一种煤矿用遥控控制自动钻孔钻车

时间：2024-05-17

王树盘+宋建锋

摘要：研发的煤矿用遥控控制自动钻孔钻车，操作人员可远离钻车作业面进行遥控控制，钻杆的接续、钻进、退钻完全由机器完成。整个钻孔作业仅需1人即可进行，可彻底解决煤矿钻车钻孔作业时的安全和效率二者不同兼顾的问题，具有重大的经济效益和社会效益。

关键词：煤矿遥控；控制自动钻孔钻车；自动打钻

中图分类号：TD421 文献标志码：A

0 引言

在煤矿开采过程中，水和瓦斯的控制及排放是关系到煤矿安全重要的问题，我国煤矿地质条件复杂，根据“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的要求，在巷道掘进、煤炭开采前必须前探几十米甚至上百米，高瓦斯矿井对于瓦斯探排有更高的要求，用于探水探瓦斯的钻机已成为煤矿必备设备，国内该类设备发展迅速，目前存在以下几个问题。

①钻孔时间长、效率低，钻孔效率取决于钻杆钻进的时间以及装退钻杆等方面的辅助工作时间。一般钻孔深度达几十米甚至上百米，而每节钻杆长度不等，因此钻杆在钻进和退出的时候分别要进行大量的装钻杆和退钻杆的重复工作。②钻机钻孔作业需要3～5人操作，在浪费劳动力的情况下也增加了安全事故的发生概率。

本文研发的煤矿用遥控控制自动钻孔钻车，操作人员可远离钻车作业面进行遥控控制，钻杆的接续、钻进、退钻完全由机器完成。整个钻孔作业仅需1人即可进行，可彻底解决煤矿钻车钻孔作业时的安全和效率二者不同兼顾的问题，具有重大的经济效益和社会效益。

1 视距遥控功能设计

视距遥控功能主要是指操作人员在视距范围内对钻机进行遥控，遥控系统的可靠通信距离0～50m，操作人员只要站在距离钻机0～50m的范围内，通过操作无线遥控器上的手柄、开关及控制按钮等即可实现对钻机的控制，如：回转器（液压马达）的正反转、给进油缸的推进和后退、夹持器的夹紧和松开、装退钻杆机构的装杆和卸杆等。

2 自动送钻功能设计

自动送钻是指钻机在正常钻进过程中，不依靠操作者调节，而是按钻井工艺要求，让送钻装置在给定的条件下实现钻头的自动给进、自动调速，又叫自适应打钻。使用自动送钻技术可以显著地提高钻进速度，提高钻井质量，减轻钻井工人的劳动强度，减少钻头磨损，延长钻头的使用寿命，减少井下事故的发生，降低钻井的成本。

（1）钻压和钻头转速对钻速的影响

钻压是指钻进时钻头对于井底岩石的压力；钻速是指钻进时每小时的进尺数。根据钻井数据得出钻压与钻速的关系曲线如图1所示。该曲线表示的是钻进过程中其他参数保持不变时测得的钻压与钻速的关系。由图1可知，沿着ab段的钻速几乎与钻压成线性关系，钻压取ab段上的某一个值，在该钻压下应该获得较高的钻井速度而且钻头的磨损速度较低。钻井技术人员根据试井资料或邻近井口的资料来确定理想的钻压值P。

（2）钻头转速对钻速的影响

钻头转速与钻速的关系：图2显示在井底净化充分的正常钻进过程中二者是线性关系。在硬地层钻速与转速不再成比例关系，这是因为转盘转速快，单位时间钻头与井底的接触时间变短，当接触时间小于岩石的破碎时间时，钻头破碎岩石的效率显著下降。现场的钻井经验表明钻进时需要将钻速和转速对钻压的影响综合考虑，不能将他们孤立地分析。目前钻井过程中通常的钻井参数要求是钻压恒定和转速可调。当钻压的取值范围确定后，在整个钻进过程中就不再改变，可以根据实际地层和水力参数对转速进行调整。在恒钻压连续钻进中，钻压误差范围一般是不超过-5kN～5kN，钻速误差浮动范围是0.2m/h～0.6m/h。

（3）钻压和钻头转速控制

钻压和钻速之间的关系的修正的杨格模式表示为：

V=KlCPCH（P-M）nλ/（1+C2h）

式中：Kl—岩石可钻性系数，与钻头类型及岩石硬度有关；CP—压差影响系数，与泥浆浓度有关；CH—水力参数影响系数；P—井底钻压；M—门限钻压；N—转盘转速；λ—转速指数，与岩层性质有关；C2—钻头牙齿磨损系数，与牙齿特性和岩层性质有关；H—钻头牙齿磨损量，随钻进时间而变化。

从上式中可以看出，在转速n和其他参数不变的情况下，克服门限钻压后，钻速与钻压成正比，即：

V=K（P-M）

式中：K= KlCPCHnλ/（1+C2h）

于是可以得到经过拉氏变换的关系式：

V（s） = KP（s）-KM（s）

从上面的关系式可知参数K受到地质构造、岩石研磨特性、钻井液性质等因素的影响，同时系统本身有时变和非线性等特点，仅靠人的观察和手动控制钻进压力很难获得完美的打钻速度，自动送钻功能解决了这个问题，自动送钻启动后车载控制单元会实时监测钻压实际值，并跟系统中设定的钻压值进行比较，根据模糊控制算法，动态调整回转油缸和给进油缸压力，实现恒钻压、转速可调的自动送钻系统目标。

3 全自动打钻、卸杆功能设计

基于上述自动送钻功能的设计，结合打钻和卸杆的标准流程，我方设计了全自动打钻和退钻的功能。当遥控单元选择全自动工作模式时，钻机可按照预设的流程，自动实现打钻（接杆和打钻）和卸杆两种功能，提高了生产效率和安全操作系统。

（1）自动打钻（接杆和打钻）

首先选择遥控系统工作模式为自动模式，再选择自动打钻档位，按下执行开关，则遥控系统控制钻机自动执行系统中设置好的打钻标准流程，打钻时，系统会根据回转油缸和给进油缸压力监测值控制油缸给进以及回转器的速度和压力，完全实现全自动打钻功能。

（2）自动卸杆功能

选择工作模式为自动模式，再选择自动卸杆档位，按下执行按钮，则遥控系统控制钻机自动执行系统设置好的标准卸杆流程。

上述模式中，回转器的起始位置、末端位置和卸杆调整位置通过安装的位置开关传感器检测得到，具体的坐标位置可以通过安装在给进油缸内部的行程传感器获得。

如果在全自动打钻、退钻的过程中，碰见特殊情况或危险情况，需要立即停止打钻、退钻时，可以通过拨动执行开关至停止位置或者直接拍下遥控器的急停按钮实现紧急停车；该钻车也可不用遥控操作改为手动操作，钻车上有切换按钮，方便使用者根据具体工况选择合适的功能。

结语

遥控控制和自动钻孔技术的结合给煤矿井下钻探工艺提供了新的思路和设备，提高了工作效率和人员安全性，在新时代供给侧改革的浪潮下，有竞争力的创新产品必将迎来快速发展，为煤机设备自动化、智能化贡献力量。

参考文献

[1]张付祥，史文軍.双臂掘进钻车自动化钻孔方法研究[J].工矿自动化，2016（6）：42-45.