ZDY25000LDK 智能化定向鉆進(jìn)裝備關(guān)鍵技術(shù)研究

方 鵬，姚 克，王龍鵬，張 銳，孟 瑞，王 松，邵俊杰，劉 璞

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

利用順煤層鉆孔、頂板高位鉆孔抽采煤層氣是煤礦井下最直接、有效的煤層氣抽采方法，其中順煤層鉆孔主要用于采前預(yù)抽，頂板高位鉆孔主要用于工作面回采時(shí)采動(dòng)區(qū)和采空區(qū)煤層氣抽采，以上兩種抽采技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成了煤與煤層氣共采技術(shù)體系之一[1]。由于技術(shù)與裝備的不斷進(jìn)步，以及國(guó)家政策的推動(dòng)，“十二五”期間煤礦區(qū)井下煤層氣抽采取得了重要進(jìn)展。但是，我國(guó)煤礦區(qū)井下煤層氣開(kāi)發(fā)仍存在抽采效率和抽采濃度低，發(fā)展不平衡等問(wèn)題，限制了煤礦區(qū)井下煤層氣工業(yè)發(fā)展，而抽采技術(shù)和裝備是制約煤礦區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素[2-3]。如何進(jìn)一步提高順煤層定向鉆孔鉆進(jìn)速度和煤層鉆遇率，提高頂板高位定向鉆孔孔徑和硬巖鉆進(jìn)效率，從而降低施工成本，提高鉆孔利用率和煤層氣抽采效率；如何降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆孔事故預(yù)防能力，與礦井機(jī)械化開(kāi)采相適應(yīng)，成為當(dāng)前煤礦井下煤層氣抽采的關(guān)鍵。

在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的推動(dòng)下，深入推進(jìn)煤炭資源安全、高效、智能、綠色開(kāi)采已成為業(yè)界共識(shí)。為此，國(guó)家八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，為加快推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)提供了綱領(lǐng)性指引[4]。此外，在煤礦井下鉆探施工過(guò)程中，司鉆人員面臨瓦斯、水害、頂板等多種煤礦災(zāi)害事故的威脅，為貫徹科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)的指導(dǎo)思想，需減少煤礦井下作業(yè)人員數(shù)量[4-6]。針對(duì)井下鉆探作業(yè)，亟需開(kāi)發(fā)具備智能化的鉆探施工裝備。

從“十一五”開(kāi)始，以中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“西安研究院”）和中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“重慶研究院”）為代表的科研單位分別開(kāi)展了基于防爆電液控制自動(dòng)化鉆機(jī)的研制工作，通過(guò)“十二五”“十三五”期間的持續(xù)完善和產(chǎn)品拓展，逐漸形成了基本可以滿足煤礦井下本煤層和穿層鉆孔施工的常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)自動(dòng)化鉆機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝卸鉆桿、遙控自動(dòng)化鉆進(jìn)、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷預(yù)警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽珜?duì)適用于順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔施工和頂板高位大直徑定向鉆孔施工的大功率定向鉆進(jìn)裝備的智能化工作尚屬空白[7-8]。依托“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)，西安研究院開(kāi)展了大功率長(zhǎng)距離智能化鉆探裝備的研究工作，通過(guò)對(duì)鉆機(jī)關(guān)鍵執(zhí)行部件、自動(dòng)裝卸鉆桿技術(shù)、防爆電液控制技術(shù)、大流量泥漿泵單元等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)，形成了ZDY25000LDK 智能化定向鉆進(jìn)裝備，實(shí)現(xiàn)了大功率長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)裝備的自動(dòng)化和智能化控制，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和地質(zhì)導(dǎo)向施工，以及“以孔代巷”大直徑定向鉆孔高效施工提供了智能化鉆探裝備保障[9]。

1 總體技術(shù)解決方案

1.1 基本需求分析

利用地質(zhì)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行巖層高效鉆進(jìn)施工相對(duì)于現(xiàn)有大功率定向鉆進(jìn)裝備配套方面有了全面革新，對(duì)鉆機(jī)功能和結(jié)構(gòu)、控制方式、配套鉆具組合、需求的泥漿泵量等方面都提出了新的要求。

首先在功能方面，結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向和地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)及配套施工工藝技術(shù)，鉆機(jī)需具備連續(xù)回轉(zhuǎn)、滑動(dòng)定向、復(fù)合鉆進(jìn)等功能，同時(shí)還需適配符合以上基本功能的精確控制方法。

其次在能力方面，結(jié)合大直徑長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)施工要求和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境出發(fā)，鉆進(jìn)裝備需兼具大能力輸出、緊湊布局、高效大流量供液驅(qū)動(dòng)的需要[10]。

最后在控制方面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制的實(shí)際需求，鉆機(jī)需具備鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和靈活調(diào)節(jié)、配套粗徑鉆具自動(dòng)化裝卸等目的[11]。

1.2 技術(shù)解決方案

在基本需求分析基礎(chǔ)上，對(duì)鉆進(jìn)裝備進(jìn)行總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)，提出基于防爆電液控制技術(shù)的煤礦井下長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)裝備自動(dòng)化控制和分體緊湊布局設(shè)計(jì)的集成化解決方案，分別從功能結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、控制特性方面進(jìn)行分析計(jì)算，確定主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆進(jìn)裝備主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main parameters of the drilling equipment

采用鉆機(jī)和泵車兩體布局形式，創(chuàng)新設(shè)計(jì)鉆機(jī)關(guān)鍵執(zhí)行部件，解決大能力輸出、緊湊設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行難題；采用多機(jī)構(gòu)協(xié)同控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)液驅(qū)換桿機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)化裝卸[12]；基于防爆電液控制和多傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)滿足導(dǎo)向鉆進(jìn)工藝精準(zhǔn)控制需要的長(zhǎng)距離智能化鉆進(jìn)裝備電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備的自動(dòng)化控制。

2 智能化定向鉆進(jìn)裝備關(guān)鍵技術(shù)

基于總體技術(shù)解決方案基礎(chǔ)，重點(diǎn)需要對(duì)包括總體緊湊布局設(shè)計(jì)、關(guān)鍵執(zhí)行部件設(shè)計(jì)、自動(dòng)裝卸鉆桿技術(shù)、防爆電液控制技術(shù)、大流量泥漿泵單元設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，最終實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)、電液系統(tǒng)和控制單元的深度集成。

2.1 分體緊湊布局設(shè)計(jì)

目前，在煤礦井下鉆機(jī)主要采用全液壓傳動(dòng)方式的模式下，鉆機(jī)的總體布局形式和其結(jié)構(gòu)功能與應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)系緊密。用于大直徑鉆孔的鉆進(jìn)裝備總體布局寬度不宜超過(guò)1.6 m，可以滿足國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦井搬遷運(yùn)輸需要。加之自動(dòng)化裝卸鉆桿、自動(dòng)控制鉆進(jìn)、參數(shù)監(jiān)測(cè)、高效供液等實(shí)際需要，鉆機(jī)所需具備的可控功能單元較多，需要對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、給進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、加桿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行高度集成化設(shè)計(jì)，達(dá)到整體緊湊布局的要求。為此，對(duì)鉆機(jī)的各子系統(tǒng)進(jìn)行功能分區(qū)，涉及鉆進(jìn)操作的各功能單元組合形成鉆機(jī)單元，涉及高效供液驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)組合形成泵車單元，達(dá)到裝備單體緊湊，整體布局靈活的要求，整體布局結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)總體布局結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the directional drilling rig

鉆機(jī)集成主機(jī)、液控操縱臺(tái)、動(dòng)力泵站、穩(wěn)固裝置、換桿機(jī)械手、桿倉(cāng)單元、吊裝系統(tǒng)等功能單元；泵車集成泥漿泵單元、管匯與安全卸荷系統(tǒng)、液壓泵站、液控操縱臺(tái)、起動(dòng)控制柜等功能單元，兩體均通過(guò)履帶行走解決搬遷移位問(wèn)題，通過(guò)遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的集中控制。

2.2 關(guān)鍵執(zhí)行部件設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離智能化鉆進(jìn)裝備關(guān)鍵執(zhí)行部件主要包括回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置、夾持器。其中，對(duì)于回轉(zhuǎn)器的設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在實(shí)現(xiàn)大能力輸出和緊湊設(shè)計(jì)的同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化和提升；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)需要對(duì)給進(jìn)裝置和夾持器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.2.1 長(zhǎng)行程給進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

給進(jìn)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)孔內(nèi)鉆具向孔底鉆頭施加鉆壓的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)還起終孔后起拔孔內(nèi)鉆具的作用。不同于通孔式回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)可以采用合適的給進(jìn)行程通過(guò)反復(fù)“倒桿”實(shí)現(xiàn)鉆桿的連續(xù)給進(jìn)，為了適配機(jī)械手自動(dòng)裝卸鉆桿功能，優(yōu)選中間加桿方式便于總體結(jié)構(gòu)布局和功能實(shí)現(xiàn)。結(jié)合導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)鉆具組合配套要求，為了實(shí)現(xiàn)2 200 mm 長(zhǎng)行程給進(jìn)和最小安裝距布局，創(chuàng)新設(shè)計(jì)組合油缸式給進(jìn)系統(tǒng)，可以滿足2 000 mm 長(zhǎng)鉆桿中間自動(dòng)裝卸需要。

給進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大給進(jìn)力和起拔力全部通過(guò)托板實(shí)現(xiàn)力的傳遞。工作過(guò)程中，給進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大給進(jìn)力和起拔力并非給進(jìn)油缸所能提供的直接作用力，結(jié)合給進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還受托板和給進(jìn)導(dǎo)軌之間的摩擦阻力的直接影響；同時(shí)還受到托板與給進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)影響，給進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單受力示意圖如圖2 所示。圖中Fz為孔內(nèi)鉆具對(duì)給進(jìn)系統(tǒng)的作用力，單位kN，主要受鉆孔深度、鉆桿直徑、孔壁特性等影響，一般通過(guò)孔內(nèi)鉆具的重量作為直接計(jì)算依據(jù)。

圖2 給進(jìn)系統(tǒng)受力示意圖Fig.2 Force diagram of the feeding system

托板與機(jī)身導(dǎo)軌之間的摩擦阻力計(jì)算公式[13]為：

式中：Ff為托板與機(jī)身導(dǎo)軌之間的摩擦阻力，kN；u為示托板與導(dǎo)軌之間的摩擦因數(shù)；Fy為給進(jìn)油缸作用于托板上的作用力，kN；h1為回轉(zhuǎn)器中心離導(dǎo)軌上表面的距離，mm；h2為油缸和托板連接點(diǎn)離導(dǎo)軌上表面的距離，mm；L為托板沿機(jī)身導(dǎo)軌方向的長(zhǎng)度，mm。

油缸直接作用力的計(jì)算公式為：

式中：n為用于給進(jìn)裝置的油缸數(shù)量；ηm為給進(jìn)油缸的機(jī)械效率；p為作用于給進(jìn)油缸進(jìn)油腔的油壓，MPa；Δp為給進(jìn)系統(tǒng)回油背壓，MPa；A1為給進(jìn)油缸進(jìn)油腔的作用面積，mm2；A2為給進(jìn)油缸回油腔的作用面積，mm2。

給進(jìn)系統(tǒng)所能提供的給進(jìn)力/起拔力計(jì)算公式為：

式中：F為給進(jìn)系統(tǒng)提供的給進(jìn)力，kN。

孔內(nèi)鉆具對(duì)給進(jìn)系統(tǒng)的作用力Fz主要受鉆孔深度、鉆桿直徑、孔壁特性等影響，一般直接通過(guò)孔內(nèi)鉆具的重量作為直接計(jì)算依據(jù)。

當(dāng)F＞Fz時(shí)才能保證有足夠的作用力傳遞到孔底鉆頭處，實(shí)現(xiàn)破巖鉆進(jìn)。

式（1）和（2）作為給進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，分別對(duì)托板結(jié)構(gòu)參數(shù)、油缸參數(shù)等共同核算后確定給進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 大開(kāi)口雙夾持器設(shè)計(jì)

夾持器作為一種孔口裝置，需要在起下鉆、擰卸鉆桿以及處理孔內(nèi)事故時(shí)承載孔內(nèi)鉆具的重力和鉆具的反轉(zhuǎn)矩，其工作的可靠性和夾持動(dòng)作的靈敏性，直接決定鉆探輔助工序的安全和效率，是鉆機(jī)的重要執(zhí)行部件。根據(jù)智能化定向鉆機(jī)工作流程，需設(shè)計(jì)雙夾持器結(jié)構(gòu)才能完成鉆桿的自動(dòng)卸扣動(dòng)作。雙夾持器分別用于鉆桿夾持和卸扣，需要設(shè)計(jì)在給進(jìn)系統(tǒng)機(jī)身的前端，主要用于起鉆、下鉆及擰卸鉆桿時(shí)夾持孔內(nèi)鉆具，使之處于靜止?fàn)顟B(tài)，并相互配合實(shí)現(xiàn)機(jī)械擰卸鉆桿，雙夾持器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙夾持器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the double grippers

雙夾持器由前扶正器、卸扣器、夾持器、后扶正器4 部分組成，夾持器和卸扣器均采用碟簧夾緊油壓松開(kāi)的常閉式結(jié)構(gòu)，其所能提供的最大夾持力由液壓油缸和壓縮碟簧共同提供，需滿足鉆機(jī)反轉(zhuǎn)可靠卸扣需要。夾持器采用上開(kāi)口形式，可以滿足200 mm 大直徑鉆具的下放需要。

夾持器作為頻繁使用的主要受力部件，其夾持器架的強(qiáng)度直接決定了整體的可靠性，對(duì)其進(jìn)行受力分析和優(yōu)化，以達(dá)到最佳使用要求。通過(guò)靜力學(xué)仿真分析，得到夾持器架的應(yīng)力和應(yīng)變圖如圖4 所示。

圖4 夾持器架應(yīng)力和應(yīng)變Fig.4 Stress and strain diagram of the grippers

根據(jù)圖中分析結(jié)果，變形最大部位發(fā)生在夾持器架距離固定端最遠(yuǎn)處，最大值為0.36 mm；最大應(yīng)力值為190 MPa，發(fā)生在連接架側(cè)板與底板連接處。針對(duì)分析中存在的薄弱環(huán)節(jié)對(duì)夾持器架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用Q550 鋼材，提高整體強(qiáng)度，同時(shí)在夾持器架底板處，增加連接筋以增強(qiáng)可靠性。

2.3 自動(dòng)裝卸鉆桿技術(shù)

換桿是鉆進(jìn)施工的重要工序，直接影響到鉆機(jī)的施工效率。為實(shí)現(xiàn)換桿過(guò)程的自動(dòng)化控制，需要設(shè)計(jì)專用換桿系統(tǒng)，包括換桿機(jī)械手、鉆桿倉(cāng)等基本單元。受煤礦井下防爆安全限制，工業(yè)用六自由度機(jī)器人還無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)功能移植，因此，采用基于防爆電液控制技術(shù)的液驅(qū)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)化裝卸控制[14-15]。為了簡(jiǎn)化控制流程，提高深孔定向鉆機(jī)配套粗徑鉆具裝卸的可靠性，采用平移坐標(biāo)式原理實(shí)現(xiàn)鉆桿裝卸過(guò)程的軌跡控制，采取單排鉆桿排放模式，鉆桿運(yùn)行路徑如圖5 所示。

圖中P（x0,y0）鉆桿1 的中心，設(shè)為鉆桿的起始點(diǎn)，需要通過(guò)機(jī)械手控制運(yùn)行到夾持器的中心P（xs,ys）點(diǎn)，完成鉆桿的加桿控制。受鉆機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，鉆桿需要通過(guò)中間狀態(tài)的P（x0,H1）和P（L,H1）兩點(diǎn)后，再移動(dòng)H2的距離才能到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，卸桿過(guò)程運(yùn)行軌跡與加桿過(guò)程相反。假設(shè)單排鉆桿由n根組成，任意一根鉆桿都需要從P（nd,y0）點(diǎn)到達(dá)P（x0,y0）點(diǎn)后才能執(zhí)行以上的運(yùn)行軌跡控制。

圖5 中的L和H2基于夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)確定，需要根據(jù)鉆桿直徑d優(yōu)選H1參數(shù)，進(jìn)行換桿機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手通過(guò)平移液壓油缸實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵點(diǎn)的自動(dòng)控制，鉆桿倉(cāng)單元結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布局進(jìn)行參數(shù)n的選取，采用模塊化鉆桿倉(cāng)單元可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)機(jī)械化更換。

圖5 鉆桿運(yùn)行路徑Fig.5 Running path diagram of drilling pipes

2.4 防爆電液控制技術(shù)

防爆電液控制技術(shù)是智能化鉆機(jī)控制的核心，尤其用于長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)施工的裝備，電液控制系統(tǒng)需要滿足多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確控制和多參數(shù)監(jiān)測(cè)需要。

2.4.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于安全控制需要，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用電控為主、液控為輔的冗余設(shè)計(jì)思想，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均通過(guò)液壓馬達(dá)或油缸實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。結(jié)合旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)施工控制需要，設(shè)計(jì)3 泵開(kāi)式液壓系統(tǒng)。針對(duì)鉆進(jìn)系統(tǒng)需具備的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、上卸鉆桿等關(guān)鍵執(zhí)行動(dòng)作控制需要，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)系統(tǒng)和換桿系統(tǒng)獨(dú)立控制回路，采用防爆比例控制技術(shù)和負(fù)載敏感控制技術(shù)，設(shè)計(jì)快慢2 檔切換功能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)動(dòng)作的獨(dú)立精確控制；換桿系統(tǒng)和慢速控制系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)上卸鉆桿自匹配控制邏輯，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手裝卸鉆桿過(guò)程中鉆桿擰卸絲扣的同步精確控制，同時(shí)提高擰卸鉆桿絲扣過(guò)程中，回轉(zhuǎn)和給進(jìn)動(dòng)作控制的自適應(yīng)控制，達(dá)到平穩(wěn)擰卸鉆桿和絲扣保護(hù)的目的。結(jié)合基本需求和功能分析，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)組成形式如圖6 所示。

圖6 液壓系統(tǒng)組成形式Fig.6 Composition type of the hydraulic system

基于總體技術(shù)參數(shù)分別對(duì)鉆機(jī)和泵車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件進(jìn)行計(jì)算選型，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)所需流量、壓力等計(jì)算，確定系統(tǒng)關(guān)鍵元件基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 液壓油泵基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the hydraulic pump

基于表2 所列液壓油泵基本參數(shù)分別核算鉆機(jī)和泵車動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)功率，鉆機(jī)和泵車的驅(qū)動(dòng)功率一般根據(jù)液壓系統(tǒng)在額定工況條件下計(jì)算的輸入功率作為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)綜合考慮配套電機(jī)選型情況，結(jié)合實(shí)際鉆進(jìn)工況條件，選取鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)功率160 kW，泵車驅(qū)動(dòng)功率250 kW。

2.4.2 防爆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需要，采用防爆兼本安型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主機(jī)控制單元設(shè)計(jì)為防爆形式，遙控控制單元設(shè)計(jì)為本安形式，電液控制系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信，通過(guò)開(kāi)關(guān)、手柄等實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸入，通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，鉆機(jī)控制系統(tǒng)總體組成框架如圖7 所示。

圖7 控制系統(tǒng)總體組成框架Fig.7 Composition frame diagram of the control system

遙控器接受指令輸入后，信號(hào)經(jīng)無(wú)線通信傳送到主機(jī)控制器，主機(jī)控制器接受指令后執(zhí)行對(duì)應(yīng)程序模塊，輸出控制信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)閉或開(kāi)口大小實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)經(jīng)傳感器通過(guò)CAN 總線傳送到主機(jī)控制器，并進(jìn)行信號(hào)分析與處理，及時(shí)做出執(zhí)行動(dòng)作參數(shù)調(diào)整，同時(shí)主機(jī)控制器將壓力、油溫、流量、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)經(jīng)CAN 總線傳送到顯示模塊實(shí)時(shí)顯示[16-17]，通過(guò)控制系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)顯示模塊如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)顯示模塊Fig.8 Display module of the system

為了實(shí)現(xiàn)大直徑長(zhǎng)距離智能化鉆進(jìn)施工，基于參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在分析典型故障基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)故障智能識(shí)別和診斷系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際工況分析，確定鉆機(jī)常見(jiàn)故障診斷類型見(jiàn)表3。

表3 鉆機(jī)常見(jiàn)故障類型Table 3 Common fault types of drilling rigs

基于常見(jiàn)故障類型分析和典型故障閾值檢測(cè)，通過(guò)故障識(shí)別算法設(shè)計(jì)[18-19]，結(jié)合參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)故障的智能識(shí)別預(yù)警，提高鉆機(jī)運(yùn)行的安全性。

2.5 大流量泥漿泵單元設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦井下智能化鉆機(jī)施工大直徑定向長(zhǎng)鉆孔的要求，根據(jù)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)動(dòng)力需求特性曲線，結(jié)合鉆探施工工藝參數(shù)分析，泥漿泵輸出參數(shù)需要達(dá)到最大流量800 L/min 和最高壓力12 MPa 時(shí),可以滿足大直徑鉆孔高效鉆進(jìn)的技術(shù)需要和經(jīng)濟(jì)性要求?；诳傮w緊湊設(shè)計(jì)思路，需要選擇性能可靠，體積小、功率大的泥漿泵單元，完成其水力端和液力端的合理匹配設(shè)計(jì)是大流量泥漿泵車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

基于上述因素考慮，采用液壓直驅(qū)方式可以減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步壓縮泥漿泵單元的整體尺寸，實(shí)現(xiàn)緊湊布局需要。通過(guò)對(duì)泥漿泵單元最高工作壓力pm、最大輸出流量Qm、最高輸入轉(zhuǎn)速nm、容積效率ηq等相關(guān)參數(shù)的分析計(jì)算[20]，確定泥漿泵單元在最高壓力和流量工況下的最大輸入轉(zhuǎn)矩Tm，再結(jié)合輸入轉(zhuǎn)速nm進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)匹配。優(yōu)選徑向低速大轉(zhuǎn)矩定量液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥漿泵單元的高效驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到泥漿泵單元最優(yōu)輸出性能。

受限于往復(fù)式泥漿泵單元具有輸出波動(dòng)性的典型工作特性，結(jié)合對(duì)壓力輸出特性的分析計(jì)算，在液力端輸出通道設(shè)計(jì)了脈沖衰減模塊、安全控制與卸荷模塊，從而實(shí)現(xiàn)高壓力、大流量條件下泥漿泵系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效供液輸出。

3 產(chǎn)品性能測(cè)試試驗(yàn)

通過(guò)產(chǎn)品性能測(cè)試可以對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行全面檢測(cè)，基于MT/T 790-2006《煤礦坑道勘探用鉆機(jī)》的相關(guān)要求，結(jié)合產(chǎn)品本身特點(diǎn)，分別制定鉆機(jī)和泵車企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從負(fù)載性能、過(guò)載性能、空載性能和溫升等方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面性能測(cè)試。考慮產(chǎn)品采用防爆電液控制方式，涉及防爆控制柜、電磁起動(dòng)器、防爆電磁鐵、傳感器、遙控器等核心元器件，對(duì)其還需進(jìn)行防爆性能檢測(cè)和電氣聯(lián)檢。其中產(chǎn)品的負(fù)載性能直接能反映產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，為此，結(jié)合國(guó)家安全生產(chǎn)西安勘探設(shè)備檢測(cè)中心試驗(yàn)平臺(tái)，分別對(duì)鉆機(jī)和泵車進(jìn)行負(fù)載性能測(cè)試，節(jié)選鉆機(jī)低速和高速兩種狀態(tài)下的負(fù)載性能測(cè)試部分結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鉆機(jī)負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Load performance test results of drilling rigs

泵車在額定流量和額定壓力2 種工況條件下分別測(cè)得其負(fù)載性能參數(shù)節(jié)選情況見(jiàn)表5。

根據(jù)表4 和表5 的產(chǎn)品負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果可以看出，鉆機(jī)和泵車的關(guān)鍵性能參數(shù)完全符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，鉆機(jī)配套電機(jī)功率160 kW，泵車配套電機(jī)功率250 kW；另外，結(jié)合防爆控制要求，從空載運(yùn)轉(zhuǎn)性能和防爆性能方面對(duì)鉆機(jī)控制系統(tǒng)特性進(jìn)行的全面性能測(cè)試。通過(guò)產(chǎn)品性能測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)ZDY25000LDK 智能化定向鉆進(jìn)裝備的綜合性能進(jìn)行了全面檢驗(yàn)，符合產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)要求。

表5 泵車負(fù)載性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Load performance test results of mud pump trucks

4 結(jié) 論

a.長(zhǎng)距離智能化定向鉆機(jī)的設(shè)計(jì)相比常規(guī)自動(dòng)化鉆機(jī)而言，因其所需提供的能力更大，配套工藝機(jī)具和定向鉆進(jìn)系統(tǒng)對(duì)于鉆機(jī)的功能結(jié)構(gòu)、性能特性、控制策略等方面均提出了全新需求。

b.通過(guò)對(duì)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，研制了ZDY25000LDK 智能化定向鉆進(jìn)裝備，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)施工過(guò)程中自動(dòng)化裝卸鉆桿控制、智能化定向鉆進(jìn)施工、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及典型故障智能診斷與預(yù)警等功能。

c.結(jié)合產(chǎn)品性能測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了裝備的各項(xiàng)性能參數(shù)，通過(guò)空載性能測(cè)試和防爆性能測(cè)試，檢驗(yàn)了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、地質(zhì)導(dǎo)向施工，以及“以孔代巷”大直徑定向鉆孔高效施工提供了可靠的智能化裝備保障。

d.基于智能化定向鉆進(jìn)裝備研究基礎(chǔ)，為了提升產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化程度，在對(duì)現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)優(yōu)化升級(jí)的基礎(chǔ)上，后續(xù)還需逐步開(kāi)展粗徑鉆具連續(xù)自動(dòng)補(bǔ)桿系統(tǒng)、智能鉆孔參數(shù)分析、智能鉆孔軌跡控制、鉆進(jìn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，在完善現(xiàn)有智能化定向鉆進(jìn)裝備的基礎(chǔ)上，逐漸推動(dòng)煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備向智能化的目標(biāo)深入發(fā)展。