王 力,姚寧平,王 毅,李程程
(1.煤炭科學研究總院,北京 100013;2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
國家提出了煤礦智能化的發(fā)展戰(zhàn)略,研發(fā)應用煤礦機器人成為煤礦智能化、推進煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和本質(zhì)安全發(fā)展的必由之路。煤礦“機械化換人、自動化減人”是今后一段時間內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)科技創(chuàng)新的重點,以機械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)、以自動化控制減少人為操作,從本質(zhì)上防范和遏制事故發(fā)生,是煤礦安全生產(chǎn)的重大需求。地質(zhì)前探、瓦斯抽采、防治水等鉆探施工為采掘提供準確地質(zhì)信息,為瓦斯治理、水害防治的提供技術手段,是煤礦安全生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展的重要技術支撐[1-6]。
國外在礦山鉆孔機器人研究領域已實現(xiàn)了裝備的自動化,能夠?qū)崿F(xiàn)自動鉆進、自動裝卸鉆桿、自動移動、定位等功能。國內(nèi)在鉆孔機器人研究方面,中南大學1998年進行隧道鉆孔機器人的研究,實現(xiàn)了自動定位、自動布孔、自動施工等功能。中國礦業(yè)大學對自動上下鉆桿技術進行了原理性研究。中煤科工集團重慶研究院2008年研發(fā)了防突遠距離控制鉆機,具有無線遙控、全自動鉆進及上下鉆桿功能[7],但這些國內(nèi)外研究均未涉及自動封孔技術及裝置研究。從封孔原理和實際封孔效果來看,“兩堵一注”帶壓封孔是我國煤礦目前最好的瓦斯抽采鉆孔封孔方法[8-10]。但目前采用的“兩堵一注”封孔器都無法實現(xiàn)自動封孔,且通道不夠,注漿段氣體無法完全排出,導致封孔不嚴、抽采漏氣、抽采濃度下降快等問題[11-15]。因此,中煤科工集團西安研究院依托“十三五”國家重點研發(fā)計劃,開發(fā)了具備坐封、注漿、排氣、抽采等多通道、可配套鉆孔機器人的自動“兩堵一注”封孔裝置,對提高煤礦井下鉆孔封孔自動化程度和可靠性,實現(xiàn)煤礦井下瓦斯防治無人化具有重要意義。
在實現(xiàn)自動化方面,封孔裝置依靠鉆孔機器人來抓取、擰卸、安裝;在封孔工藝方面,要滿足坐封、注漿過程工序自動切換控制,壓力參數(shù)實時監(jiān)測,坐封、注漿、抽采通道滿足流量、壓力、壓力損失等要求。
目前,煤礦井下使用的“兩堵一注”囊袋式封孔器主要由上下2個囊袋、注漿管、爆破閥組成,封孔時先將盤卷的封孔器打開,捆扎在封孔管上,送入孔內(nèi)后,從注漿管注水到上下2個“兩堵”囊袋中,當“兩堵”壓力到設定值后,爆破閥打開后開始注漿封孔,到設定注漿壓力時保壓后結束封孔。這種封孔器要實現(xiàn)自動化有幾個問題:①封孔器盤卷需要展開人工捆扎固定到封孔管上,人工送入孔內(nèi);②爆破閥的爆破壓力靠螺紋旋緊程度控制,不確定性大;③需要專門預埋通道給注漿環(huán)空排氣。
針對袋式封孔器存在的問題和封孔自動化的需要,自動封孔裝置設計為整體式類鉆桿多通道結構。
1)整體式類鉆桿結構。封孔裝置設計為上坐封短節(jié)、中間管、下坐封短節(jié)等3大部分。采用與鉆孔機器人使用普通鉆桿類似的公母絲扣連接、可夾持結構,便于機器人抓取、連接、加桿、下入等操作。整體式類鉆桿封孔裝置的下入操作與普通下鉆操作完全相同,在控制程序設計上只需要鉆孔機器人按照上坐封短節(jié)、中間管和下坐封短節(jié)順序抓取,一次安裝即可。封孔裝置3大部分如圖1。
圖1 自動封孔裝置主要組成Fig.1 Main components of automatic hole sealing device
2)多通道結構。封孔裝置在滿足坐封、注漿、排氣功能的同時不影響封孔后的瓦斯抽采。結合鉆孔結構、通道結構要求和封孔工藝過程,封孔裝置設計為3通道結構:第1個通道是坐封與注漿通道,第2個通道是排氣與返漿通道,第3個通道是瓦斯抽采通道。封孔裝置通道由3個同軸管體封隔組成,相鄰管體間環(huán)空形成了坐封、注漿、排氣、返漿和抽采通道。外管與中間管之間環(huán)形空間為坐封、注漿通道,中間管與內(nèi)管之間通道為排氣、返漿通道,內(nèi)管內(nèi)通孔為瓦斯抽采通道;各個通道的鎖死、切換有相應設置的咬合結構、活塞、定值抗剪銷釘組成。封孔裝置3通道分布如圖2。
圖2 封孔裝置3通道分布Fig.2 Distribution of three accesses of sealing device
1)封孔裝置自動安裝。操作鉆孔機器人遙控器,借助鉆孔機器人的機械手從封孔裝置倉中按設定程序依次抓取下坐封短節(jié)、中間加長管(數(shù)量根據(jù)封孔深度要求)、上坐封短節(jié),按加接鉆桿動作,順序送入孔內(nèi)。機器人上卸轉(zhuǎn)速、給進、預緊力等采用封孔裝置安裝專用控制程序,并且通過多路傳感器監(jiān)采集實際操作參數(shù),確保下入封孔裝置可靠,封孔裝置自動安裝原理如圖3。
圖3 機器人封孔裝置自動安裝控制原理Fig.3 Automatic installation and control principle of robot hole sealing device
2)封孔裝置3通道自動切換。封孔裝置包括多個同軸管體,相鄰管體間環(huán)空形成坐封、注漿、排氣、返漿和抽采通道;坐封短節(jié)中設計坐封膠桶,軸向壓縮自鎖機構與膠桶連接,漿液進入坐封、注漿通道后,驅(qū)動活塞壓縮膠桶膨脹,達到設定坐封壓力后,自鎖機構鎖死完成“兩堵”坐封,此時后注漿機構上的剪切銷釘被剪斷,注漿孔與鉆孔連通,注漿通道打開。對于上仰孔,漿液自孔口向孔底填充鉆孔,空氣從近孔底端排氣孔進入排氣、返漿通道從分流器排出;對于下斜孔,漿液自孔底向孔口填充鉆孔,空氣從近孔口端返氣孔進入坐封、注漿通道從分流器排出。待孔口返漿時,關閉分流器排氣返漿閥門,達到注漿設定壓力保壓一段時間后,系統(tǒng)自動停止工作,關閉分流閥上坐封、注漿通道閥門,結束注漿,等待一定時間,打開抽采通道,進行瓦斯抽采作業(yè)。封孔裝置安裝示意與道自動控制程序如圖4。
圖4 封孔裝置安裝示意與通道自動控制設計Fig.4 Sealing device installation schematic and channel automatic control design
瓦斯抽采鉆孔封孔段長度一般不大于20m,以孔徑96mm鉆孔為例,設計封孔器外管直徑60 mm,環(huán)空體積為0.088m3,即88L。煤礦井下常用的氣動注漿泵注漿壓力為6MPa,最大注漿流量為50L/min,瓦斯抽采孔封孔所需最大壓力為3MPa左右,因此,要控制注漿通道的水泥漿壓力損失不能大于3MPa。
將環(huán)形流道等效為圓孔通道,孔道內(nèi)的沿程水力損失hf為[16]:
式中:l為孔道長度,m;d為孔道直徑,m;V為活塞孔道內(nèi)流速,m/s;λ為沿程阻力系數(shù),和雷諾數(shù)有關;Q為 流量,L/min,g為重力加速度,m2/s。
根據(jù)式(1)計算得出的水泥漿壓力損失與流道等效直徑關系如圖5,由圖5可以看出:通道環(huán)形空間等效直徑≥10mm時可滿足注漿量以及壓力損失要求。
圖5 水泥漿壓力損失與流道等效直徑關系Fig.5 Relation between pressure loss of cement slurry and equivalent diameter of flow passage
抽采管徑的大小影響負壓損失,管徑越小影響越明顯,壓力損失由抽采通道的沿程風力損失和抽采通道與鉆孔的局部風力損失組成[17]。抽采管內(nèi)沿程風力損失△H1的計算方式如下:
式中:Ls為抽采管長度,m;din為抽采管道內(nèi)徑,m;v為氣體流速,m/s;λg為管道摩擦阻力系數(shù);ρ為空氣密度,kg/m3。
抽采管末端局部風力損失△H2為:
式中:ζ為局部損失系數(shù)。
總的風力損失△H為:
由式(4)計算得出的壓力損失與抽采通道內(nèi)徑關系如圖6,由圖6可知,一般100m左右的瓦斯抽采鉆孔單孔最大流量低于1.0m3/min[18-20],即低于60 m3/h,抽采負壓一般不大于30kPa,因此,抽采管內(nèi)徑大于25mm時即使抽采流量在100m3/h時,也可將壓力損失控制在2kPa以內(nèi)。
圖6 壓力損失與抽采通道內(nèi)徑關系Fig.6 Relationship between pressure loss and inner diameter of extraction tube
根據(jù)封孔裝置關鍵通道參數(shù)計算,可得3通道自動封孔器的主要設計結構參數(shù)為:①外管:外徑60mm,內(nèi)徑50mm;②中間管:外徑48mm,內(nèi)徑37mm;③內(nèi)管:外徑35mm,內(nèi)徑26mm;④等效直徑:注漿通道14mm,排氣通道12mm,抽采通道26 mm;⑥膠桶外徑:90mm。
坐封膠桶設計外徑90mm,最佳膨脹系數(shù)在1.1以內(nèi),滿足煤礦井下96mm鉆孔封孔需要。封孔裝置的上下2組膠桶在鉆孔內(nèi)膨脹形成“兩堵”后,主要是為“一注”封孔提供封閉空間,達到帶壓封孔的作用,“兩堵”封堵能力是封孔效果的關鍵因素,采用數(shù)值模擬方法對膠桶的封孔阻力進行了模擬。膠筒的材質(zhì)為丁腈橡膠,采用Mooney-Rivlin模型超彈性模擬橡膠,如式(5)~式(8)[21]:
模擬膠筒在鉆孔約束條件下應力應變情況選用材料參數(shù)見表1[22],模擬鉆孔直徑96mm,膠筒軸線與鉆孔軸線重合,采用勻速加載方法給膠筒施加軸向位移,軸向壓縮速度為0.01m/s。不同時刻膠桶的壓力云圖如圖7。膠桶壓縮力與軸向壓縮量關系圖如圖8。
表1 數(shù)值模擬采用參數(shù)表Table1 Parameters table for numerical simulation
圖7 不同時刻膠桶的壓力云圖Fig.7 Stress diagrams of capsules at different times
圖8 膠桶壓縮力與軸向壓縮量關系圖Fig.8 Relationship between the compression force of the rubber drum and the axial compression quantity
初始位置時膠筒處于自由狀態(tài),且與孔壁不接觸,在軸向力的作用下橡膠開始出現(xiàn)壓縮變形,進而產(chǎn)生徑向膨脹,當徑向膨脹量達到一定程度時與鉆孔孔壁產(chǎn)生接觸進而產(chǎn)生接觸摩阻,該接觸摩阻的大小直接決定了在注漿時膠筒的耐壓能力。隨著時間的推移膠筒徑向逐步擴大,并且拉應力逐漸由壓縮端向固定端移動,如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c);在0.9s時拉應力完全消失,全部轉(zhuǎn)化為壓應力,此時膠桶充滿與鉆孔環(huán)空,整個膠桶均處于受壓狀態(tài),接觸應力達到了3.6MPa,如圖7(d),即在該坐封狀態(tài)下能夠承受封孔注漿壓力最大為3.6MPa。
上述分析表明,0.9s時的坐封狀態(tài)能夠滿足耐壓3MPa的要求,此時的膠桶軸向壓縮量為9mm,此時對應的壓縮力為16440N,因此,膠筒需要提供16440N以上的壓縮力可以滿足坐封要求,根據(jù)壓縮膠桶的液力腔面積計算,需要5.5MPa以上的坐封注漿壓力,煤礦井下常用封孔注漿泵6MPa注漿壓力可以滿足要求。
根據(jù)膠筒與孔壁的接觸摩阻也可判斷坐封耐壓強度,膠筒摩擦阻力與軸向壓縮量關系如圖9。由圖9可知,當膠桶軸向壓縮量9mm時,軸向摩阻力9695.68N,當注漿壓力為5.5MPa時,封孔裝置與鉆孔環(huán)空截面積承受推力為4820.77N,遠小于軸向摩阻力。
圖9 膠筒摩擦阻力與軸向壓縮量關系Fig.9 Relation between rubber drum friction and axial compression quantity
綜上所述,無論采用接觸應力來判斷還是接觸摩阻來反算,當壓縮力達到16440N時的坐封強度狀態(tài)能夠完全滿足3MPa注漿壓力要求。
為了進一步驗證設計、模擬分析的結果以及各通道自動切換功能,采用單軸壓縮機,對封孔裝置的膠桶的壓縮膨脹性進行了試驗,并采用試制的自動封孔裝置進行了模擬封孔試驗。
1)膠桶壓縮試驗。在單軸壓力試驗機上,對單個膠桶進行了壓縮試驗,當單軸壓力13000N時,膠桶外徑由90mm膨脹至100mm,并且保持120min以上無形變、破裂,與模擬分析結果一致,驗證了膠桶“兩堵”阻力的穩(wěn)定性和可靠性。
2)模擬封孔試驗。將封孔裝置安裝到100mm的模擬鉆孔鋼管中進行模擬封孔試驗,坐封完畢后通過膠管向鋼管與封孔裝置環(huán)空注入壓力水模擬封孔試驗。坐封壓力達到6MPa后完成坐封,通道切自動換到注漿狀態(tài),向封孔段注入清水,緩慢加壓到3 MPa后保持30min,期間無壓力衰減或泄漏現(xiàn)象,表明膠桶坐封、通道自動切換可靠。
1)整體式類鉆桿多通道封孔裝置配套鉆孔機器人可實現(xiàn)封孔裝置自動安裝,通過活塞、定值抗剪銷釘和自鎖機構控制通道自動切換實現(xiàn)了“兩堵一注”封孔工藝,為煤礦井下鉆探自動化提供了技術方案。
2)動力學分析和模擬封孔試驗表明,研制的封孔裝置通道等效直徑14mm、抽采通道直徑26mm、注漿流量50L/min,在坐封壓力6MPa時,注漿封孔壓力可達3MPa以上,抽采通道壓力損失小于2 kPa,滿足封孔、瓦斯抽采等工藝參數(shù)要求。
3)封孔裝置的通道多,壓縮、自鎖及剪斷等結構較復雜,在鉆孔限制條件下采用了鋼制材料,封孔壓力較高,適合在開孔段在巖層的鉆孔封孔使用。在順煤層鉆孔中應用時,可以降低封孔壓力,且避免留置在煤層中的鋼制材料對采煤的影響,還需進一步進行抗靜電阻燃聚合物材料的自動封孔裝置研究。