煤礦井下整體式多通道自動(dòng)化封孔裝置研究

王 力，姚寧平，王 毅，李程程

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

國家提出了煤礦智能化的發(fā)展戰(zhàn)略，研發(fā)應(yīng)用煤礦機(jī)器人成為煤礦智能化、推進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和本質(zhì)安全發(fā)展的必由之路。煤礦“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”是今后一段時(shí)間內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)科技創(chuàng)新的重點(diǎn)，以機(jī)械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)、以自動(dòng)化控制減少人為操作，從本質(zhì)上防范和遏制事故發(fā)生，是煤礦安全生產(chǎn)的重大需求。地質(zhì)前探、瓦斯抽采、防治水等鉆探施工為采掘提供準(zhǔn)確地質(zhì)信息，為瓦斯治理、水害防治的提供技術(shù)手段，是煤礦安全生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)支撐[1-6]。

國外在礦山鉆孔機(jī)器人研究領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了裝備的自動(dòng)化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)鉆進(jìn)、自動(dòng)裝卸鉆桿、自動(dòng)移動(dòng)、定位等功能。國內(nèi)在鉆孔機(jī)器人研究方面，中南大學(xué)1998年進(jìn)行隧道鉆孔機(jī)器人的研究，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位、自動(dòng)布孔、自動(dòng)施工等功能。中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)自動(dòng)上下鉆桿技術(shù)進(jìn)行了原理性研究。中煤科工集團(tuán)重慶研究院2008年研發(fā)了防突遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)，具有無線遙控、全自動(dòng)鉆進(jìn)及上下鉆桿功能[7]，但這些國內(nèi)外研究均未涉及自動(dòng)封孔技術(shù)及裝置研究。從封孔原理和實(shí)際封孔效果來看，“兩堵一注”帶壓封孔是我國煤礦目前最好的瓦斯抽采鉆孔封孔方法[8-10]。但目前采用的“兩堵一注”封孔器都無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封孔，且通道不夠，注漿段氣體無法完全排出，導(dǎo)致封孔不嚴(yán)、抽采漏氣、抽采濃度下降快等問題[11-15]。因此，中煤科工集團(tuán)西安研究院依托“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，開發(fā)了具備坐封、注漿、排氣、抽采等多通道、可配套鉆孔機(jī)器人的自動(dòng)“兩堵一注”封孔裝置，對(duì)提高煤礦井下鉆孔封孔自動(dòng)化程度和可靠性，實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯防治無人化具有重要意義。

1 封孔裝置總體方案

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面，封孔裝置依靠鉆孔機(jī)器人來抓取、擰卸、安裝；在封孔工藝方面，要滿足坐封、注漿過程工序自動(dòng)切換控制，壓力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，坐封、注漿、抽采通道滿足流量、壓力、壓力損失等要求。

1.1 整體式多通道結(jié)構(gòu)

目前，煤礦井下使用的“兩堵一注”囊袋式封孔器主要由上下2個(gè)囊袋、注漿管、爆破閥組成，封孔時(shí)先將盤卷的封孔器打開，捆扎在封孔管上，送入孔內(nèi)后，從注漿管注水到上下2個(gè)“兩堵”囊袋中，當(dāng)“兩堵”壓力到設(shè)定值后，爆破閥打開后開始注漿封孔，到設(shè)定注漿壓力時(shí)保壓后結(jié)束封孔。這種封孔器要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有幾個(gè)問題：①封孔器盤卷需要展開人工捆扎固定到封孔管上，人工送入孔內(nèi)；②爆破閥的爆破壓力靠螺紋旋緊程度控制，不確定性大；③需要專門預(yù)埋通道給注漿環(huán)空排氣。

針對(duì)袋式封孔器存在的問題和封孔自動(dòng)化的需要，自動(dòng)封孔裝置設(shè)計(jì)為整體式類鉆桿多通道結(jié)構(gòu)。

1）整體式類鉆桿結(jié)構(gòu)。封孔裝置設(shè)計(jì)為上坐封短節(jié)、中間管、下坐封短節(jié)等3大部分。采用與鉆孔機(jī)器人使用普通鉆桿類似的公母絲扣連接、可夾持結(jié)構(gòu)，便于機(jī)器人抓取、連接、加桿、下入等操作。整體式類鉆桿封孔裝置的下入操作與普通下鉆操作完全相同，在控制程序設(shè)計(jì)上只需要鉆孔機(jī)器人按照上坐封短節(jié)、中間管和下坐封短節(jié)順序抓取，一次安裝即可。封孔裝置3大部分如圖1。

圖1 自動(dòng)封孔裝置主要組成Fig.1 Main components of automatic hole sealing device

2）多通道結(jié)構(gòu)。封孔裝置在滿足坐封、注漿、排氣功能的同時(shí)不影響封孔后的瓦斯抽采。結(jié)合鉆孔結(jié)構(gòu)、通道結(jié)構(gòu)要求和封孔工藝過程，封孔裝置設(shè)計(jì)為3通道結(jié)構(gòu)：第1個(gè)通道是坐封與注漿通道，第2個(gè)通道是排氣與返漿通道，第3個(gè)通道是瓦斯抽采通道。封孔裝置通道由3個(gè)同軸管體封隔組成，相鄰管體間環(huán)空形成了坐封、注漿、排氣、返漿和抽采通道。外管與中間管之間環(huán)形空間為坐封、注漿通道，中間管與內(nèi)管之間通道為排氣、返漿通道，內(nèi)管內(nèi)通孔為瓦斯抽采通道；各個(gè)通道的鎖死、切換有相應(yīng)設(shè)置的咬合結(jié)構(gòu)、活塞、定值抗剪銷釘組成。封孔裝置3通道分布如圖2。

圖2 封孔裝置3通道分布Fig.2 Distribution of three accesses of sealing device

1.2 自動(dòng)封孔控制方案

1）封孔裝置自動(dòng)安裝。操作鉆孔機(jī)器人遙控器，借助鉆孔機(jī)器人的機(jī)械手從封孔裝置倉中按設(shè)定程序依次抓取下坐封短節(jié)、中間加長管（數(shù)量根據(jù)封孔深度要求）、上坐封短節(jié)，按加接鉆桿動(dòng)作，順序送入孔內(nèi)。機(jī)器人上卸轉(zhuǎn)速、給進(jìn)、預(yù)緊力等采用封孔裝置安裝專用控制程序，并且通過多路傳感器監(jiān)采集實(shí)際操作參數(shù)，確保下入封孔裝置可靠，封孔裝置自動(dòng)安裝原理如圖3。

圖3 機(jī)器人封孔裝置自動(dòng)安裝控制原理Fig.3 Automatic installation and control principle of robot hole sealing device

2）封孔裝置3通道自動(dòng)切換。封孔裝置包括多個(gè)同軸管體，相鄰管體間環(huán)空形成坐封、注漿、排氣、返漿和抽采通道；坐封短節(jié)中設(shè)計(jì)坐封膠桶，軸向壓縮自鎖機(jī)構(gòu)與膠桶連接，漿液進(jìn)入坐封、注漿通道后，驅(qū)動(dòng)活塞壓縮膠桶膨脹，達(dá)到設(shè)定坐封壓力后，自鎖機(jī)構(gòu)鎖死完成“兩堵”坐封，此時(shí)后注漿機(jī)構(gòu)上的剪切銷釘被剪斷，注漿孔與鉆孔連通，注漿通道打開。對(duì)于上仰孔，漿液自孔口向孔底填充鉆孔，空氣從近孔底端排氣孔進(jìn)入排氣、返漿通道從分流器排出；對(duì)于下斜孔，漿液自孔底向孔口填充鉆孔，空氣從近孔口端返氣孔進(jìn)入坐封、注漿通道從分流器排出。待孔口返漿時(shí)，關(guān)閉分流器排氣返漿閥門，達(dá)到注漿設(shè)定壓力保壓一段時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作，關(guān)閉分流閥上坐封、注漿通道閥門，結(jié)束注漿，等待一定時(shí)間，打開抽采通道，進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)。封孔裝置安裝示意與道自動(dòng)控制程序如圖4。

圖4 封孔裝置安裝示意與通道自動(dòng)控制設(shè)計(jì)Fig.4 Sealing device installation schematic and channel automatic control design

2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.1 注漿通道參數(shù)

瓦斯抽采鉆孔封孔段長度一般不大于20m，以孔徑96mm鉆孔為例，設(shè)計(jì)封孔器外管直徑60 mm，環(huán)空體積為0.088m3，即88L。煤礦井下常用的氣動(dòng)注漿泵注漿壓力為6MPa，最大注漿流量為50L/min，瓦斯抽采孔封孔所需最大壓力為3MPa左右，因此，要控制注漿通道的水泥漿壓力損失不能大于3MPa。

將環(huán)形流道等效為圓孔通道，孔道內(nèi)的沿程水力損失hf為[16]：

式中：l為孔道長度，m；d為孔道直徑，m；V為活塞孔道內(nèi)流速，m/s；λ為沿程阻力系數(shù)，和雷諾數(shù)有關(guān)；Q為 流量，L/min，g為重力加速度，m2/s。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出的水泥漿壓力損失與流道等效直徑關(guān)系如圖5，由圖5可以看出：通道環(huán)形空間等效直徑≥10mm時(shí)可滿足注漿量以及壓力損失要求。

圖5 水泥漿壓力損失與流道等效直徑關(guān)系Fig.5 Relation between pressure loss of cement slurry and equivalent diameter of flow passage

2.2 抽采通道參數(shù)

抽采管徑的大小影響負(fù)壓損失，管徑越小影響越明顯，壓力損失由抽采通道的沿程風(fēng)力損失和抽采通道與鉆孔的局部風(fēng)力損失組成[17]。抽采管內(nèi)沿程風(fēng)力損失△H1的計(jì)算方式如下：

式中：Ls為抽采管長度，m；din為抽采管道內(nèi)徑，m；v為氣體流速，m/s；λg為管道摩擦阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3。

抽采管末端局部風(fēng)力損失△H2為：

式中：ζ為局部損失系數(shù)。

總的風(fēng)力損失△H為：

由式（4）計(jì)算得出的壓力損失與抽采通道內(nèi)徑關(guān)系如圖6，由圖6可知，一般100m左右的瓦斯抽采鉆孔單孔最大流量低于1.0m3/min[18-20]，即低于60 m3/h，抽采負(fù)壓一般不大于30kPa，因此，抽采管內(nèi)徑大于25mm時(shí)即使抽采流量在100m3/h時(shí)，也可將壓力損失控制在2kPa以內(nèi)。

圖6 壓力損失與抽采通道內(nèi)徑關(guān)系Fig.6 Relationship between pressure loss and inner diameter of extraction tube

根據(jù)封孔裝置關(guān)鍵通道參數(shù)計(jì)算，可得3通道自動(dòng)封孔器的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：①外管：外徑60mm，內(nèi)徑50mm；②中間管：外徑48mm，內(nèi)徑37mm；③內(nèi)管：外徑35mm，內(nèi)徑26mm；④等效直徑：注漿通道14mm，排氣通道12mm，抽采通道26 mm；⑥膠桶外徑：90mm。

2.3 封孔裝置坐封動(dòng)力學(xué)模擬

坐封膠桶設(shè)計(jì)外徑90mm，最佳膨脹系數(shù)在1.1以內(nèi)，滿足煤礦井下96mm鉆孔封孔需要。封孔裝置的上下2組膠桶在鉆孔內(nèi)膨脹形成“兩堵”后，主要是為“一注”封孔提供封閉空間，達(dá)到帶壓封孔的作用，“兩堵”封堵能力是封孔效果的關(guān)鍵因素，采用數(shù)值模擬方法對(duì)膠桶的封孔阻力進(jìn)行了模擬。膠筒的材質(zhì)為丁腈橡膠，采用Mooney-Rivlin模型超彈性模擬橡膠，如式（5）～式（8）[21]：

模擬膠筒在鉆孔約束條件下應(yīng)力應(yīng)變情況選用材料參數(shù)見表1[22]，模擬鉆孔直徑96mm，膠筒軸線與鉆孔軸線重合，采用勻速加載方法給膠筒施加軸向位移，軸向壓縮速度為0.01m/s。不同時(shí)刻膠桶的壓力云圖如圖7。膠桶壓縮力與軸向壓縮量關(guān)系圖如圖8。

表1 數(shù)值模擬采用參數(shù)表Table1 Parameters table for numerical simulation

圖7 不同時(shí)刻膠桶的壓力云圖Fig.7 Stress diagrams of capsules at different times

圖8 膠桶壓縮力與軸向壓縮量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the compression force of the rubber drum and the axial compression quantity

初始位置時(shí)膠筒處于自由狀態(tài)，且與孔壁不接觸，在軸向力的作用下橡膠開始出現(xiàn)壓縮變形，進(jìn)而產(chǎn)生徑向膨脹，當(dāng)徑向膨脹量達(dá)到一定程度時(shí)與鉆孔孔壁產(chǎn)生接觸進(jìn)而產(chǎn)生接觸摩阻，該接觸摩阻的大小直接決定了在注漿時(shí)膠筒的耐壓能力。隨著時(shí)間的推移膠筒徑向逐步擴(kuò)大，并且拉應(yīng)力逐漸由壓縮端向固定端移動(dòng)，如圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）；在0.9s時(shí)拉應(yīng)力完全消失，全部轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，此時(shí)膠桶充滿與鉆孔環(huán)空，整個(gè)膠桶均處于受壓狀態(tài)，接觸應(yīng)力達(dá)到了3.6MPa，如圖7（d），即在該坐封狀態(tài)下能夠承受封孔注漿壓力最大為3.6MPa。

上述分析表明，0.9s時(shí)的坐封狀態(tài)能夠滿足耐壓3MPa的要求，此時(shí)的膠桶軸向壓縮量為9mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮力為16440N，因此，膠筒需要提供16440N以上的壓縮力可以滿足坐封要求，根據(jù)壓縮膠桶的液力腔面積計(jì)算，需要5.5MPa以上的坐封注漿壓力，煤礦井下常用封孔注漿泵6MPa注漿壓力可以滿足要求。

根據(jù)膠筒與孔壁的接觸摩阻也可判斷坐封耐壓強(qiáng)度，膠筒摩擦阻力與軸向壓縮量關(guān)系如圖9。由圖9可知，當(dāng)膠桶軸向壓縮量9mm時(shí)，軸向摩阻力9695.68N，當(dāng)注漿壓力為5.5MPa時(shí)，封孔裝置與鉆孔環(huán)空截面積承受推力為4820.77N，遠(yuǎn)小于軸向摩阻力。

圖9 膠筒摩擦阻力與軸向壓縮量關(guān)系Fig.9 Relation between rubber drum friction and axial compression quantity

綜上所述，無論采用接觸應(yīng)力來判斷還是接觸摩阻來反算，當(dāng)壓縮力達(dá)到16440N時(shí)的坐封強(qiáng)度狀態(tài)能夠完全滿足3MPa注漿壓力要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)、模擬分析的結(jié)果以及各通道自動(dòng)切換功能，采用單軸壓縮機(jī)，對(duì)封孔裝置的膠桶的壓縮膨脹性進(jìn)行了試驗(yàn)，并采用試制的自動(dòng)封孔裝置進(jìn)行了模擬封孔試驗(yàn)。

1）膠桶壓縮試驗(yàn)。在單軸壓力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)單個(gè)膠桶進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，當(dāng)單軸壓力13000N時(shí)，膠桶外徑由90mm膨脹至100mm，并且保持120min以上無形變、破裂，與模擬分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了膠桶“兩堵”阻力的穩(wěn)定性和可靠性。

2）模擬封孔試驗(yàn)。將封孔裝置安裝到100mm的模擬鉆孔鋼管中進(jìn)行模擬封孔試驗(yàn)，坐封完畢后通過膠管向鋼管與封孔裝置環(huán)空注入壓力水模擬封孔試驗(yàn)。坐封壓力達(dá)到6MPa后完成坐封，通道切自動(dòng)換到注漿狀態(tài)，向封孔段注入清水，緩慢加壓到3 MPa后保持30min，期間無壓力衰減或泄漏現(xiàn)象，表明膠桶坐封、通道自動(dòng)切換可靠。

4 結(jié) 語

1）整體式類鉆桿多通道封孔裝置配套鉆孔機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)封孔裝置自動(dòng)安裝，通過活塞、定值抗剪銷釘和自鎖機(jī)構(gòu)控制通道自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)了“兩堵一注”封孔工藝，為煤礦井下鉆探自動(dòng)化提供了技術(shù)方案。

2）動(dòng)力學(xué)分析和模擬封孔試驗(yàn)表明，研制的封孔裝置通道等效直徑14mm、抽采通道直徑26mm、注漿流量50L/min，在坐封壓力6MPa時(shí)，注漿封孔壓力可達(dá)3MPa以上，抽采通道壓力損失小于2 kPa，滿足封孔、瓦斯抽采等工藝參數(shù)要求。

3）封孔裝置的通道多，壓縮、自鎖及剪斷等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在鉆孔限制條件下采用了鋼制材料，封孔壓力較高，適合在開孔段在巖層的鉆孔封孔使用。在順煤層鉆孔中應(yīng)用時(shí)，可以降低封孔壓力，且避免留置在煤層中的鋼制材料對(duì)采煤的影響，還需進(jìn)一步進(jìn)行抗靜電阻燃聚合物材料的自動(dòng)封孔裝置研究。