智能化鉆孔鑿巖設備研發與應用

李 鵬

（山西焦煤化工有限責任公司， 山西 孝義 032300）

0 引言

掘進機是一種廣泛應用在煤礦井下巷道掘進中的機械，廣泛應用在井下巖性較軟的巷道中，但其對于井下硬質巖巷的掘進效率低、磨損大、經濟性差，極大地影響了煤礦井下巷道掘進的效率和安全性。當采用鉆爆法在井下巷道掘進時，由于鉆車的智能化程度不足，因此整體運行的可靠性差，無法進行聯動運行控制，同樣無法滿足井下高效、安全掘進的作業需求[1]。

結合現有煤礦井下巷道掘進需求及目前掘進機、鉆裝機所存在的問題，項目組對一種新的智能化的鉆孔鑿巖設備進行了研究，其采用了全新的模塊化結構設計方式，將鉆孔、挖掘、錨護等功能集于一體，通過智能化聯合運行控制和高精度定位系統，實現了智能化綜掘控制，減少了井下巷道掘進面作業人員數量，提高了井下巷道掘進的效率。根據實際應用表明，新的智能化鉆孔鑿巖設備能夠將掘進面作業人員數量降低36.7%，將掘進效率提升40%，對提升井下巷道掘進效率和經濟性具有十分重要的意義。

1 智能鉆孔鑿巖設備總體設計

鉆孔鑿巖設備主要是滿足在井下不同地質情況下的快速鉆孔鑿巖需求，根據煤礦井下的地質情況分析，在掘進時所遇見的最硬巖石的普氏硬度約為10，井下巷道掘進時的最大傾角不超過15°，掘進時的巷道最大截面不超過35 m2。同時該設備需要具備較高的智能化程度，能夠實現多工序并行作業，有效減少人工作業強度，提高井下巷道的掘進效率。

為了滿足在井下復雜環境中的鉆掘需求，新的智能鉆孔鑿巖設備采用了模塊化的結構設計模式[2]，主要包括行走模塊、錨護模塊、鉆臂操作臺、液壓系統等。其整體結構如圖1 所示。

圖1 智能鉆進鑿巖設備示意圖

2 智能鉆機關鍵鉆進技術

為了滿足井下智能化快速掘進控制的需求，該智能鉆機集成了Top-Down 數據融合技術、扒斗負載敏感變量技術、智能定位控制系統等，實現了掘進機在井下作業時的高度自動化，各個模塊技術如下：

1）模塊化設計及ToP-Down 融合設計[3]，將井下鉆孔、出渣、井下支護等功能按模塊化進行設計，然后整合到一起并進行集成控制，有效提升了該鉆裝錨掘設備的巷道掘進效率和智能化。為了滿足集成化運行控制的需求，該鉆裝錨掘設備采用了4 臂控制結構，通過高精度定位系統進行快速定位，并利用2 個機械臂進行爆破孔施工，其余2 個機械臂進行錨索鉆孔施工及巷道支護。在鉆進過程中的碎石，則可以通過鉆裝錨掘設備的鏟板和扒渣裝置進行裝載和轉運，從而實現了井下巷道掘進時多工序的并行作業。

2）負載敏感變量技術。該技術主要是控制扒斗在運行過程中的壓力峰值，減少在工作時因載荷突變而導致的壓力沖擊現象[4]。為了提高負載敏感變量控制的精確性，在液壓系統中設置了多路連接閥，鉆裝錨掘設備不同功能運行時通過獨立的控制閥進行控制，雖然在一定程度上加大了系統的整體結構，但能夠極大地提升系統的應用可靠性。

3）鉆裝錨掘設備快速定位。鉆裝錨掘設備在井下正常工作的核心是能夠實現在井下的快速、精確定位，因此開發了一種新的鉆裝錨掘設備快速定位系統[5]，通過超聲波測距傳感器及單軸傾角傳感器和加速度傳感器來實現對設備運行狀態的實時監測及分析，完成設備運行位置和姿態的快速調整，確保設備運行時的定位精度在±10 mm 以內。該定位系統結構如圖2 所示。

圖2 鉆裝錨掘設備定位系統示意圖

4）鉆臂智能快速定位。結合鉆裝錨掘設備在井下的實際應用需求，提出了一種新的鉆臂智能快速定位系統，主要包括檢測模塊、液壓模塊及上位機系統。檢測模塊包括多種傳感器和慣性導航系統[6]，能夠實現鉆裝錨掘設備在井下不同環境中的快速定位需求。根據實際應用表明，該定位系統在井下能夠實現對鉆裝錨掘設備±4 mm 的高精度定位，滿足井下聯動掘進控制的需求。

3 鉆裝錨掘設備優化

在實際使用過程中，設備存在著以下問題，因此在應用時針對性地進行了優化，提高了設備在運行時的可靠性和穩定性，具體包括以下幾個部分：

1）第一輸送機和第二輸送機之間的垂直距離僅400 mm，當抬機頭鏟板時，會導致兩個輸送機之間出現壓機情況。同時第二輸送機和第一輸送機在重合位置的重合距離僅100 mm，導致容易漏矸石。因此將第一輸送機機尾處的高度抬高500 mm，并將第二輸送機的長度增加400 mm，增加兩個輸送機之間的重合度。改進后的結構如圖3 所示。

圖3 輸送機配合位置優化示意圖（單位：mm）

2）鉆機改進。為了提高設備在運行時的穩定性，在機械臂的端板中心處加一個支撐結構，提高在鉆進過程中的結構強度，炮孔鑿巖機孔口位置設計成簡易開口結構[7]，在進行打錨桿時可采用短打長套的方式，盡量減少在施工過程中拆裝鉆桿的工時。根據井下的實際應用情況，可利用1 500 mm 的鉆桿短打，同時利用2 600 mm 的鉆桿進行長套，最后將鉆機的鉆推進距離由目前的1 000 mm 提高到1 700 mm。改進后的鉆機結構如圖4 所示。

圖4 鉆機優化結構示意圖

4 應用情況分析

目前該鉆裝錨掘設備已經在井下巷道掘進中得到了應用，根據近10 個月的應用情況分析，其突出效果匯總如下：

1）人員方面：采用新的掘進設備后，一個班同時作業人員數量由最初的49 人降低到了目前的31 人，人員數量減少了36.7%，顯著降低了人員成本，提高了井下作業面的作業安全性。

2）效率方面：采用新的掘進設備后，巷道掘進速度由最初的3 m/d 提升到了目前的4.2 m/d，掘進效率提升了40%。

3）其他方面：優化后能夠減少井下巷道占用空間，提高了井下物料轉運效率和安全性，同時節約了多條供電線路和懸掛鏈，降低了巷道掘進成本。

5 結論

為了解決井下巷道掘進效率低、安全性差的不足，提出了一種新的井下巷道掘進設備，對該設備的整體結構、關鍵制造技術及應用情況進行了分析，根據實際應用表明：

1）該設備采用了模塊化設計，通過組合控制的方式實現了井下巷道掘進的多工序聯動作業，有效地提升了井下巷道掘進效率。

2）新的設備定位系統能夠將設備運行定位精度控制在±10 mm 以內，鉆臂控制精度控制在±4 mm以內，滿足井下高精度控制需求。

3）新裝備能將掘進面作業人員數量降低36.7%，將掘進效率提升40%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性。