陳 勇，桂 兵，趙慧杰，蔡 輝，馬志鋒，熊洪恩

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500； 2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221008)

煤礦生產(chǎn)一直是一個(gè)高危行業(yè)，由于工作環(huán)境的復(fù)雜性以及多變性，使得煤礦安全事故頻發(fā)，且損失嚴(yán)重。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)文化水平不斷提高，關(guān)注安全，珍惜生命，追求企業(yè)的本質(zhì)安全以成為廣大職工的迫切愿望。煤礦防突治理工作是保證煤礦安全生產(chǎn)的首要工作之一，因此，防突治理效率成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。隨著煤礦開采深度的增加，大部分礦井面臨著高瓦斯、高突出、高地溫三重威脅，瓦斯治理的難度增大、施工效率低，作業(yè)環(huán)境更加惡劣，安全系數(shù)低。煤礦防突治理的主要措施為瓦斯抽采釋放，通過在煤層鉆孔，下入抽放管，利用負(fù)壓將煤層內(nèi)部瓦斯抽采到標(biāo)準(zhǔn)濃度后，才能進(jìn)行正常的生產(chǎn)作業(yè)。但隨著開采深度的增加，地應(yīng)力逐步增加，瓦斯抽采的難度也越來(lái)越大，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的周期也越來(lái)越長(zhǎng)。越來(lái)越多的煤礦開始進(jìn)行了各種泄壓增透措施的嘗試，以水射流式煤層造穴泄壓成套裝置為代表的水力沖孔造穴技術(shù)因設(shè)備成套性好、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、安全性高、作業(yè)時(shí)間短、煤層泄壓增透效果好等因素而被推廣使用。水射流式煤層造穴泄壓成套裝置雖然作業(yè)效果好，但是由于成套裝備組成設(shè)備較多，施工時(shí)需投入至少3名人員進(jìn)行同時(shí)作業(yè)，造成鉆孔作業(yè)施工過程中占用人力資源較多；同時(shí)由于該設(shè)備大多為液壓控制設(shè)備，工人作業(yè)強(qiáng)度大，且此類設(shè)備仍需要工人距離操作才能實(shí)現(xiàn)打鉆過程，沒有辦法避免噴孔對(duì)作業(yè)人員的傷害，保證工人的人身安全。

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下發(fā)了開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)通知，目標(biāo)在于通過“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”示范企業(yè)(礦井)建設(shè)，建立較為完善的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”標(biāo)準(zhǔn)體系，推動(dòng)煤礦、金屬非金屬礦山、危險(xiǎn)化學(xué)品和煙花爆竹等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域機(jī)械化、自動(dòng)化程度大幅提升，實(shí)現(xiàn)高危作業(yè)場(chǎng)所作業(yè)人員減少30%以上，大幅提高企業(yè)安全生產(chǎn)水平。該專項(xiàng)行動(dòng)內(nèi)容的第一條就是煤礦安全機(jī)械化自動(dòng)化。目前煤礦安全機(jī)械化已經(jīng)得到了普及，煤礦用自動(dòng)化控制技術(shù)得到一定的發(fā)展。在防突治理工藝上的應(yīng)用上也產(chǎn)生了相應(yīng)的設(shè)備，但并不多，也沒有被推廣使用，也更沒有其它公司將自動(dòng)鉆機(jī)與鉆沖一體化作業(yè)技術(shù)融合到一起實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能打鉆、造穴一體化作業(yè)[1-7]。

本文研究了煤礦智能打鉆造穴一體化技術(shù)，通過采用智能打鉆造穴一體化裝備在施工過程中實(shí)現(xiàn)了一鍵打鉆、一鍵退鉆與一鍵沖孔功能，施工過程中無(wú)需工人頻繁操作設(shè)備，減少了工人操作設(shè)備時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的可能。

1 智能鉆沖一體化成套裝備

智能鉆沖一體化成套裝備主要包含自動(dòng)化控制鉆機(jī)、遠(yuǎn)控清水泵站、高壓密封鉆具、可變徑造穴裝置等，其中自動(dòng)化控制鉆機(jī)主要由自動(dòng)打鉆車與自動(dòng)鉆桿車2部分組成。

自動(dòng)化控制鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一鍵自動(dòng)打鉆、自動(dòng)退鉆、自動(dòng)上鉆桿以及自動(dòng)下鉆桿等功能，通過無(wú)線遙控控制與數(shù)據(jù)顯示功能方便工人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；遠(yuǎn)控清水泵站在無(wú)線遙控器控制下實(shí)現(xiàn)泵站輸出壓力的線性調(diào)整及定值調(diào)整、保壓，在設(shè)備正常鉆進(jìn)時(shí)輸出低壓水，設(shè)備需要沖孔時(shí)泵站輸出壓力自動(dòng)升高至固定值并保持，實(shí)現(xiàn)設(shè)備沖孔時(shí)高壓水供給功能；高壓密封鉆具在實(shí)現(xiàn)設(shè)備扭矩傳遞的同時(shí)還具有耐高壓以及自動(dòng)閉水功能，在設(shè)備連接鉆桿時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆具的自動(dòng)閉水，減少通水供水時(shí)間，避免因拆解鉆桿時(shí)水流流出產(chǎn)生虹吸堵塞鉆具；可變徑造穴裝置通過高低壓水切換實(shí)現(xiàn)造穴裝置的轉(zhuǎn)換，通過轉(zhuǎn)換后的造穴裝置實(shí)現(xiàn)煤層內(nèi)部造穴，掏出一定的煤體后實(shí)現(xiàn)煤層內(nèi)部泄壓增透。

1.1 煤礦用自動(dòng)化控制鉆機(jī)組成

煤礦用自動(dòng)化控制鉆機(jī)組成如圖1所示。

圖1 煤礦用自動(dòng)化控制鉆機(jī)組成Fig.1 Composition of automatic control drilling rig for coal mine

(1)自動(dòng)化控制打鉆車。主要包括履帶底盤、液壓操作系統(tǒng)、可編程控制箱、真空電磁啟動(dòng)器、液壓油箱、動(dòng)力源、冷卻器、龍門架組件和導(dǎo)軌組件。功能特性及技術(shù)特點(diǎn)：①配備10 t履帶，設(shè)備行走強(qiáng)勁有力；②采用龍門架支護(hù)形式，使穩(wěn)鉆更可靠，打鉆更穩(wěn)定；③使用全方位打鉆機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0°～180°一次支鉆，全方位打孔作業(yè)；④采用PLC可編程控制系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化打鉆控制過程，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打鉆參數(shù)；⑤具備自適應(yīng)鉆進(jìn)，打鉆沖孔模式自由切換等功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)鉆進(jìn)與自動(dòng)沖孔功能的快速切換。

(2)自動(dòng)化控制鉆桿車。主要包括履帶底盤、自動(dòng)鉆桿箱、液壓油箱、動(dòng)力源、電液控制系統(tǒng)、可編程控制箱、行走切換閥組和真空電磁啟動(dòng)器。功能特性及技術(shù)特點(diǎn)：①配備獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，可單獨(dú)于打鉆車獨(dú)立作業(yè)；②采用五軸機(jī)械手，靈活抓取鉆桿，達(dá)到準(zhǔn)確送鉆桿；③自帶大容量鉆桿箱，滿足一次長(zhǎng)距離成孔需求；④采用PLC可編程控制系統(tǒng)與電液控制系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了與打鉆車控制系統(tǒng)的高效對(duì)接；⑤人性化參數(shù)設(shè)置界面，可任意設(shè)置鉆桿根數(shù)，并可監(jiān)測(cè)打鉆深度。

1.2 遠(yuǎn)控清水泵站主要組成部分

遠(yuǎn)程控制清水泵站功能特性及技術(shù)特點(diǎn)見表1。

表1 遠(yuǎn)程控制清水泵站功能特性及技術(shù)特點(diǎn)Tab.1 Function and technical characteristics of remote control clean water pumping station

2 施工地點(diǎn)概況

巷道名稱：26軌回五聯(lián)巷，巷道基本情況描述：巷道斷面寬4.4 m，無(wú)膠帶，拱基線高1.4 m，地面硬化，地面狀態(tài)良好。巷道斷面布置如圖2所示。

圖2 巷道斷面布置Fig.2 Roadway section layout

3 實(shí)施方案

試驗(yàn)設(shè)計(jì)4組鉆孔，單組孔之間間距5 m，每組孔共12個(gè)鉆孔，分2列布置，共計(jì)48個(gè)，在26軌回五聯(lián)巷施工穿層鉆孔，所有鉆孔均為全煤層沖孔作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)布置簡(jiǎn)易儲(chǔ)煤倉(cāng)，容積1.2 m3，要求每2 m沖孔范圍需出煤1筐。鉆孔施工參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

表2 鉆孔施工參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Parameters design of borehole construction

(1)“夾角”指的是鉆孔與巷道中心線的夾角(以巷道掘進(jìn)方向?yàn)檎较?，左偏為正，右偏為負(fù)；“傾角”指的是鉆孔與水平線的夾角，上偏為正，下偏為負(fù)。

(2)瓦斯抽采鉆孔見煤后必須穿透煤層進(jìn)入煤層頂板1 m，達(dá)到設(shè)計(jì)深度未見煤需繼續(xù)鉆進(jìn)10 m，若出現(xiàn)全巖孔、見煤段長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)偏差較大等異常情況時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)分析，可在不超過±3°的范圍內(nèi)調(diào)整鉆孔施工傾角。鉆孔施工傾角偏差超過±3°時(shí)，應(yīng)及時(shí)變更或修改設(shè)計(jì)，經(jīng)審批后執(zhí)行。

(3)受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，施工人員可對(duì)開孔位置進(jìn)行調(diào)整，但距設(shè)計(jì)位置不得超過0.3 m；補(bǔ)孔距老孔0.2～0.5 m。若超出允許調(diào)整范圍，必須補(bǔ)充設(shè)計(jì)，經(jīng)審批后執(zhí)行。

(4)鉆孔采用通管直連注漿帶壓封孔方式。根據(jù)以上鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)，單組孔分奇數(shù)孔與偶數(shù)孔布置，單組奇數(shù)孔與偶數(shù)孔間隔2.5 m。單組孔孔位打鉆如圖3所示。

圖3 單組孔孔位打鉆示意Fig.3 Drilling sketch of single group hole location

4 現(xiàn)場(chǎng)施工效率對(duì)比

根據(jù)智能打鉆造穴一體化裝置現(xiàn)場(chǎng)記錄設(shè)備施工過程以及與施工現(xiàn)場(chǎng)普通液壓鉆機(jī)打鉆造穴施工過程。智能打鉆造穴一體化裝備與普通打鉆造穴設(shè)備對(duì)比見表3。

表3 智能打鉆造穴一體化裝備與普通打鉆造穴設(shè)備對(duì)比Tab.3 Comparison of intelligent drilling and cave-making integrated equipment and ordinary drilling and cave-making equipment

利用以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：①智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進(jìn)速度為普通打鉆造穴設(shè)備平均鉆進(jìn)速度的1.59倍(以平均每小時(shí)鉆進(jìn)米數(shù)計(jì)算)；②智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進(jìn)速度為普通打鉆造穴設(shè)備平均沖孔速度的1.36倍(以平均每小時(shí)沖孔米數(shù)計(jì)算)；③智能打鉆造穴一體化裝備平均鉆進(jìn)速度為普通打鉆造穴設(shè)備平均退鉆速度的72%(以平均每小時(shí)退鉆米數(shù)計(jì)算)。

常規(guī)作業(yè)施工中，打鉆作業(yè)占總作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的30%，沖孔作業(yè)占總作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的50%，退鉆作業(yè)占總作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的20%，綜合以上平均速度對(duì)比及設(shè)備施工時(shí)各階段時(shí)間占比并進(jìn)行理論估算，認(rèn)為智能打鉆造穴一體化裝備的綜合作業(yè)效率可達(dá)到普通打鉆造穴設(shè)備綜合作業(yè)效率的1.3倍。以上效率對(duì)比沒有考慮人工投入，如果以單人平均作業(yè)效率來(lái)計(jì)算，智能打鉆造穴一體化裝置施工現(xiàn)場(chǎng)只需配備一人作業(yè)，而普通打鉆造穴設(shè)備需3人作業(yè)，智能打鉆造穴一體化裝置的人均作業(yè)效率可達(dá)到普通打鉆造穴設(shè)備的4倍左右。

5 技術(shù)特點(diǎn)

以上工業(yè)試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分肯定了智能打鉆造穴一體化裝備在底板巖巷進(jìn)行穿層孔打鉆造穴一體化作業(yè)的施工效率，該成套設(shè)備也滿足此所有技術(shù)指標(biāo)要求，形成了具有以下優(yōu)勢(shì)的智能打鉆造穴一體化裝備。①設(shè)備通過PLC可編程控制及電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)打鉆、一鍵自動(dòng)退鉆、一鍵自動(dòng)沖孔的功能；②采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低自動(dòng)打鉆車與自動(dòng)鉆車尺寸，使設(shè)備適用于狹窄巷道，移動(dòng)方便，適應(yīng)性強(qiáng)；③自動(dòng)化控制打鉆車與自動(dòng)化控制鉆桿車均包含有獨(dú)立電液控制系統(tǒng)與程序控制，實(shí)現(xiàn)兩車的獨(dú)立工作，操作更簡(jiǎn)單，維護(hù)更方便；④遠(yuǎn)程控制雙電機(jī)清水泵站配備2臺(tái)電機(jī)，設(shè)備移動(dòng)時(shí)由獨(dú)立電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，有效提高了注水泵的使用效率；⑤設(shè)備通過遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)清水泵站注水泵輸出壓力的控制，同時(shí)通過壓力傳感器檢測(cè)輸出壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)清水泵站輸出壓力的精準(zhǔn)控制；⑥設(shè)備自帶的自動(dòng)控制水閥，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備供水自動(dòng)控制，避免了人工開關(guān)水閥的過程，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的施工效率；⑦自動(dòng)打鉆車可折疊式龍門架設(shè)計(jì)，行走時(shí)回收降低設(shè)備中心高度，打鉆時(shí)翻轉(zhuǎn)，為導(dǎo)軌組件提供穩(wěn)固支撐，操作方便，安全可靠；⑧自動(dòng)打鉆車全方位打鉆機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備0°～180°打鉆的施工要求，具有底抽巷作業(yè)一次穩(wěn)鉆、全方位作業(yè)施工的功能，且導(dǎo)軌調(diào)角配備有液壓制動(dòng)系統(tǒng)，使設(shè)備打鉆過程更穩(wěn)、更可靠；⑨自動(dòng)打鉆車導(dǎo)軌自動(dòng)防噴孔裝置、封孔便捷、操作簡(jiǎn)單、封孔效率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低；⑩自動(dòng)鉆桿箱具備大容量鉆桿儲(chǔ)備功能，滿足單次鉆孔需求，同時(shí)配備五軸機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)鉆桿的精準(zhǔn)抓取、送鉆及回收鉆桿，工作可靠效率高；自動(dòng)化控制鉆機(jī)液壓系統(tǒng)均采用負(fù)載敏感控制系統(tǒng)與電液控制的結(jié)合，空載時(shí)能量消耗少，工作時(shí)按需供給，減少能源的浪費(fèi)，節(jié)能增效；自動(dòng)化控制鉆機(jī)與遠(yuǎn)程控制清水泵站均可實(shí)現(xiàn)遙控器控制及自動(dòng)控制功能，有效提高了施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；自動(dòng)控制程序通過傳感器實(shí)現(xiàn)了設(shè)備動(dòng)作速度及壓力的控制，同時(shí)通過傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證設(shè)備的運(yùn)行安全；另外自動(dòng)控制程序中嵌入防壓鉆控制程序，反應(yīng)靈敏、自動(dòng)介入，避免設(shè)備施工過程中出現(xiàn)壓鉆的風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)備采用無(wú)線遙控控制功能，避免工人近距離操作設(shè)備，保障工人作業(yè)安全；無(wú)線遙控器自帶顯示功能與參數(shù)調(diào)整功能，參數(shù)讀取直觀、操作便捷；設(shè)備自帶甲烷及一氧化碳檢測(cè)設(shè)備，保障施工過程中的作業(yè)安全；設(shè)備自帶信息采集、故障診斷、警示及數(shù)據(jù)記錄功能，有效記錄鉆孔深度、鉆孔時(shí)長(zhǎng)、沖孔時(shí)長(zhǎng)、沖孔壓力、鉆孔時(shí)的旋轉(zhuǎn)壓力、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)壓力及推進(jìn)速度，便于數(shù)據(jù)采集及歷史記錄查找；設(shè)備配備有高壓密封閉水鉆桿，在滿足設(shè)備沖孔作業(yè)的同時(shí)有效提高了設(shè)備的供水效率，同時(shí)避免了虹吸效應(yīng)導(dǎo)致造穴裝置損壞的情況。

6 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過綜合對(duì)比分析，智能打鉆造穴一體化裝備在施工時(shí)不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化打鉆、自動(dòng)化退鉆以及自動(dòng)化沖孔作業(yè)的整個(gè)過程，且設(shè)備的整體施工效率也優(yōu)于常規(guī)設(shè)備的施工效率；設(shè)備施工過程中將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員由3人減少為1人，且作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度極低，實(shí)現(xiàn)了減人增效的目的；自動(dòng)化控制鉆機(jī)采用的全斷面打鉆設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)一次穩(wěn)鉆、全方位布孔的功能，縮短了施工過程中找孔的時(shí)間，提升了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的效率；設(shè)備施工過程采用程序控制，且控制程序中嵌入了多種保護(hù)程序，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，還對(duì)打孔效率進(jìn)行了提升，同時(shí)還通過程序控制，避免了設(shè)備施工過程中出現(xiàn)壓鉆等情況，提高成孔率，降低了打孔作業(yè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)成本。

6.2 社會(huì)效益分析

(1)安全效益提升。通過采用智能打鉆造穴一體化裝備進(jìn)行井下抽放孔鉆孔、擴(kuò)孔施工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)煤層卸壓增透，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的人員投入，避免出現(xiàn)危機(jī)情況時(shí)出現(xiàn)群死群傷的事故；現(xiàn)場(chǎng)施工人員操作設(shè)備時(shí)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，避免了工人近距離操作設(shè)備，保障了工人的作業(yè)安全。

(2)幸福指數(shù)提升。隨著設(shè)備的進(jìn)步及人們生活水平的提高，生命及健康的可貴被越來(lái)越多的人重視。通過采用智能打鉆造穴一體化裝備通過實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)打鉆、一鍵自動(dòng)退鉆與一鍵自動(dòng)沖孔，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低到了最低；同時(shí)無(wú)線遙控實(shí)現(xiàn)了工人遠(yuǎn)距離操作設(shè)備，有效降低了工人施工過程中噴孔對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人帶來(lái)的傷害，保障了施工現(xiàn)場(chǎng)工人的作業(yè)安全，勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)安全，工人幸福指數(shù)顯著提升。

7 結(jié)語(yǔ)

智能化采面技術(shù)已經(jīng)被成熟運(yùn)用，而自動(dòng)打鉆控制鉆機(jī)以及智能鉆沖技術(shù)則處于起步階段。該項(xiàng)目通過對(duì)智能打鉆造穴一體化裝備的研究與開發(fā)，成功地將可編程控制技術(shù)與電液控制技術(shù)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)打鉆、一鍵自動(dòng)退鉆以及一鍵自動(dòng)沖孔等功能，有效促進(jìn)了自動(dòng)鉆探技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)更彌補(bǔ)了我國(guó)煤礦井下自動(dòng)沖孔技術(shù)的空白。