遠(yuǎn)程控制的井下瓦斯抽采鉆機(jī)

文/中煤科工集團(tuán)重慶研究院 王清峰

“遠(yuǎn)程控制的井下瓦斯抽采鉆機(jī)”，實(shí)現(xiàn)了地面遠(yuǎn)程控制井下瓦斯抽采鉆孔施工，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)無人化，有效杜絕了煤與瓦斯突出傷人等事故的發(fā)生。2018年，該專利項(xiàng)目獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)局組織授予的“第十九屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)”。

圖1 遠(yuǎn)程控制工作原理示意圖

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工，通常存在瓦斯噴孔、突出傷人事故等安全隱患；常規(guī)鉆機(jī)鉆孔施工，需要人工搬運(yùn)鉆機(jī)和上下鉆桿，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，鉆孔效率低；常規(guī)鉆機(jī)操作人員多，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)、系統(tǒng)故障等存在傷人危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制井下瓦斯抽采鉆孔施工，可提高鉆機(jī)自動(dòng)化水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆孔效率；減少井下作業(yè)人數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)無人化，為煤礦井下無人化開采奠定技術(shù)基礎(chǔ)，保障礦井安全生產(chǎn)。

研發(fā)歷程

“遠(yuǎn)程控制的井下瓦斯抽采鉆機(jī)”是中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（簡(jiǎn)稱重慶研究院）通過國(guó)家發(fā)改委2007年重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)、“十一五”“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題以及企業(yè)多個(gè)自立科研項(xiàng)目的研究，所形成的技術(shù)成果。該項(xiàng)目經(jīng)過調(diào)研、總體方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、出廠試驗(yàn)、型式檢驗(yàn)、井下工業(yè)性試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等階段，研制了兩種型式的鉆機(jī)，其中，ZYWL-2000Y整體履帶式自動(dòng)控制鉆機(jī)在重慶松藻煤電有限責(zé)任公司逢春煤礦進(jìn)行了為期2個(gè)月的井下工業(yè)性試驗(yàn)；ZYWL-4000SY雙履帶式自動(dòng)控制鉆機(jī)在淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦進(jìn)行了約10個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

本項(xiàng)目所研制的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制鉆機(jī)，是目前國(guó)內(nèi)唯一能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)施工的煤礦鉆機(jī)，和目前煤礦普遍使用的鉆機(jī)相比，遠(yuǎn)距離控制和自動(dòng)化施工是它最大的特點(diǎn)。該鉆機(jī)可進(jìn)行“一鍵”全自動(dòng)鉆進(jìn)和退鉆，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移機(jī)、錨固與定位，推動(dòng)了煤礦井下鉆孔施工的無人化進(jìn)程，有效杜絕了煤與瓦斯突出傷人等事故的發(fā)生，保證煤礦生產(chǎn)安全。

2018年，經(jīng)國(guó)家安全監(jiān)管總局推薦，該專利項(xiàng)目獲得了由中國(guó)專利獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)評(píng)審，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)局組織授予的“第十九屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)”，為安全生產(chǎn)領(lǐng)域三個(gè)獲獎(jiǎng)專利之一。

工作原理

煤礦井下遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制鉆機(jī)以普通煤礦鉆機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)需要配置相應(yīng)的自動(dòng)控制模塊，最終實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制功能。通過各類檢測(cè)傳感器和攝像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)各環(huán)節(jié)工況參數(shù)、流程狀態(tài)、視頻圖像及場(chǎng)景聲音。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)的寬帶網(wǎng)實(shí)現(xiàn)地面與井下數(shù)據(jù)、聲音、圖像的雙向?qū)崟r(shí)傳輸。

利用礦井已有監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過遠(yuǎn)控站、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、主控站及液壓系統(tǒng)控制主機(jī)及各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)鉆進(jìn)功能；0～90°傾角范圍自動(dòng)上下鉆桿；自適應(yīng)防卡鉆功能；自動(dòng)記錄鉆進(jìn)深度；模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要添加不同功能，如井下遙控、地面控制井下等功能。具備地面遠(yuǎn)距離操作和現(xiàn)場(chǎng)遙控操作兩種遠(yuǎn)程模式；具備單動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，在自動(dòng)模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)“一鍵”按下，自動(dòng)進(jìn)行鉆進(jìn)或退鉆；具備鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自檢與報(bào)警功能。

遠(yuǎn)端控制站通過專用信號(hào)線控制鉆機(jī)主機(jī)端的控制器，遠(yuǎn)控站可顯示鉆機(jī)狀態(tài)、聲音、視頻，具備地面監(jiān)視井下施工畫面與聲音以及地面與井下語音通訊功能。地面遠(yuǎn)控站發(fā)一指令，通過煤礦現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳給井下鉆機(jī)主控站，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下鉆桿，旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)等功能，可以完成施工鉆孔所有動(dòng)作。可施工近水平孔。

關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

關(guān)鍵技術(shù)

大傾角自動(dòng)上下鉆桿技術(shù)：設(shè)計(jì)為機(jī)械手和儲(chǔ)存箱組合結(jié)構(gòu)，通過高壓油驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上的液壓馬達(dá)和油缸等執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)抓取鉆桿、輸送鉆桿和調(diào)整鉆桿傾角等動(dòng)作；可實(shí)現(xiàn)0～90°傾角范圍內(nèi)的鉆桿自動(dòng)上下。

自動(dòng)移機(jī)錨固定位技術(shù)：自動(dòng)移機(jī)技術(shù)，攝像儀配合超聲測(cè)距儀的定位，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)移機(jī)；自動(dòng)錨固技術(shù)，在油缸上安裝傳感器來測(cè)定錨固狀態(tài)，如果檢測(cè)壓力小于液壓系統(tǒng)設(shè)定錨固壓力值，則自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

自動(dòng)定位技術(shù)：開發(fā)出姿態(tài)儀，可以實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)架的方位角和傾角，并反饋給電控箱，控制程序控制履帶底盤上的液壓馬達(dá)及調(diào)斜油缸，來調(diào)節(jié)鉆機(jī)機(jī)架的方位角和傾角。

鉆孔參數(shù)采集、顯示及存儲(chǔ)技術(shù)：實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算鉆孔深度、采集開孔角度、鉆進(jìn)壓力等參數(shù)功能；可以在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，并可以自動(dòng)存儲(chǔ)；供驗(yàn)孔及后期查閱。

創(chuàng)新點(diǎn)

國(guó)內(nèi)首次將機(jī)械手應(yīng)用于煤礦鉆機(jī)，通過機(jī)械手和配套的鉆桿箱，實(shí)現(xiàn)了鉆桿的自動(dòng)上下，該機(jī)構(gòu)取代人工操作，大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

自主研發(fā)煤礦鉆機(jī)的自動(dòng)鉆進(jìn)控制程序，實(shí)現(xiàn)了煤礦鉆機(jī)鉆孔的自動(dòng)化操作，為煤礦高效、安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

實(shí)現(xiàn)了煤礦鉆機(jī)的遠(yuǎn)距離控制甚至地面控制井下鉆機(jī)施工鉆孔，保障了操作人員的安全，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)無人化。

應(yīng)用效果

圖2 遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)鉆機(jī)

遠(yuǎn)程控制的瓦斯抽采鉆機(jī)研制成功后，在重慶松藻逢春礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，在淮南礦業(yè)謝橋礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用，最大月進(jìn)尺5 000余米，單機(jī)月進(jìn)尺超過同工作面近似功率的傳統(tǒng)鉆機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與推廣應(yīng)用表明，遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，視頻聲音監(jiān)視系統(tǒng)畫面、聲音反饋清晰，地面及遙控操作系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作準(zhǔn)確，自動(dòng)移機(jī)、錨固、定位功能準(zhǔn)確可靠，自動(dòng)上下鉆桿動(dòng)作準(zhǔn)確穩(wěn)定，自動(dòng)鉆進(jìn)及退鉆效率較高。

2016年11月16—18日，由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司主辦、淮南礦業(yè)集團(tuán)協(xié)辦的“遠(yuǎn)控鉆機(jī)技術(shù)”交流會(huì)在淮南召開。有來自平煤神馬集團(tuán)、神華神東煤炭集團(tuán)、河南神火煤業(yè)集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)、鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán)、國(guó)投新集、新疆焦煤、陽(yáng)煤集團(tuán)等21家單位的72位專家、領(lǐng)導(dǎo)參會(huì)。通過現(xiàn)場(chǎng)考察與會(huì)議交流，與會(huì)專家一致認(rèn)為：該裝備能實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)鉆進(jìn)，快速調(diào)整鉆孔方位和傾角，自動(dòng)化程度高；能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，安全性能好；無需人工上下鉆桿，勞動(dòng)強(qiáng)度??；可自動(dòng)計(jì)算孔深并存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。該裝備減少了現(xiàn)場(chǎng)操作人員數(shù)量，對(duì)于保障瓦斯抽放鉆孔施工人員的人身安全及減員增效，以及真正實(shí)現(xiàn)鉆孔施工無人化具有重大意義。

遠(yuǎn)程控制井下瓦斯抽采鉆機(jī)的成功研制，為我國(guó)煤礦鉆進(jìn)施工提供了先進(jìn)的技術(shù)和裝備。推廣應(yīng)用遠(yuǎn)距離控制井下鉆孔施工，能夠有效杜絕施工過程中煤與瓦斯鉆孔突出傷人事故的發(fā)生，減少人員傷亡，保證煤礦安全生產(chǎn)。