空氣定向鉆進智能多功能除塵車研制與應用

李 坤，張 杰

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.伍倫貢大學 土木 礦業(yè)與環(huán)境學院，澳大利亞 伍倫貢2522）

碎軟煤層在我國高瓦斯礦井中發(fā)育廣泛，由于其在形成過程中遭遇多期次的地質(zhì)構造作用，具有松軟、破碎、低滲、應力復雜的特點[1-4]，導致碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工存在孔壁易失穩(wěn)破壞、孔內(nèi)煤粉清潔困難、鉆孔軌跡不能精確控制、完孔方法有限等諸多難題[5-7]。

空氣定向鉆進技術采用井下防爆空壓機或制氮機提供動力，驅動氣動螺桿鉆具旋轉帶動鉆頭回轉切削鉆進，因其具有擾動小，有利于孔壁穩(wěn)定和瓦斯解吸的特點，成為解決碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工難題的有效技術手段，在貴州和淮南等煤礦區(qū)得到了較為廣泛的推廣和應用[8-10]。隨著應用的不斷深入，施工現(xiàn)場煤塵污染嚴重、空氣螺桿馬達使用壽命短、孔內(nèi)高溫不能及時發(fā)現(xiàn)和處置等問題也逐漸暴露出來。為解決這些問題，褚志偉[11]基于負壓抽吸慣性干式除塵原理, 設計了一種適用于煤礦井下碎軟煤層空氣定向鉆進的負壓抽吸分級凈化除塵裝置，鉆場降塵效率達到96%以上；聶超等[12]利用歐拉模型，對壓縮空氣輸送煤粉顆粒形成的氣固兩相流進行數(shù)值模擬，對煤粉顆粒的分布和運移規(guī)律進行了研究；劉建林等[13]在分析鉆渣運移特性的基礎上，開發(fā)了碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術，同時達到了降溫潤滑空氣螺桿馬達，降低孔口返出煤塵目的?，F(xiàn)有技術尚缺少對施工過程中孔內(nèi)溫度監(jiān)測和應急降溫技術的研究，且多個輔助系統(tǒng)尚不能很好集成，操作復雜，用戶使用、維護和學習成本較高。為此，開發(fā)了ZCY-2×16L 型碎軟煤層空氣定向鉆進用智能多功能除塵車；除塵車集孔口除塵、螺桿馬達潤滑、壓風監(jiān)測、孔內(nèi)溫度預警、高溫智能處置等多種功能與一體，為碎軟煤層空氣定向鉆孔施工提供了全面的設備保障。

1 多功能除塵車總體方案

多功能除塵車將空氣定向鉆進施工過程中所需要的各輔助系統(tǒng)整合在一起，方便井下移位搬遷；運用先進的電液控制技術，實現(xiàn)了行走和各輔助系統(tǒng)的無線遙控控制，并將操作技巧寫入控制程序，降低用戶使用和學習成本。

1.1 多功能除塵車的結構組成

ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進智能多功能除塵車如圖1。

圖1 ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進智能多功能除塵車Fig.1 ZCY-2×16L intelligent multi-functional dust removal system for air directional drilling

多功能除塵車集成履帶式底盤，能夠通過遙控器控制行走。履帶車體上依次安裝有電機泵組、泵站油箱、操縱臺、射流除塵裝置、壓風監(jiān)測系統(tǒng)、油霧潤滑泵、油霧潤滑系統(tǒng)油箱和控制器。各部件按照功能劃分可以分為孔口除塵系統(tǒng)、空氣螺桿馬達油霧潤滑系統(tǒng)、孔內(nèi)應急降溫系統(tǒng)、壓風監(jiān)測預警系統(tǒng)等多個系統(tǒng)。各系統(tǒng)的開關和功能切換均可通過遙控器遠程操作完成。

1.2 電液控制系統(tǒng)組成及工作原理

多功能除塵車電液控制系統(tǒng)組成如圖2。多功能除塵車的電液控制系統(tǒng)主要由本安型遙控器、控制器、電磁比例多路閥、電控球閥、防爆蝶閥、液壓馬達、履帶車體和集成在孔口集塵裝置上的溫度傳感器等部分組成。

圖2 多功能除塵車電液控制系統(tǒng)組成Fig.2 Electro-hydraulic control system of intelligent multi-functional dust removal system

遙控器用于發(fā)射控制指令，并接收和顯示控制器返回的壓風、泵站數(shù)據(jù)和孔口返風溫度等；控制器根據(jù)指令，按照預定程序控制電控球閥、防爆蝶閥和電磁比例多路閥動作，實現(xiàn)對空壓機壓風、井下靜壓風、靜壓水的通斷和注油泵啟停的控制，從而控制各輔助系統(tǒng)。

2 關鍵技術

2.1 孔口除塵技術

空氣螺桿馬達以壓風為驅動介質(zhì)，由于氣體的可壓縮性，鉆孔施工時，孔口涌出的氣體壓力逐漸降低，體積不斷膨脹，流速會急劇增加，裹挾著煤巖粉從孔內(nèi)噴出，造成現(xiàn)場空氣污染，并且可燃粉塵達到一定濃度后，存在爆炸風險。因此，作為多功能除塵車的首要功能，解決好孔口集塵和除塵問題，對改善施工作業(yè)環(huán)境，消除粉塵爆炸風險意義重大。

煤礦井下常用的除塵方式根據(jù)工作原理的不同可分為干式和濕式2 種。干式除塵器常見的有旋風除塵和布袋除塵等方式，因其具有除塵效率高，過濾速度快等優(yōu)勢在掘進機除塵系統(tǒng)中被廣泛應用，但干式除塵器的體積普遍較大，很少被用于煤礦井下孔口除塵；濕式除塵器使用壓縮空氣作為動力源，引導高速氣流流經(jīng)文氏管，產(chǎn)生負壓，抽吸孔口污風，再利用霧化噴頭噴出水霧與污風中的粉塵顆粒碰撞、融合形成大顆粒，大顆粒在慣性力和離心力的作用下與裝置內(nèi)的攔阻器和殼體發(fā)生碰撞，然后匯集成水流流出，從而起到降塵作用，濕式除塵器由于結構相對簡單，體積較小，且不存在耗材，使用和維護成本較低，比較適合煤礦井下孔口除塵應用場景。

2.1.1 孔口除塵系統(tǒng)組成及工作原理

孔口除塵系統(tǒng)的組成如圖3。孔口除塵系統(tǒng)主要由孔口集塵裝置、濕式射流除塵器和控制除塵器供風、供水開關的遙控器、控制器、電控球閥等部件組成。

圖3 孔口除塵系統(tǒng)的組成Fig.3 The orifice dust collector system

孔口集塵裝置采用箱式結構，一端設置有用于連接孔口管的卡箍法蘭，另一端通過密封皮碗實現(xiàn)與鉆桿間的密封；裝置內(nèi)部沿孔內(nèi)反渣運動方向上還安裝有多組阻擋墊片，阻擋墊片上端設置有水霧噴頭，用于對孔內(nèi)返出的大顆粒進行初級的阻擋和沉降；裝置底部為出渣孔，出渣孔處安裝有一段排渣管和密封皮帶，用于將大顆粒粉塵引導到地面，同時避免粉塵掉落地面時產(chǎn)生揚塵；裝置頂部設置有出氣孔可通過導風管與射流除塵器相連。射流除塵器沿污風流動方向分別設置有1 組水幕和空氣霧化噴頭，用于對收集來的污風進行再次處理。除塵器末端設置有瓦斯收集裝置，可與井下負壓抽放管相連，將凈化后的孔內(nèi)返風收集到負壓抽放管內(nèi)，防止施工現(xiàn)場瓦斯超限。

由于射流除塵器是采用井下靜壓風作為動力源，產(chǎn)生負壓抽吸孔口污風，再利用水幕降塵的方式實現(xiàn)污風的凈化。所以在使用時必須嚴格按照“先開水，再開風”，“先關風，再關水”的操作要求。在啟動除塵器時，必須先打開供水，再打開供風；關閉除塵器是又需要先關閉供風，再關閉供水，否則污風中的煤巖粉有可能會進入噴頭內(nèi)部，造成噴頭堵塞。為避免故障發(fā)生，多功能除塵車采用兩組電控球閥分別控制除塵系統(tǒng)的供風和供水，通過控制程序實現(xiàn)了系統(tǒng)開啟和關閉的一鍵控制，避免了因操作不當造成裝置故障的可能性。

2.1.2 除塵器關鍵參數(shù)

空氣定向鉆孔施工時，配套的防爆空壓機額定排氣量通常在17～21 m3/min 之間。為滿足使用要求，多功能除塵車的除塵系統(tǒng)采用2 套額定處理風量為16 m3/min 的濕式射流除塵器作為除塵單元。除塵系統(tǒng)基本參數(shù)如下：額定處理風量：①32 m3/min；②呼吸性粉塵除塵效率：90%；③總粉塵除塵效率：97%；④適應水壓：≥0.2 MPa；⑤供氣壓力：≥0.2 MPa。

2.2 空氣螺桿馬達油霧潤滑技術

由于采用壓風作為驅動介質(zhì)，無法實現(xiàn)空氣螺桿馬達的高效降溫和潤滑，影響其使用壽命。在鉆孔施工的過程中，多采用加裝鉆桿時人工向鉆桿內(nèi)加注潤滑油，借助壓縮空氣將部分油液吹至螺桿馬達的方法，實現(xiàn)螺桿馬達的潤滑。由于加注進去的潤滑油為液體，大部分會附著在鉆桿內(nèi)壁，導致潤滑油輸送距離短，定向長鉆孔施工時很難到達螺桿馬達處，造成了油液的浪費，且潤滑效果不佳。

多功能除塵車采用空氣霧化的方式，將潤滑介質(zhì)轉變成油霧形態(tài)，增大潤滑介質(zhì)的輸送距離，并可實現(xiàn)鉆進過程中空氣螺桿馬達的持續(xù)潤滑。螺桿馬達潤滑系統(tǒng)組成如圖4。油霧潤滑系統(tǒng)主要包括潤滑劑油箱、注油泵、注油泵驅動馬達、空氣霧化噴頭和由遙控器、控制器、電磁比例多路閥和泵站組成的控制系統(tǒng)。

圖4 螺桿馬達潤滑系統(tǒng)組成Fig.4 Screw motor lubrication system

油霧潤滑泵工作時，泵站輸出的高壓油驅動注油泵從油箱內(nèi)抽取潤滑介質(zhì)加壓后將其輸送至壓風管路。壓風管路上沿壓風流動方向安裝有空氣霧化噴頭，潤滑介質(zhì)進入霧化噴頭后會在壓風管路內(nèi)形成噴射狀油霧。當空壓機壓力超過0.5 MPa 時，油霧顆粒直徑在7 μm 左右，能夠很好地懸浮在空氣中，隨壓風進入螺桿馬達，實現(xiàn)了螺桿馬達的持續(xù)潤滑和潤滑介質(zhì)的長距離輸送。

2.3 風溫監(jiān)測與孔內(nèi)應急降溫技術

定向鉆孔施工過程中，鉆頭切削煤巖會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時被帶走將有可能產(chǎn)生鉆孔內(nèi)的局部高溫，甚至發(fā)生孔內(nèi)火災?？諝舛ㄏ蜚@進施工中多采用壓縮空氣或者壓縮氮氣作為動力源。氮氣因其本身不具有助燃性，可有效防止孔內(nèi)火災的發(fā)生，但是氮氣是一種無色無味的氣體，在有限空間施工作業(yè)時，一旦發(fā)生通風不暢，氮氣聚集，有可能造成現(xiàn)場施工人員窒息事故的發(fā)生。壓縮空氣使用起來相對安全，但是由于空氣中的氧氣具有助燃性，需要著重預防孔內(nèi)火災。多功能除塵車集成了孔口進風、返風溫度監(jiān)測和應急孔內(nèi)降溫功能，解除了壓縮空氣作為驅動介質(zhì)時，孔內(nèi)的火災威脅。

孔內(nèi)應急降溫系統(tǒng)組成如圖5。多功能除塵車的孔內(nèi)應急降溫系統(tǒng)主要由溫度傳感器、旋渦式流量計、本安型遙控器、控制器、電控球閥、壓風管路和防爆蝶閥等部件組成。

圖5 孔內(nèi)應急降溫系統(tǒng)組成Fig.5 In-hole emergency cooling system

溫度傳感器安裝在孔口集塵裝置的上端，時刻監(jiān)控孔內(nèi)反風溫度，并與旋渦式流量計反饋回來的進風溫度進行比較，一旦發(fā)生返風溫度異常升高，電控球閥會在控制器的控制下自動的向壓風管路內(nèi)注入少量的水，用于孔內(nèi)降溫。如果返風溫度超過一定范圍，并且多次啟動降溫程序均無法控制孔內(nèi)溫度時，遙控器面板上便會發(fā)出孔內(nèi)溫度異常提醒。當操縱人員接到異常提醒，并人工查驗孔內(nèi)反風、反渣情況確認孔內(nèi)高溫后，便可通過遙控器一鍵觸發(fā)孔內(nèi)應急降溫系統(tǒng)。此時控制器會控制防爆蝶閥關閉空壓機壓分入口，同時關閉油霧潤滑系統(tǒng)，打開管路上的電控球閥，將井下靜壓水通過鉆桿內(nèi)孔輸送到孔內(nèi)，對高溫煤巖體進行降溫處理。該系統(tǒng)做到了進風和反風溫度的實時監(jiān)測，能夠在孔內(nèi)高溫時自動做出處理，杜絕了孔內(nèi)火災的發(fā)生，保障了空氣定向鉆進施工安全。

2.4 壓風監(jiān)測預警技術

空氣定向鉆進施工過程中，輸入壓縮氣體的壓力和流量是反映孔內(nèi)施工情況和螺桿鉆具工作狀況的最直接指標。施工人員需要及時準確的查看這些數(shù)據(jù)，用于判斷孔內(nèi)情況，并做出及時處置。壓風監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖6。多功能除塵車集成了壓風監(jiān)測系統(tǒng)由進風管路、旋渦式流量計、出風管路、本安型遙控器、隔爆兼本安型控制器等組成，能夠實現(xiàn)對進風壓力、流量、溫度的實時監(jiān)測，相應數(shù)值可以顯示在遙控器的面板上，方便施工人員查看。當檢測結果異常時，也可在遙控器面板上顯示提醒，方便施工人員故障判斷。

圖6 壓風監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.6 Pressure air monitoring system

3 現(xiàn)場應用

ZCY-2×16L 型空氣定向鉆進輔助系統(tǒng)配套ZDY6000LDK 型遙控定向鉆機、無線電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、φ73 mm 整體式大通孔螺旋鉆桿、空氣螺桿馬達、定向鉆頭和可開閉式導向鉆頭等，在淮南某礦開展應用，進行軟煤空氣螺桿馬達定向鉆孔施工，以驗證成套裝備技術性能。

試驗地點位于17102（3）軌道巷，目標煤層為13-1 煤，煤厚3.4 ～6.5 m，均厚4.2 m，以塊狀為主、粉粒及粉末狀次之，塊狀煤內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層硬度系數(shù)為0.3～0.5，原始煤體瓦斯含量為4.3～8.4 m3/t。試驗鉆場位于17102（3）軌道巷切眼向里約650 m，設計鉆孔25 個，設計孔深220 m。

以其中12 個鉆孔的數(shù)據(jù)作為研究對象，累計進尺2 680 m，其中9 個鉆孔深度大于220 m。施工過程中使用多功能除塵車提供孔口除塵、螺桿馬達潤滑服務，同時監(jiān)控空壓機流量、壓力和孔口進風、返風溫度。

1）孔口除塵系統(tǒng)工作情況。采用CCZ-1000 礦用本安型直讀式粉塵儀在空氣定向鉆孔施工過程中時，分別測定除塵系統(tǒng)開啟前和除塵系統(tǒng)工作0.5 h后，作業(yè)現(xiàn)場鉆車司機處的全塵及呼吸性粉塵濃度，取4 組有效數(shù)據(jù)進行對比分析。結果表明，空氣定向鉆進施工過程中，智能輔助系統(tǒng)降塵效果十分明顯，除塵系統(tǒng)開啟后全塵及呼吸性粉塵的平均質(zhì)量濃度分別降至130.5 mg/m3和23.1 mg/m3，降塵效率分別達到89.7%和95.8%。

2）應急降溫系統(tǒng)工作情況。根據(jù)控制器記錄數(shù)據(jù)可知，鉆孔施工過程中未發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)火災，在5#孔施工過程中，曾出現(xiàn)過1 次孔口返風溫度異常升高情況，系統(tǒng)按照預定程序自動采取注水降溫措施，有效解決了孔內(nèi)高溫問題。5#孔施工過程中孔口進風和返風溫度變化情況如圖7。

圖7 孔口進風和返風的溫度變化情況Fig.7 Temperature of inlet air and return air at orifice

3）其他系統(tǒng)工作情況。施工過程中，油霧潤滑系統(tǒng)工作正常，能夠按照設定流量自動的向管路內(nèi)加注潤滑介質(zhì)。流量監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控并直觀顯示壓風流量、壓力和溫度參數(shù)。壓風流量、壓力和溫度異常時，遙控器顯示屏會顯示異常提醒。鉆孔施工過程中，未發(fā)生空氣螺桿馬達損壞情況。在螺桿馬達維護時，可以看到馬達內(nèi)壁均勻附著有潤滑介質(zhì)。

4 結 語

1）研制的空氣定向鉆進用多功能除塵車具有孔口除塵、螺桿馬達潤滑、孔內(nèi)應急降溫和壓風監(jiān)測等功能，能夠為空氣定向鉆孔施工提供全方位的裝備與技術保障。

2）多功能除塵車集成了先進的電液控制系統(tǒng)，將原本復雜的工藝流程和使用技巧固定在了程序里，實現(xiàn)了各輔助系統(tǒng)的一鍵開關和功能切換，提高各系統(tǒng)運行效率，降低了用戶學習成本。

3）孔口除塵系統(tǒng)集成了額定處理能力32 m3/min的射流除塵器，除塵效率89.7%，能夠很好地改善現(xiàn)場施工環(huán)境?？諝饴輻U馬達油霧潤滑系統(tǒng)實現(xiàn)了潤滑介質(zhì)的長距離輸送和螺桿馬達的持續(xù)潤滑，保障了馬達使用壽命?？變?nèi)應急降溫系統(tǒng)實現(xiàn)了孔口進風和孔內(nèi)返風溫度的實時監(jiān)測，能夠自動判斷孔內(nèi)溫度異常，并自主做出降溫措施，降低了孔內(nèi)火災發(fā)生的可能性。

4）空氣定向鉆進智能多功能除塵車的成功研制，解決了空氣定向鉆進施工中的關鍵問題，為碎軟煤層空氣定向鉆進技術和“一孔兩消”瓦斯治理模式的推廣與應用奠定堅實的裝備基礎。