(gòu)簡圖

初級的軛部為壁厚為3mm的鋼管，同時也起到支撐整個電機(jī)的作用;初級鐵心采用橫向疊片式，由圓形硅鋼片迭壓而成;初級線圈的導(dǎo)線采用高強(qiáng)度漆包線，繞組形式為餅式線圈，單層整距排列;為了降低次級的渦流損耗，又保證一定的機(jī)械強(qiáng)度，次級采用鋼銅復(fù)合次級，即在鋼管上鍍上一層厚度為1mm的紫銅作為導(dǎo)電層，鋼主要起導(dǎo)磁作用。次級采用這種中空的厚壁鋼管，不僅可以大大減輕重量，提高電機(jī)的效率，而且能有效改善冷卻條件。在初級兩端分別安裝了導(dǎo)向滑動軸承，當(dāng)初級線圈繞組通以三相對稱交流電后，便會在氣隙中產(chǎn)生沿直線方向移動的行波磁場［9］，與復(fù)合次級產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁推力，若固定初級或次級中的任何一方，另一方就會沿著導(dǎo)向軸承做直線運(yùn)動。

1.2 防爆設(shè)計(jì)

由于煤礦井下環(huán)境中存在可燃可爆的氣體和固體，所以電氣設(shè)備必須具備防爆性能。該裝置采用隔爆型的設(shè)計(jì)，其原理是通過隔爆外殼強(qiáng)度及控制隔爆接合面結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)隔爆目的。設(shè)備爆炸時其內(nèi)部會產(chǎn)生0.5 MPa～2.0 MPa的爆壓，將對殼壁產(chǎn)生沖擊力。該裝置鋼管外殼的抗拉強(qiáng)度及壁厚能達(dá)到要求。接線盒內(nèi)的接線板或端子套的絕緣部分采用耐泄痕性分級為Ⅱ級絕緣材料制成。

1.3 主要尺寸和參數(shù)

按照參考文獻(xiàn)［10］中的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算公式，對該探測裝置電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，限于篇幅省略了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，電機(jī)的主要尺寸和參數(shù)如下:相數(shù)m=3，電源相電壓U=380 V，頻率f=5Hz，級數(shù)2p=10，初級外徑D3=60mm，初級內(nèi)徑D1=21mm，初級長度L1=530mm，極距τ =45 mm，機(jī)械氣隙長度δ=1 mm，齒寬bt=5 mm，槽寬b1=10 mm，槽深h1=6.5 mm，每相匝數(shù)N= 80，次級鐵厚為4 mm，次級導(dǎo)電層紫銅厚度為1 mm，次級長度1100 mm，移動速度V1=2fτ=0.45 m/s，縱向推力F1=200 N，單步行程s=0.5 m。

2 電磁吸合裝置的設(shè)計(jì)

探測器電磁吸合裝置方案簡圖如圖2所示，三組電磁吸合裝置和三組滾動輪相間均布分布，主要由由殼體1、支撐腳2、彈簧3、永磁體4、電磁鐵5、正六方支座6、滾動輪7組成。電磁鐵吸合裝置采用永磁體與電磁鐵的組合方式，通過對電磁鐵的控制來實(shí)現(xiàn)初級、次級與孔壁的循環(huán)固定。電磁鐵通電后，產(chǎn)生與永磁體相互排斥的磁場，永磁體在該磁場力的作用下克服彈簧力向外伸出，直到支撐腳與孔壁壓緊。當(dāng)電磁鐵斷電后，磁場消失，支撐腳在彈簧力的作用下收回殼體內(nèi)部，同時由于滾動輪的存在能減小機(jī)構(gòu)的運(yùn)動阻力，提高蠕動運(yùn)行效率。

圖2 電磁吸合裝置的結(jié)構(gòu)簡圖

這種電磁吸合裝置具有體積小、響應(yīng)速度快、可長時間通電、吸著力大等特點(diǎn)［12］，能滿足吸附瓦斯抽放孔內(nèi)壁的要求。而且控制過程比較簡單，通過改變電磁鐵線圈的電流大小來調(diào)整與孔壁的壓緊程度，三個電磁吸合裝置共用一個控制信號，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。

3 運(yùn)動分析

當(dāng)該探測裝置在瓦斯抽放孔內(nèi)工作時，其蠕動機(jī)理如下:初級的電磁吸合裝置通電，支撐腳沿徑向伸出與孔壁壓緊;之后初級線圈供電，次級在行波磁場的作用下向前運(yùn)動;次級兩端安裝了限位開關(guān)和緩沖裝置，當(dāng)運(yùn)動到位后，限位開關(guān)打開，初級線圈斷電，次級在緩沖裝置的作用下停穩(wěn);接著，次級的電磁吸合裝置通電，次級吸合裝置的支撐腳伸出與孔壁固定，同時初級的鎖合裝置斷電，支撐腳在彈簧力的作用下收回殼體內(nèi)部，使初級與孔壁脫離;當(dāng)初級線圈再次通電時，要改變?nèi)嗑€圈的通電順序，如果初級固定，那么次級就會反向運(yùn)動，但是通過前面分析可知，此時與孔壁固定的是次級，所以在行波磁場作用下初級會向前移動靠攏，次級則靜止不動，從而實(shí)現(xiàn)了一步蠕動。如此循環(huán)往復(fù)，該裝置在孔內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)蠕動前進(jìn)，倒退時的運(yùn)動過程與前進(jìn)時相反。移動速度V1=2fτ=0.45 m/s，縱向推力F1=200N，單步行程s=0.5m。

在該裝置的前端攜帶了各種傳感器，實(shí)時監(jiān)測孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、溫度、壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，測量孔的軌跡、形狀、深度等幾何參數(shù)，為技術(shù)人員提供重要的資料，確保瓦斯抽放工作有效進(jìn)行。除此之外，探測裝置還配備數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)，能夠把孔壁三維全景圖像拍攝下來，通過電纜線實(shí)時將信號傳輸?shù)奖O(jiān)視器，顯示拍攝到的視頻圖像，提供更加豐富和直觀的信息［14］。

4 結(jié)論

1)在煤礦生產(chǎn)中，鉆孔的質(zhì)量是決定預(yù)抽瓦斯的關(guān)鍵，準(zhǔn)確而快速地測量瓦斯抽放孔的有效深度和孔內(nèi)狀況，對保證抽放效果具有重大意義。

2)該探測器結(jié)構(gòu)簡單，移動速度 V1約為0.45 m/s，行走效率高，對重要數(shù)據(jù)和參數(shù)可以直接測量，精度較高。次級產(chǎn)生的縱向推力F1能達(dá)到200 N左右，結(jié)合攝像系統(tǒng)，對孔內(nèi)出現(xiàn)的微小坍塌、堵塞等狀況進(jìn)行一定程度的修復(fù)，有效提高抽放孔的利用率，保證抽放效果。

3)該裝置還可用于煤礦井下其他的長深鉆孔的測量工作，提高探測隱患的精度和效率，這對減少煤炭生產(chǎn)中的不安全隱患、提高生產(chǎn)率都是非常重要的。

［1］ 朱詩山.煤礦瓦斯抽放技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2009，28(06):102－103

［2］ 姚寧平，孫榮軍，等.我國煤炭井下瓦斯抽放鉆孔施工設(shè)備與技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(3):12－16

［3］ 何終毅.煤礦瓦斯排放鉆孔深度測量方法及測量儀器:中國，200810303703.6［P］.2009－01－07

［4］ 張昌鎖，張世平等.瓦斯抽放孔深度的檢測方法:中國，200710062297.4［P］.2007－12－19

［5］ 周世寧，林柏泉.煤礦發(fā)絲賦存與流動理論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999

［6］ 于會軍，鄒向煒.優(yōu)化鉆孔參數(shù)提高采區(qū)瓦斯抽放效果［J］.煤炭工程，2007，(2):52－54

［7］ 趙興旗.提高礦井抽放瓦斯效果的途徑［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，(05):38－41

［8］ 葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000

［9］ 盧琴芬.直線同步電機(jī)的特性研究(博士論文)［D］.浙江大學(xué)，2005

［10］ 顧積棟.低速圓筒型異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)方法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1978，3:79－90

［11］ 賈宏新.電梯用直線感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)研究(博士論文)［D］.浙江大學(xué)，2002

［12］ 張延恒，逄增輝.一種蠕動式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，4(3):13－15

［13］ 王小龍，馬駿騎，等.一種新型管道機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.昆明大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30(3):46－48

［14］ 王川嬰，LAW K Tim.鉆孔攝像技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24 (19):3441－3448