煤礦小斷面硬巖巷掘進(jìn)用遠(yuǎn)控鉆機(jī)

王天龍，宋海濤，董洪波

（中煤科工集團(tuán)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(guó)煤礦綜采技術(shù)取了重大成果，逐步實(shí)現(xiàn)了綜采的自動(dòng)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(jìn)水平成制約煤礦正常接續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵，硬巖巷道掘進(jìn)問題尤為突出[3-4]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主要設(shè)備的綜掘法在國(guó)內(nèi)煤礦得到了廣泛應(yīng)用，但只適用于半煤巷、硬度系數(shù)不大的巖巷掘進(jìn)。對(duì)于硬巖巷掘進(jìn)，形成以氣腿式鑿巖機(jī)和全液壓鉆車為主要設(shè)備的爆破掘進(jìn)作業(yè)線。對(duì)于煤礦小斷面硬巖巷掘進(jìn)仍以鉆爆法為主[5]。絕大多數(shù)礦采用手持式氣動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度大，噪音大[6]。落后的小斷面硬巖巷掘進(jìn)技術(shù)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和礦井建設(shè)速度產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)備面臨的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”需求日益迫切，信息化、自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)技術(shù)與裝備是未來必然的發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。針對(duì)現(xiàn)有煤礦小斷面硬巖巷掘進(jìn)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(jìn)施工的遠(yuǎn)控鉆機(jī)（簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)控鉆機(jī)）可以極大的降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，提高勞動(dòng)安全性。

1 鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)控鉆機(jī)由鉆機(jī)本體和電控系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)控鉆機(jī)總體布局圖如圖1。

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

鉆機(jī)本體集主機(jī)、泵站、履帶車體、附屬部分于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。其中主機(jī)包括了給進(jìn)裝置和變幅裝置；泵站包括了電機(jī)泵組和油箱；附屬部分包括油霧潤(rùn)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(tái)、遠(yuǎn)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(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控鉆機(jī)的遠(yuǎn)程控制以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)；其中傳感器組件用來采集鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)參數(shù)；控制柜用來驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)電磁閥進(jìn)行邏輯控制以及采集傳感器數(shù)據(jù)；電磁啟動(dòng)器用來給電控系統(tǒng)供給合適的電壓。系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、解析，控制邏輯的運(yùn)算。該鉆機(jī)分為手動(dòng)和遠(yuǎn)控2種操作方式。其中操控臺(tái)用于司鉆人員觀察狀態(tài)參數(shù)和進(jìn)行手動(dòng)鉆進(jìn)操作；遙控器可以實(shí)現(xiàn)司鉆人員遠(yuǎn)程觀察鉆機(jī)參數(shù)以及遠(yuǎn)程鉆進(jìn)操作。

2 鉆機(jī)本體

2.1主機(jī)

主機(jī)包括了給進(jìn)裝置和變幅裝置，主要實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)動(dòng)力頭鉆進(jìn)和回退以及鉆機(jī)各種工況位置的調(diào)節(jié)[9-10]。給進(jìn)裝置采用油缸-鋼絲繩倍程倍速結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)鑿巖動(dòng)力頭的快速回退，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)間，提高施工效率。帶有液壓沖擊動(dòng)力頭的給進(jìn)裝置相比于回轉(zhuǎn)鉆機(jī)更適用于硬巖施工，可以提高過斷層速度。給進(jìn)裝置上設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(jī)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(jī)身整體伸出，提高機(jī)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(jìn)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?；剞D(zhuǎn)支撐組件由2個(gè)回轉(zhuǎn)支撐組成，上回轉(zhuǎn)支撐用來實(shí)現(xiàn)給進(jìn)裝置方位角移動(dòng)，下回轉(zhuǎn)支撐用來調(diào)節(jié)俯仰角。

2.2泵站

泵站包括了電機(jī)泵組和油箱，主要用于儲(chǔ)存油液和為鉆機(jī)提供動(dòng)力源[11]。電機(jī)泵組采用22 kW電機(jī)+兩聯(lián)串聯(lián)齒輪泵的形式。電機(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)、成本低，可以適應(yīng)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(rùn)滑、維護(hù)方便的特點(diǎn)，可以補(bǔ)償兩軸相對(duì)的偏移。油箱結(jié)構(gòu)采用異形設(shè)計(jì)，上面可以放置控制柜，有效利用了空間，降低了鉆機(jī)高度尺寸。頂部采用封閉型設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的開式設(shè)計(jì)，可以防止加油時(shí)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(hù)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(shí)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(gè)部分。履帶寬度僅有0.8 m，體積小，適應(yīng)狹窄斷面。焊接車體采用內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)，留出足夠空間安裝變幅機(jī)構(gòu)，可以有效降低主機(jī)高度；履帶采用重型履帶，履帶片強(qiáng)度高不易損壞，有利于在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境行走。履帶車體前端安裝2個(gè)下穩(wěn)固裝置，提高復(fù)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(yuǎn)控鉆機(jī)電控系統(tǒng)由傳感器組、操控臺(tái)、控制器、電磁起動(dòng)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(tái)側(cè)面，用來測(cè)液壓系統(tǒng)中各個(gè)執(zhí)行動(dòng)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(cè)油箱的溫度和油液位置；位移傳感器安裝于給進(jìn)裝置上，用于檢測(cè)沖擊動(dòng)力頭的移動(dòng)位置。操控臺(tái)上安裝有開關(guān)電磁閥、比例電磁閥、電磁溢流閥，用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作?？刂乒袷请娍叵到y(tǒng)的核心，采用專用的PLC控制器。電磁啟動(dòng)器用于給電控柜進(jìn)行供電。遙控器由顯示屏、指示燈、控制手柄、開關(guān)、調(diào)節(jié)旋鈕等組成。用來下發(fā)鉆機(jī)遠(yuǎn)程操控指令。遙控器發(fā)出操作指令由接收器接收信號(hào)后傳遞給PLC控制器，PLC接收后發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)操控臺(tái)上的電磁閥開合執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)控制器采集傳感器采集的工況數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理后顯示在遙控器的顯示屏上。為滿足鉆機(jī)在惡劣環(huán)境下安全使用要求，電控系統(tǒng)采用防爆設(shè)計(jì)，線路插接件選用IP65等級(jí)防護(hù)。

3.2 電控系統(tǒng)控制器

鉆機(jī)控制器是鉆機(jī)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(jī)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(jī)控制器主要作用是完成對(duì)傳感器信息的采集、解碼和計(jì)算以及輸出控制信號(hào)完成對(duì)鉆機(jī)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制[14]，同時(shí)也為加掛在控制器上的其他本安設(shè)備供電。該專用控制器按結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)化，將AC127 V非本安電源轉(zhuǎn)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(shè)備供電；隔離采集板用于實(shí)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(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)功能；PLC控制器內(nèi)嵌有控制程序，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包解碼計(jì)算、鉆機(jī)控制邏輯判斷、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)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(hào)接口，如有需要可與計(jì)算機(jī)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(guān)量輸入DI，用來連接位置傳感器以及轉(zhuǎn)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(dòng)電磁比例閥；20路非安開關(guān)量輸出接口，可驅(qū)動(dòng)電磁開關(guān)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(shè)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(jìn)行編程，也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)調(diào)用功能模塊。本文使用ST語言進(jìn)行編程，這種編程用戶可以快速掌握，可以快速實(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面交互編程[15]。炮眼鉆機(jī)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(jī)檢查炮眼鉆機(jī)的狀態(tài)。通過安裝在鉆機(jī)上的傳感器采集的鉆機(jī)壓力溫度的信息，判斷鉆機(jī)情況是否正常，若不正常時(shí)，檢查出現(xiàn)問題的機(jī)械和電氣故障，直到調(diào)整至正常狀態(tài)；根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)位置（方位、角度、高度）調(diào)整開孔位置，控制調(diào)角裝置動(dòng)作到設(shè)計(jì)位置；控制動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)，控制給進(jìn)裝置執(zhí)行2 000 N的推進(jìn)力，使其頂住巖壁后，將采集到推進(jìn)力與設(shè)置的巖壁頂緊力比較，（頂緊力為根據(jù)實(shí)際情況給定的數(shù)值）若推進(jìn)力小于頂緊力，則繼續(xù)加大推進(jìn)力；若采集的推進(jìn)力大于巖壁頂緊力，則可以開孔，控制動(dòng)力頭沖擊啟動(dòng)以6 MPa的沖擊壓力進(jìn)行開眼，開眼后通過位移傳感器檢測(cè)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(jìn)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(jìn)力、回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)速度等參數(shù)；鉆孔過程中如果出現(xiàn)回轉(zhuǎn)壓力升高超過回轉(zhuǎn)正常值14 MPa，則判斷為卡釬現(xiàn)象，進(jìn)行卡釬處理，此時(shí)沖擊停止，給進(jìn)裝置回退直到回轉(zhuǎn)壓力達(dá)到正常值時(shí)繼續(xù)給進(jìn)沖擊進(jìn)行鉆孔施工；位移傳感器檢測(cè)到預(yù)定鉆孔深度后關(guān)閉沖擊，給進(jìn)裝置回退；根據(jù)位移傳感器檢測(cè)給進(jìn)裝置的動(dòng)力頭是否回退到位，到位后停止回轉(zhuǎn)和推進(jìn)，鉆孔結(jié)束，若動(dòng)力頭沒有回退到位，則進(jìn)行位移傳感器檢測(cè)位移，直至動(dòng)力頭回退到位，到位后停止回轉(zhuǎn)和推進(jìn)，停機(jī)，結(jié)束。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鉆機(jī)裝配好進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)。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(jī)配套2 m長(zhǎng)R28 mm釬桿和準(zhǔn)41 mm合金鉆頭進(jìn)行鉆孔施工。施工之前對(duì)鉆機(jī)的主要參數(shù)沖擊壓力、回轉(zhuǎn)流量、給進(jìn)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別控制鉆機(jī)的沖擊功率、回轉(zhuǎn)速度、給進(jìn)力的大小。匹配3個(gè)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(zhuǎn)速度在一定范圍內(nèi)對(duì)鉆孔速度影響不大，給進(jìn)力不宜過大和過小，過大導(dǎo)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(jī)參數(shù)調(diào)定在沖擊壓力12 MPa、給進(jìn)壓力4 MPa的情況下施工1.2 m深，直徑準(zhǔn)41mm鉆孔30個(gè)，角度在-30°～30°，平均成孔時(shí)間為1.5 min。試驗(yàn)表明該鉆機(jī)操作簡(jiǎn)單，安全性好，施工效率高。

5 結(jié)語

煤礦小斷面硬巖巷掘進(jìn)施工用遠(yuǎn)控鉆機(jī)采用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)強(qiáng)度大、安全性低的問題。該炮眼鉆機(jī)采用倍程倍速給進(jìn)裝置、多變幅調(diào)角裝置、窄體履帶底盤，利用檢測(cè)與控制技術(shù)解決了制約小斷面硬巖巷鉆機(jī)結(jié)構(gòu)適應(yīng)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(jìn)步提供新思路。