掘锚一体机机载式探放水钻机控制系统的设计

2023-01-12谷树伟宋亚新于明生刘治翔

工程设计学报 2022年6期

谷树伟，陈凯，宋亚新，于明生，刘治翔，邹康

（1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125000；2.国家能源集团包头能源有限责任公司李家壕煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017000；3.辽宁工程技术大学矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁阜新 123000）

巷道掘进严格执行“有掘必探”的措施，即采取“物探先行、钻探验证、化探跟进”的超前探测手段。巷道掘进前须先物探、后钻探，消除隐患后方可掘进一定距离，待到达允许掘进位置后再物探、钻探，依次循环。在钻探过程中，如果发现涌水现象，须及时采集水样进行化验，分析水质类型，辨别出水水源，并采取相应的防治措施[1-3]。

李栋[4-5]介绍了基于模块化设计思路研制的ZDY3500T型分体式和ZDY3500LT型履带式煤矿用探放水钻机。梁春苗等[6]针对探放水工艺施工的特殊条件，研制了ZDY1300L型浅孔探放水钻机及其配套装置和液压系统。李旺年[7]研发了与掘锚一体机配套使用的机载锚杆钻机，并对钻机的给进装置、回转器及液压系统三个关键部分进行了设计。目前，综掘工作面前探设备普遍采用相对独立的煤矿用液压钻机。钻探时，由人工将液压钻机各组成部件运送至迎头进行组装，组装完成后开始探测工作。钻探过程全由人工完成，探测完成后液压钻机各部件被拆解并搬运至掘进机后方放置[8-10]。整个钻探工作流程复杂，反复装拆、搬运部件的时间多，工人的劳动强度较大，所需人工也较多，这严重影响了掘进工作效率[11-12]。因此，作者设计了一种掘锚一体机机载式探放水钻机。为了全方位了解探放水钻机的工作状态，提高探放水钻机的智能化水平，设计了钻机的远程控制系统，以期为实现自动化、可靠钻进提供有力保障。

1 探放水钻机控制系统总体设计

1.1 探放水钻机介绍

所设计的探放水钻机安装在原通风除尘风机处，如图1所示。其结构如图2所示。

图1 探放水钻机安装位置示意Fig.1 Schematic of installation position of water exploration and drainage drilling rig

图2 探放水钻机结构Fig.2 Structure of water exploration and drainage drilling rig

探放水钻机主要由连接平台、框架、动力头、动力头推进油缸、动力头推进轨道、垂直旋转回转驱动、水平回转驱动、支撑立柱、支撑立柱回转驱动和液压夹持器等组成。支撑立柱在探放水钻机不工作时是水平放置的，在探放水钻机工作时由其回转驱动带动至垂直放置，用来支撑钻机，提高钻机作业时的稳定性。

1.2 控制系统结构

探放水钻机自动电控系统的总体架构如图3所示。其主要包括探放水钻机状态自动感知单元、钻机作业自动控制单元、钻机作业执行机构单元和人机界面单元等。

图3 探放水钻机自动电控系统总体架构Fig.3 General structure of automatic electric control system for water exploration and drainage drilling rig

探放水钻机状态自动感知单元主要包括位移传感器、压力传感器、编码器、倾角传感器、光电开关、超声波传感器和液位传感器等；钻机作业自动控制单元主要包括模拟量采集模块、核心控制器、输出模块和通信模块等；钻机作业执行机构单元主要包括液压泵站系统、控制器阀组、液压缸和液压马达等执行元件。钻机状态自动感知单元将检测到的钻机运行状态与设定的参数进行比对，通过钻机作业自动控制单元的控制器运算后得到钻机执行机构调整参数，然后控制钻机作业执行机构单元进行相应的调整，实现钻机自动作业以及健康状态实时监控，并将数据通过井下环网上传到地面调度中心[13-14]。

2 探放水钻机控制系统硬件设计

探放水钻机控制系统的主要监测量有一级伸缩油缸位移、二级伸缩油缸位移、钻机进给油缸位移、垂直旋转回转驱动所调节的整机倾角、水平回转驱动所调节的整机水平转角、支撑立柱下段油缸压力、支撑立柱上段油缸压力、动力头旋转载荷、动力头推进载荷、系统总压力、掘锚一体机倾角、掘锚一体机水平距离、设备振动加速度和掘锚一体机振动加速度等[15-16]。主要监测传感器的型号及量程如表1所示。

表1 探放水钻机控制系统主要监测传感器的型号及量程Table 1 Type and range of main monitoring sensors in the control system of water exploration and drainage drilling rig

所有传感器的输出信号为0.5～4.5 V的电压信号。探放水钻机控制系统的主要控制对象是液压泵站的电动机和电磁防爆阀组[17-18]。电动机采用开关量控制；电磁防爆阀组采用STPSV55 C2C/240-3型七联阀组控制，其控制信号为模拟量信号。电磁防爆阀组的型号和参数如表2所示。

表2 电磁防爆阀组的型号和参数Table 2 Type and parameter of solenoid explosion-proof valve group

探放水钻机控制系统核心采用西门子S7-200SmartPLC。

综合以上分析，系统采用1个ST20CPU模块、1个EM DT16数字量输入/输出模块、2个EM AE08模拟量输入模块以及2个EM AQ04模拟量输出模块。PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）控制系统主要模块的接线如图4所示。

图4 PLC控制系统主要模块的接线Fig.4 Wiring of main modules of PLC control system

3 探放水钻机控制系统工作流程

3.1 总体工作流程

探放水钻机控制系统通过现场总线传递信号，进行精准的电液控制，实现高可靠性的智能锚护、健康诊断、设备状况自检等功能，从而可大幅度提高钻探自动化水平，提升支护效率，降低劳动强度，保障安全。同时，其液压系统管路较为简单，系统可靠性较高[19-20]。

钻探控制分为手动控制和自动控制两种运行模式。在手动控制模式下，操作人员在操作台手动操作电磁阀组，控制钻机姿态和钻探作业；在自动控制模式下，只需操作人员一键启动，钻机即可自动调节钻机的位置和姿态进行自动钻孔作业，在特殊情况下，可由人工进行干预，防止发生意外。钻杆的更换则需要人工。

钻探作业流程如图5所示。

图5 钻探作业流程Fig.5 Drilling operation process

3.2 钻进深度和钻杆数量自动记录流程

无论是手动钻探控制还是自动钻探控制，都须对钻进深度以及煤壁中钻杆的数量进行自动计算，因此设计了钻进深度和钻杆数量自动记录子程序。自动记录流程如图6所示。

图6 钻进深度和钻杆数量自动记录流程Fig.6 Automatic recording process of drilling depth and drill pipe quantity

钻进时，实时钻杆数量等于PLC控制系统中钻杆计数器的数量，实时钻进深度=钻杆数量×钻杆长度+钻进位移传感器读数。退钻时，实时钻杆数量等于PLC中钻杆计数器的数量，存留钻杆长度=记录的钻进深度-钻杆数量×钻杆长度-钻进位移传感器读数。

3.3 卡钻处理流程

结合现场施工经验可知，卡钻原因主要为：1）排渣不畅；2）裂隙卡钻。因此设计了卡钻处理程序，以及时解决卡钻情况。卡钻处理流程如图7所示。通过压力传感器实时检测钻进压力，当钻进压力超过设定阈值时，控制动力头反转且推进机构回退，以消除卡钻现象，防止卡钻对钻机造成损坏。待钻机回退后压力降低，再次令动力头正转，推进钻机继续进行钻探作业。

图7 卡钻处理流程Fig.7 Handling process of sticking

4 探放水钻机控制系统的测试与分析

对所研制的掘锚一体机机载式探放水钻机及其控制系统进行出厂前的厂内功能性试验。由于采用的油缸缸径较小，采用位移传感器外置的方式对油缸行程进行实时测量。外置式油缸位移传感器的安装方式如图8所示。

图8 外置式油缸位移传感器安装方式Fig.8 Installation mode of external oil cylinder displacement sensor

掘锚一体机机载式探放水钻机的监控界面如图9所示。通过人机界面的存储功能实时记录和上传探放水钻机工作时的设备状态数据和钻进深度等。

图9 掘锚一体机机载式探放水钻机监控界面Fig.9 Monitoring interface of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

在国能包头能源有限责任公司李家壕煤矿进行现场测试，得到了在不同钻进速度下钻机的钻进载荷和钻进扭矩，如图10所示。由图可知，钻进载荷和钻进扭矩均基本与钻进速度成线性关系，即钻进速度越高，钻进载荷和钻进扭矩越大。

图10 掘锚一体机机载式探放水钻机现场测试结果Fig.10 Field test results of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

同时，在李家壕煤矿的31115辅运顺槽掘进工作面对机载式探放水钻机进行现场工业性试验。利用早班检修时间，进行80～100 m探放水钻孔作业，即探放水钻孔作业不占用掘进作业时间。安装在掘锚一体机上的探放水钻机用于准备工作的时间比分离的坑道探放水钻机减少80%。根据现场反馈，所研发的探放水钻机具有较好的应用和推广价值。