李旺年 王賀劍 田宏亮

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430074)

我國(guó)的整體能源結(jié)構(gòu)為“缺氣、少油,相對(duì)富 煤”,隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)采規(guī)模、強(qiáng)度和深度逐步增加,其所面臨的瓦斯、水害和沖擊地壓等自然災(zāi)害類型、災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度趨向多樣化和復(fù)雜化[1-3]。一旦發(fā)生重大災(zāi)害事故,就會(huì)導(dǎo)致礦井井筒、巷道發(fā)生破壞,主要安全通道被堵塞,作業(yè)人員被困井下,為了成功挽救被困人員,通常先在地面施工小直徑生命保障孔輸送給養(yǎng),再通過(guò)地面大直徑救援孔來(lái)構(gòu)建逃生通道完成轉(zhuǎn)運(yùn)的方式營(yíng)救被困人員[4-6]。

地面大直徑救援孔不同于常規(guī)大直徑鉆孔,不但要求施工工期要短,而且施工過(guò)程中不能對(duì)井下被救人員造成2 次傷害[7]。因此,大直徑救援孔必須圍繞安全和高效為中心,通過(guò)工藝技術(shù)的創(chuàng)新和配套裝備的改進(jìn)提高鉆進(jìn)效率和提供安全保障[8-9]。目前,用于地面應(yīng)急救援的國(guó)內(nèi)外車(chē)載鉆機(jī)有:德國(guó)寶峨的RB 系列,美國(guó)雪姆公司的TXD 系列,西安研究院的ZMK 系列,北京天和眾邦的CMD 系列等[10-13]。

地面大直徑救援孔的鉆進(jìn)過(guò)程中需要在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)完成大量的鉆具擰卸工作[14-16],但上述救援車(chē)載鉆機(jī)的自動(dòng)擰卸系統(tǒng)存在的問(wèn)題為:與鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)固定連接,整機(jī)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸偏大,致使鉆機(jī)通行重量超重且運(yùn)輸高度超限;卸扣裝置卸扣能力較弱、擰卸困難,無(wú)法滿足多種規(guī)格鉆具的擰卸任務(wù)及傳統(tǒng)鉆進(jìn)和液壓吊卡鉆進(jìn)2 種工藝要求;采用手動(dòng)操作對(duì)扣及上卸扣,自動(dòng)化程度較低。

針對(duì)上述問(wèn)題,在分析救援車(chē)載鉆機(jī)起下鉆施工工藝流程的基礎(chǔ)上,結(jié)合救援車(chē)載鉆機(jī)鉆桿快速對(duì)中、夾持和自動(dòng)擰卸等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,研究的鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)可以滿足多種規(guī)格的鉆具快速上卸,實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)擰卸鉆具,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高鉆具擰卸效率。

1 鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)總體方案

鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)主要依據(jù)ZMK5550TZJ120/50 型救援車(chē)載鉆機(jī)施工800 mm 大直徑救援孔施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),該鉆孔首先通過(guò)127 mm 鉆桿配套346 mm 牙輪鉆頭進(jìn)行先導(dǎo)孔施工,然后通過(guò)178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔。鉆機(jī)最大輸出扭矩50 kN·m,根據(jù)施工工藝所采用的鉆具技術(shù)規(guī)格及鉆機(jī)性能參數(shù),確定鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Parameters of drilling tool screw-off system

如圖1 所示,該鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)主要包括大開(kāi)口液壓孔口裝置、鉆具自動(dòng)擰卸裝置、液壓卡盤(pán)等3大部件。其中孔口裝置包含U 型平臺(tái)底座、U 型平臺(tái)焊接體、擴(kuò)展平臺(tái)和液壓支腿等部分,孔口裝置最大通孔直徑920 mm,滿足850 mm 集束潛孔錘的下鉆要求。

圖1 鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of drilling tool screw-off system

鉆具自動(dòng)擰卸裝置包含旋扣鉗、沖扣鉗、夾緊鉗和滑車(chē)總成,具備手動(dòng)操作和自動(dòng)控制2 種模式。采用液壓驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)鉆具接箍位置的精確判別,具有鉆具快速旋扣、定扭矩上扣、大扭矩崩扣及鉗體自動(dòng)伸縮等功能,可以實(shí)現(xiàn)鉆具擰卸一鍵式操作。

液壓卡盤(pán)采用鑄鋼結(jié)構(gòu),可以在孔口裝置上快速安裝和拆卸,通過(guò)更換不同規(guī)格的卡瓦組件滿足多規(guī)格鉆具的夾持和通過(guò),最大通過(guò)鉆具直徑254 mm。

2 大開(kāi)口液壓孔口裝置設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)與鉆機(jī)主機(jī)快速安裝,孔口裝置采用模塊化設(shè)計(jì)。鉆機(jī)與孔口裝置通過(guò)井口定位銷快速連接,U 型平臺(tái)底座和U 型平臺(tái)焊接體通過(guò)4 個(gè)帶有自鎖功能的液壓缸連接,可以進(jìn)行U 型平臺(tái)高度調(diào)節(jié);U型平臺(tái)水平面下方安裝雙軸傾角傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)孔口裝置的水平度;整個(gè)機(jī)械框架采用型鋼焊接,具有較高的強(qiáng)度和剛度,可以滿足孔內(nèi)鉆具承載和不同工況的起下鉆施工要求。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真

孔口裝置作為鉆具給進(jìn)起拔的主要承力部件,需要保證鉆機(jī)頻繁給進(jìn)起拔時(shí)的穩(wěn)定,設(shè)計(jì)最大承載力為1 500 kN,其性能和可靠性直接影響施工效率和孔口安全。如圖2 所示,使用ABQUS 軟件進(jìn)行有限元分析,依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行了載荷施加和約束設(shè)置。首次仿真結(jié)果顯示,實(shí)際最大等效應(yīng)力為470 MPa 左右,最大形變量為13.53 mm,超出了許用應(yīng)力范圍,存在安全隱患。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后,重新仿真結(jié)果顯示,實(shí)際的最大等效應(yīng)力值為306 MPa,最大變形量為3.8 mm。優(yōu)化后的最大應(yīng)力和最大形變量明顯下降,滿足使用要求。

圖2 孔口裝置應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍DFig.2 The stress and strain nephogram of the wellhead device

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3 所示,孔口裝置采用4 支腿結(jié)構(gòu),雙作用液壓缸與U 型平臺(tái)底座和U 型平臺(tái)焊接體相連接,恒壓變量泵泵出的壓力油通過(guò)2 個(gè)相同的分流集流閥經(jīng)由四聯(lián)比例閥控制對(duì)應(yīng)的液壓缸。U 型平臺(tái)升到設(shè)定高度前,比例閥的閥芯處于開(kāi)啟狀態(tài),各液壓缸同步快速上升。當(dāng)U 型平臺(tái)達(dá)到預(yù)定位置附近時(shí),比例閥的各閥芯根據(jù)控制器設(shè)定程序獨(dú)立動(dòng)作,分別控制進(jìn)入油缸無(wú)桿腔的流量,直至達(dá)到設(shè)定位置。

圖3 孔口裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.3 Hydraulic schematic diagram of the wellhead device

2.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4 所示,孔口裝置調(diào)平系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3 部分組成。檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器采用壓力傳感器和雙軸傾角傳感器,傾角傳感器用來(lái)檢測(cè)井口平臺(tái)的水平度,其檢測(cè)值是系統(tǒng)判斷是否進(jìn)行調(diào)平的依據(jù);壓力傳感器用于檢測(cè)各支腿有無(wú)虛腿及壓力是否過(guò)大,進(jìn)而調(diào)節(jié)相應(yīng)電磁閥的開(kāi)口大小。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用4個(gè)帶有自鎖功能的液壓支腿,將其對(duì)稱布置在井口平臺(tái)的兩側(cè),通過(guò)各液壓缸的上下動(dòng)作帶動(dòng)支腿上下伸縮,實(shí)現(xiàn)井口平臺(tái)的調(diào)平;控制系統(tǒng)以移動(dòng)車(chē)輛用控制器為核心,采用模糊PID 算法進(jìn)行液壓缸姿態(tài)控制,實(shí)現(xiàn)井口平臺(tái)的自動(dòng)升降和調(diào)平。

圖4 井口平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)Fig.4 Leveling control system of the wellhead platform

3 鉆具自動(dòng)擰卸裝置設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5 所示,結(jié)合大直徑救援孔的實(shí)際需要,在鉆具自動(dòng)擰卸裝置的設(shè)計(jì)中,沖扣鉗和夾緊鉗采用油缸杠桿增力式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)寬度較小,平臺(tái)占地空間較小,符合緊湊型頂驅(qū)的中心高要求。

圖5 鉆具自動(dòng)擰卸裝置Fig.5 Drilling tool automatic screw-off device

滑車(chē)總成采用平行雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),既能實(shí)現(xiàn)卸扣鉗整體前后移動(dòng),也可以實(shí)現(xiàn)旋扣鉗單獨(dú)移動(dòng),完成鉆具對(duì)中。沖扣鉗和夾緊鉗內(nèi)部設(shè)有成對(duì)的“V”形牙板,分別通過(guò)各自的增力油缸夾緊鉆具。鉆具上扣時(shí),由夾緊鉗夾緊液壓缸夾緊孔內(nèi)鉆具,再由旋扣鉗采用液壓缸夾緊鉆具,并通過(guò)4 個(gè)旋扣液壓馬達(dá)帶動(dòng)摩擦輪實(shí)現(xiàn)快速旋扣,再通過(guò)沖扣鉗進(jìn)行緊扣;鉆具卸扣時(shí),由沖扣鉗完成崩扣,再通過(guò)旋扣馬達(dá)帶動(dòng)摩擦輪實(shí)現(xiàn)快速脫扣;旋扣時(shí)旋扣鉗可沿垂直方向運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償鉆具旋扣時(shí)垂直位移,彈簧復(fù)位。

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)救援車(chē)載鉆機(jī)鉆具擰卸需求,進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及元件選型。根據(jù)自動(dòng)擰卸裝置卸扣鉗、旋扣鉗及滑車(chē)總成的性能要求,計(jì)算旋扣液壓馬達(dá)與各油缸所需流量及壓力,確定整個(gè)液壓系統(tǒng)所需流量及壓力,完成液壓閥組的選型。

如圖6 所示,液壓系統(tǒng)主要包括卸扣鉗液壓系統(tǒng)、旋扣鉗液壓系統(tǒng)和滑車(chē)總車(chē)液壓系統(tǒng)。卸扣鉗液壓系統(tǒng)是由夾緊鉗液壓缸夾緊/松開(kāi)、沖扣鉗液壓缸夾緊/松開(kāi)、沖扣液壓缸沖扣/復(fù)位3 個(gè)液壓分系統(tǒng)組成。在夾緊鉗夾緊和沖扣鉗夾緊過(guò)程中要求夾緊力保持穩(wěn)定,在2 個(gè)系統(tǒng)中分別采用壓力可調(diào)雙向平衡閥控制,根據(jù)使用工況要求,可調(diào)節(jié)夾緊力;沖扣液壓缸沖扣/復(fù)位液壓系統(tǒng)要求液壓缸伸縮平穩(wěn)、位置精準(zhǔn)、沖扣速度快,系統(tǒng)采用磁致伸縮油缸設(shè)計(jì)。旋扣鉗液壓系統(tǒng)中采用4 個(gè)帶有制動(dòng)器的液壓擺線馬達(dá),4 個(gè)馬達(dá)采用并聯(lián)油路設(shè)計(jì)?；?chē)總成液壓系統(tǒng)采用控制閥對(duì)各液壓缸進(jìn)行單獨(dú)控制,實(shí)現(xiàn)卸扣裝置整體的水平和垂直運(yùn)動(dòng)。

圖6 鉆具自動(dòng)擰卸裝置液壓系統(tǒng)原理Fig.6 Hydraulic schematic diagram of the drilling tool automatic screwing and unloading device

3.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖7 所示,鉆具自動(dòng)擰卸裝置控制系統(tǒng)主要由專用控制器、顯示屏、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及多種傳感器組成?？刂破魇强刂坪诵?接收和發(fā)送傳感器信號(hào)及發(fā)布指令。液壓缸設(shè)置多種類型傳感器,檢測(cè)液壓缸的位置、壓力等參數(shù),確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確、可靠工作。

圖7 鉆具自動(dòng)擰卸裝置控制系統(tǒng)Fig.7 Drilling tool automatic screwing and unloading device control system

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)作為ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)起下鉆的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu),在寧煤梅花井煤礦副立井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。鉆機(jī)施工完成了一口孔徑830 mm、深度624.1 m 的鉆孔。施工過(guò)程中,鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)配合鉆機(jī)給進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)力頭、液壓吊卡及鉆桿輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手、自一體快速擰卸鉆具,可滿足采用液壓吊卡起下鉆和采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆2 種施工工藝。

4.1 采用液壓吊卡起下鉆工藝

為提高鉆具起下鉆作業(yè)效率,對(duì)127 mm 鉆具的起下鉆采用液壓吊卡配合鉆具自動(dòng)擰卸裝置共同作業(yè),對(duì)鉆具自動(dòng)擰卸裝置的旋扣鉗、夾緊鉗、沖扣鉗和滑車(chē)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。整個(gè)施工過(guò)程完成了624 m 的鉆具起下作業(yè),與鉆桿輸送系統(tǒng)及液壓吊卡配合高效,旋扣、夾緊和沖扣等作業(yè)執(zhí)行可靠,如圖8 所示。

圖8 采用液壓吊卡起下鉆工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.8 Industry testing of hydraulic elevator tripping construction technology

4.2 采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆工藝

為配合178 mm 雙壁鉆桿配套850 mm 集束式潛孔錘施工大直徑鉆孔,直接采用頂驅(qū)接續(xù)雙臂鉆桿,在此過(guò)程中不需要使用旋扣鉗對(duì)鉆具進(jìn)行旋扣作業(yè),對(duì)鉆具自動(dòng)擰卸裝置的夾緊鉗、沖扣鉗和滑車(chē)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。整個(gè)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了624 m 的鉆具起下作業(yè),執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持、卸扣等作業(yè)安全可靠,無(wú)打滑現(xiàn)象,如圖9 所示。

圖9 采用頂驅(qū)加裝雙臂鉆具起下鉆工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.9 Industry testing of top drive adding double-wall drill pipe

5 結(jié)論

(1)救援車(chē)載鉆機(jī)鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),分別設(shè)計(jì)了可快速集成安裝的大開(kāi)口液壓孔口裝置和鉆具自動(dòng)擰卸裝置,減小了鉆機(jī)的整車(chē)質(zhì)量和整機(jī)高度尺寸,提高了鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性能,滿足公路的運(yùn)輸要求。

(2)大開(kāi)口液壓井口裝置與鉆機(jī)主機(jī)采用插銷式連接方式,滿足快速拆裝和自動(dòng)適應(yīng)鉆機(jī)動(dòng)力頭孔口中心位置,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平功能,確保鉆機(jī)起下鉆安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)鉆具自動(dòng)擰卸裝置采用雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),進(jìn)行氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)時(shí),上部旋扣鉗可以讓開(kāi)孔口中心,滿足氣盒子的通過(guò)及擰卸保護(hù)接頭的需求,可以實(shí)現(xiàn)液壓吊卡上卸鉆具和頂驅(qū)直接上卸鉆具2 種施工工藝。

(4)形成一套大通徑、結(jié)構(gòu)緊湊、具有高負(fù)荷承載力,可實(shí)現(xiàn)手、自一體化一鍵上卸扣作業(yè),滿足850 mm 集束潛孔錘起下鉆要求的鉆具自動(dòng)擰卸系統(tǒng),提高了鉆具擰卸效率,為救援鉆孔的快速施工提供了可靠的裝備保障。