谷樹偉，陳 凱，宋亞新，于明生，劉治翔，鄒 康

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125000；
2.國家能源集團(tuán)包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000；
3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院，遼寧阜新 123000）

巷道掘進(jìn)嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探”的措施，即采取“物探先行、鉆探驗(yàn)證、化探跟進(jìn)”的超前探測手段。巷道掘進(jìn)前須先物探、后鉆探，消除隱患后方可掘進(jìn)一定距離，待到達(dá)允許掘進(jìn)位置后再物探、鉆探，依次循環(huán)。在鉆探過程中，如果發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，須及時(shí)采集水樣進(jìn)行化驗(yàn)，分析水質(zhì)類型，辨別出水水源，并采取相應(yīng)的防治措施[1-3]。

李棟[4-5]介紹了基于模塊化設(shè)計(jì)思路研制的ZDY3500T型分體式和ZDY3500LT型履帶式煤礦用探放水鉆機(jī)。梁春苗等[6]針對探放水工藝施工的特殊條件，研制了ZDY1300L型淺孔探放水鉆機(jī)及其配套裝置和液壓系統(tǒng)。李旺年[7]研發(fā)了與掘錨一體機(jī)配套使用的機(jī)載錨桿鉆機(jī)，并對鉆機(jī)的給進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)器及液壓系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。目前，綜掘工作面前探設(shè)備普遍采用相對獨(dú)立的煤礦用液壓鉆機(jī)。鉆探時(shí)，由人工將液壓鉆機(jī)各組成部件運(yùn)送至迎頭進(jìn)行組裝，組裝完成后開始探測工作。鉆探過程全由人工完成，探測完成后液壓鉆機(jī)各部件被拆解并搬運(yùn)至掘進(jìn)機(jī)后方放置[8-10]。整個(gè)鉆探工作流程復(fù)雜，反復(fù)裝拆、搬運(yùn)部件的時(shí)間多，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，所需人工也較多，這嚴(yán)重影響了掘進(jìn)工作效率[11-12]。因此，作者設(shè)計(jì)了一種掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)。為了全方位了解探放水鉆機(jī)的工作狀態(tài)，提高探放水鉆機(jī)的智能化水平，設(shè)計(jì)了鉆機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以期為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可靠鉆進(jìn)提供有力保障。

1.1 探放水鉆機(jī)介紹

所設(shè)計(jì)的探放水鉆機(jī)安裝在原通風(fēng)除塵風(fēng)機(jī)處，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 探放水鉆機(jī)安裝位置示意Fig.1 Schematic of installation position of water exploration and drainage drilling rig

圖2 探放水鉆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機(jī)主要由連接平臺、框架、動(dòng)力頭、動(dòng)力頭推進(jìn)油缸、動(dòng)力頭推進(jìn)軌道、垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、支撐立柱、支撐立柱回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和液壓夾持器等組成。支撐立柱在探放水鉆機(jī)不工作時(shí)是水平放置的，在探放水鉆機(jī)工作時(shí)由其回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)至垂直放置，用來支撐鉆機(jī)，提高鉆機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

探放水鉆機(jī)自動(dòng)電控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3所示。其主要包括探放水鉆機(jī)狀態(tài)自動(dòng)感知單元、鉆機(jī)作業(yè)自動(dòng)控制單元、鉆機(jī)作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元和人機(jī)界面單元等。

圖3 探放水鉆機(jī)自動(dòng)電控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 General structure of automatic electric control system for water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機(jī)狀態(tài)自動(dòng)感知單元主要包括位移傳感器、壓力傳感器、編碼器、傾角傳感器、光電開關(guān)、超聲波傳感器和液位傳感器等；
鉆機(jī)作業(yè)自動(dòng)控制單元主要包括模擬量采集模塊、核心控制器、輸出模塊和通信模塊等；
鉆機(jī)作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元主要包括液壓泵站系統(tǒng)、控制器閥組、液壓缸和液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件。鉆機(jī)狀態(tài)自動(dòng)感知單元將檢測到的鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對，通過鉆機(jī)作業(yè)自動(dòng)控制單元的控制器運(yùn)算后得到鉆機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整參數(shù)，然后控制鉆機(jī)作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)作業(yè)以及健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度中心[13-14]。

探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)的主要監(jiān)測量有一級伸縮油缸位移、二級伸縮油缸位移、鉆機(jī)進(jìn)給油缸位移、垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所調(diào)節(jié)的整機(jī)傾角、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所調(diào)節(jié)的整機(jī)水平轉(zhuǎn)角、支撐立柱下段油缸壓力、支撐立柱上段油缸壓力、動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)載荷、動(dòng)力頭推進(jìn)載荷、系統(tǒng)總壓力、掘錨一體機(jī)傾角、掘錨一體機(jī)水平距離、設(shè)備振動(dòng)加速度和掘錨一體機(jī)振動(dòng)加速度等[15-16]。主要監(jiān)測傳感器的型號及量程如表1所示。

表1 探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)主要監(jiān)測傳感器的型號及量程Table 1 Type and range of main monitoring sensors in the control system of water exploration and drainage drilling rig

所有傳感器的輸出信號為0.5～4.5 V的電壓信號。探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制對象是液壓泵站的電動(dòng)機(jī)和電磁防爆閥組[17-18]。電動(dòng)機(jī)采用開關(guān)量控制；
電磁防爆閥組采用STPSV55 C2C/240-3型七聯(lián)閥組控制，其控制信號為模擬量信號。電磁防爆閥組的型號和參數(shù)如表2所示。

表2 電磁防爆閥組的型號和參數(shù)Table 2 Type and parameter of solenoid explosion-proof valve group

探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)核心采用西門子S7-200SmartPLC。

綜合以上分析，系統(tǒng)采用1個(gè)ST20CPU模塊、1個(gè)EM DT16數(shù)字量輸入/輸出模塊、2個(gè)EM AE08模擬量輸入模塊以及2個(gè)EM AQ04模擬量輸出模塊。PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)主要模塊的接線如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)主要模塊的接線Fig.4 Wiring of main modules of PLC control system

3.1 總體工作流程

探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線傳遞信號，進(jìn)行精準(zhǔn)的電液控制，實(shí)現(xiàn)高可靠性的智能錨護(hù)、健康診斷、設(shè)備狀況自檢等功能，從而可大幅度提高鉆探自動(dòng)化水平，提升支護(hù)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，保障安全。同時(shí)，其液壓系統(tǒng)管路較為簡單，系統(tǒng)可靠性較高[19-20]。

鉆探控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種運(yùn)行模式。在手動(dòng)控制模式下，操作人員在操作臺手動(dòng)操作電磁閥組，控制鉆機(jī)姿態(tài)和鉆探作業(yè)；
在自動(dòng)控制模式下，只需操作人員一鍵啟動(dòng)，鉆機(jī)即可自動(dòng)調(diào)節(jié)鉆機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)鉆孔作業(yè)，在特殊情況下，可由人工進(jìn)行干預(yù)，防止發(fā)生意外。鉆桿的更換則需要人工。

鉆探作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 鉆探作業(yè)流程Fig.5 Drilling operation process

3.2 鉆進(jìn)深度和鉆桿數(shù)量自動(dòng)記錄流程

無論是手動(dòng)鉆探控制還是自動(dòng)鉆探控制，都須對鉆進(jìn)深度以及煤壁中鉆桿的數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，因此設(shè)計(jì)了鉆進(jìn)深度和鉆桿數(shù)量自動(dòng)記錄子程序。自動(dòng)記錄流程如圖6所示。

圖6 鉆進(jìn)深度和鉆桿數(shù)量自動(dòng)記錄流程Fig.6 Automatic recording process of drilling depth and drill pipe quantity

鉆進(jìn)時(shí)，實(shí)時(shí)鉆桿數(shù)量等于PLC控制系統(tǒng)中鉆桿計(jì)數(shù)器的數(shù)量，實(shí)時(shí)鉆進(jìn)深度=鉆桿數(shù)量×鉆桿長度+鉆進(jìn)位移傳感器讀數(shù)。退鉆時(shí)，實(shí)時(shí)鉆桿數(shù)量等于PLC中鉆桿計(jì)數(shù)器的數(shù)量，存留鉆桿長度=記錄的鉆進(jìn)深度-鉆桿數(shù)量×鉆桿長度-鉆進(jìn)位移傳感器讀數(shù)。

3.3 卡鉆處理流程

結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)可知，卡鉆原因主要為：1）排渣不暢；
2）裂隙卡鉆。因此設(shè)計(jì)了卡鉆處理程序，以及時(shí)解決卡鉆情況?？ㄣ@處理流程如圖7所示。通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測鉆進(jìn)壓力，當(dāng)鉆進(jìn)壓力超過設(shè)定閾值時(shí)，控制動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)且推進(jìn)機(jī)構(gòu)回退，以消除卡鉆現(xiàn)象，防止卡鉆對鉆機(jī)造成損壞。待鉆機(jī)回退后壓力降低，再次令動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)，推進(jìn)鉆機(jī)繼續(xù)進(jìn)行鉆探作業(yè)。

圖7 卡鉆處理流程Fig.7 Handling process of sticking

對所研制的掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行出廠前的廠內(nèi)功能性試驗(yàn)。由于采用的油缸缸徑較小，采用位移傳感器外置的方式對油缸行程進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。外置式油缸位移傳感器的安裝方式如圖8所示。

圖8 外置式油缸位移傳感器安裝方式Fig.8 Installation mode of external oil cylinder displacement sensor

掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)的監(jiān)控界面如圖9所示。通過人機(jī)界面的存儲功能實(shí)時(shí)記錄和上傳探放水鉆機(jī)工作時(shí)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)深度等。

圖9 掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)監(jiān)控界面Fig.9 Monitoring interface of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

在國能包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦進(jìn)行現(xiàn)場測試，得到了在不同鉆進(jìn)速度下鉆機(jī)的鉆進(jìn)載荷和鉆進(jìn)扭矩，如圖10所示。由圖可知，鉆進(jìn)載荷和鉆進(jìn)扭矩均基本與鉆進(jìn)速度成線性關(guān)系，即鉆進(jìn)速度越高，鉆進(jìn)載荷和鉆進(jìn)扭矩越大。

圖10 掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.10 Field test results of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

同時(shí)，在李家壕煤礦的31115輔運(yùn)順槽掘進(jìn)工作面對機(jī)載式探放水鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。利用早班檢修時(shí)間，進(jìn)行80～100 m探放水鉆孔作業(yè)，即探放水鉆孔作業(yè)不占用掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間。安裝在掘錨一體機(jī)上的探放水鉆機(jī)用于準(zhǔn)備工作的時(shí)間比分離的坑道探放水鉆機(jī)減少80%。根據(jù)現(xiàn)場反饋，所研發(fā)的探放水鉆機(jī)具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1）研制了掘錨一體機(jī)機(jī)載式探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)作業(yè)自動(dòng)化。

2）設(shè)計(jì)了鉆進(jìn)深度和鉆桿數(shù)量自動(dòng)記錄程序，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)深度的自動(dòng)測量，為自動(dòng)裝卸鉆桿的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3）通過廠內(nèi)和井下工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的探放水鉆機(jī)控制系統(tǒng)的可行性。

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