智能防卡的煤矿远控钻孔机器人

步宇 文学礼 李毅龙 王庆杰 马一洲

摘 要：当前我国煤炭仍在我国能源方面占主导地位，但煤炭开采过程仍存在较多问题。近年来，因瓦斯气体泄露等问题造的成事故频发，对煤层中瓦斯气体的卸载及利用是一项需要解决的重要问题。智能防卡的煤矿远控钻孔机器人采用履带式行进机构进行移动，通过多种通信方式实现远程控制，实现钻孔过程。智能防卡的煤矿钻孔机器人通过其创新的通信方式、巧妙的自平衡算法及智能防卡钻系统，为煤矿卸载瓦斯技术提出一种构想。

关键词：智能控制;防卡钻;远程通信

1.引言

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，几千年来煤炭资源一直是我国开采及利用的主要资源。但在其开采过程中存在较多的安全问题，煤矿中含有的瓦斯气体则是需要面对的主要问题，处理过程中一旦操作不当便会造成瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故，危及工人的生命财产安全。

在实际开采过程中，一般采用机械钻孔技术对煤层中的瓦斯气体进行卸载，但在松软煤层中常常会遇到卡钻问题，这是需要解决的一大难题，此外对于井下钻机的调平技术、远程操控技术也是急需解决的重要问题。

智能防卡的煤矿钻孔机器人在矿井中利用MESH网络远控、esp8266WiFi通信以及2.4G通信模块多方式联合通信技术进行远程控制，移动过程通过自平衡模块实现产品的自动调平，而产品特有的智能防卡钻系统则对钻孔过程的常见的卡钻问题进行解决，确保钻孔卸载瓦斯的顺利进行。智能防卡的煤矿钻孔机器人用于解决煤层中瓦斯气体的卸载问题，同时对井下防治粉尘和冲击地压有着重要作用，为人们安全生产生活提供技术保障。

2.机械结构设计

智能防卡的煤矿远控钻孔机器人以小车为雏形，设计有自平衡支撑机构、钻孔倾角调节机构、进给/起拔机构、钻孔机构及行进机构等几部分。

2.1自平衡机构设计

钻孔机器人工作时，必须保持整机稳固地定位于巷道地面，而巷道底面并不完全平整，通过自平衡机构解决该问题，工作时，由安装于支撑机构上的红外测距模块检测支撑机构与地面的距离，根据姿态检测传感器的信息，由控制器采用平衡控制算法制安装于机器人四角的支腿对机身进行调平。

2.2钻孔倾角调节机构设计

钻孔倾角调节机构工作时，电动推杆向上伸出，通过其与滑轨的铰链带动滑轨向上抬起，最终带动滑轨上的钻孔机构一起向上倾斜，实现钻孔倾角调节。

2.3钻孔及进给/起拔机构设计

钻孔及进给/起拔机构由直流电动机提供驱动力，当进给/起拔机构开始进给时，钻孔机构在电动机的驱动下，正向旋转并钻入煤壁指定位置。钻孔施工开始时，电动推杆伸出，带动钻孔机构进给，实现钻杆进给。

3.控制系统设计

控制器是整个控制系统的核心。所有的传感器包括机器人姿态检测模块、红外测距模块、无线通讯模块等监测到的数據都要上传到控制器进行分析处理。经过智能防卡控制系统处理之后输出通过电机驱动模块控制相应机构上的电机动作实现指定的功能。各模块之间的关系如图2所示。

3.1机器人姿态检测模块

姿态检测模块采用姿态检测传感器判断机器人的实时姿态，控制器读取数据并滤波后，采用自平衡算法控制自平衡支撑机构以实现机器人机身自动调平，为自平衡支撑机构可靠平稳的将机器人撑起后的钻孔施工提供保障。

3.2红外测距模块

通过在机器人自平衡机构上安装红外测距模块，检测每个自平衡支腿距离地面的实际距离，可保证机器人可靠稳定地支撑到地面上。红外测距模块通过实时检测模拟信号值的大小判断支撑机构与地面之间的距离。

3.3智能防卡控制系统

智能防卡控制系统由智能决策器和执行器两部分组成，采用扭矩传感器、转速传感器及重量传感器实时检测钻孔施工中的钻杆扭矩、钻杆转速及排渣量，并将数据输入系统，系统根据防卡钻方法输出控制决策至执行器，控制液压机构完成智能决策器输出的决策值。

4.钻孔实验与仿真分析

4.1钻孔实验

在钻孔实验中执行的数据，先正常钻进，再因煤渣堵塞即将发生卡钻，经过智能控制器的调节防止卡钻。模拟传感器的信号源发出信号，每个信号持续时间为1s，数据如表1所示。

由表得出，当钻进状态越容易发生卡钻时，给进速度会越小，回转速度会越大，从而使煤渣的产生量下降，并增加排渣量，以疏通孔内煤渣防止出现堵塞。

4.2仿真分析

选择Static Structural模块进行样机整体受力分析，导入SOlid WOrks2021输出的Stp格式模型，选择StructuralSteel作为样机主体型材，Steel 1006作为钻头部分型材。对合金钻进行疲劳分析，设定钻头所受载荷为交变载荷，采用GOOdman平均应力修正理论进行寿命和安全系数校核分析，得到如下所示结果。

钻头处变形较为严重，同样的相比与其他结构寿命最短。因此可以换用更好的材料进行钻头的加工或对其进行表面强化。

总结

智能防卡的煤矿远控钻孔机器人综合运用了智能控制技术，远程网络通信技术和自动化技术，实现煤矿井下钻孔卸瓦斯与卸压作业等危险工况的作业。系统里利用机器人测距和姿态自调整功能，实现在复杂矿道中平稳移动，利用智能控制系统可有效完成矿井中卸瓦斯与卸压作业，为矿井工作带来安全保障。