步进式复扩刀盘及天井钻机的应用研究.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 步进式复扩刀盘及天井钻机的应用研究颜武刚，张浩，代建龙，未崴，尹千才，王锋，彭云（湖南创远高新机械有限责任公司，长沙 ；新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司，新疆 阿勒泰 ）摘要：随着科技的进步和社会的发展，地下大直径竖向工程的施工需求越来越多，已由传统的地下矿山开采领域延伸到水力发电、公路铁路隧道、人防工程、军事工程、市政工程等各个领域。长期以来，我国地下大直径竖向工程的施工主要以人工、半机械化为主，安全风险高、劳动强度大、工作效率低，如果采用大直径天井钻机施工则由于一次性投入购置成本较高制约了大直径竖向工程施工的机械化。详细介绍了步进式复扩刀盘的结构组成、工作原理、施工工艺，分析了液压系统，测试了不同预充氮气压力条件下油缸复位时间，提出了地下矿山复杂条件下远程通信控制系统解决方案，并将该技术应用于矿山实际生产，结果表明，步进式复扩刀盘可实现小井径天井钻机施工大井筒，对推动我国地下中小型矿山等领域大直径竖向工程施工的机械化意义重大。关键词：步进式复扩；刀盘；天井钻机；远程通信；大直径竖向工程中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犻 狀 犵 犮 狅 犿 狆 狅 狌 狀 犱犲 狓 狆 犪 狀 犱 犻 狀 犵 犮 狌 狋 狋 犲 狉犺 犲 犪 犱犪 狀 犱狉 犪 犻 狊 犲犫 狅 狉 犻 狀 犵犿 犪 犮 犺 犻 狀 犲 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：基金项目：国家重点研发计划 年度重点专项（）作者简介：颜武刚（），男，高级工程师，硕士，工程机械专业，主要从事智能矿山装备研究，：。天井钻机是一种高效、安全、经济的机械化天井钻进设备，它以其独特的优点，将逐步取代传统的天井凿岩爆破法。天井钻机的应用可以极大地降低安全风险和生产成本，具有生产效率高、成井质量有色金属（矿山部分）第 卷好、操作安全、劳动强度低、钻孔偏斜率小的特点，可满足矿山工程、水利工程、交通工程等各种深立井、大直径井筒建设的需求。随着我国经济的快速发展，各项地下工程建设规模日益扩大，特别是西部能源基地开发力度增大，在建与拟建的风井、地下厂房式电站和蓄能电站数量较多，部分水利水电工程的调压井、压力管道施工直径达到；同时随着采矿向深部发展，采矿方法不断改变使中段高度有继续增加的趋势，原来的掘进方式已不能适应深地开采的要求，井筒是从地面进入地层中的咽喉工程，其安全、高效、绿色、智能化建设是保障地下矿产资源开采和地下空间开发利用的必由之路。大直径井筒钻井技术与装备研究不仅是地下工程建设领域的重点研究方向，也是国家高端装备制造战略新兴产业发展的迫切任务，因此，研制配套的大直径扩孔刀盘对于满足地下矿山开采、水利水电工程等领域的大直径井筒掘进意义重大。传统天井钻机受限于动力头最大输出能力，若要施工更大直径的天井，因普通刀盘结构仅设有一级刀盘，需由下至上两次扩孔施工才能完成，因此，刀盘在扩孔作业时需要重复完成两次扩孔作业，需多次进行刀盘的运输、拆卸、安装，耗时耗力，且用这种逐级扩孔方式进行反井施工存在着钻杆摆动及钻头稳定问题难以解决的情况，井筒施工质量无法保证。为了实现大井筒一次成井，本步进式复扩刀盘研发设计了独特的结构形式、液压控制系统和通信系统，通过压力、位移等传感装置实时监测刀盘作业压力和位移，通过水压控制模块实现刀盘与天井钻机之间的通信，最终由刀盘与天井钻机电控系统模块自动控制上下刀盘的步进运动实现大井径复扩功能，极大降低了施工难度、作业量，节省了生产成本，提升了作业的安全性和效率。步进式复扩刀盘结构组成如图所示，步进式复扩刀盘主要由拉杆、上刀盘、液压油缸、下刀盘组成，为方便搬运转场，上下刀盘均采用组合式结构，主要由中心箱体、刀瓣、刀座、滚刀组成，上下刀盘之间通过四个液压油缸连接，油缸缸筒与下刀盘连接，油缸活塞杆与上刀盘连接，通过液压控制系统控制上下刀盘的交替扩孔，实现步进复扩功能。上刀盘扩孔直径为天井钻机的公称井径，下刀盘扩孔直径为上刀盘扩孔直径的 倍，下刀盘扩孔时，上刀盘起导向定心的作用，如图所示。拉杆；上刀盘；下刀盘；液压油缸图步进式复扩刀盘结构组成犉 犻 犵 犛 狋 狉 狌 犮 狋 狌 狉 犲犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉犺 犲 犪 犱 下刀盘扩孔直径；上刀盘扩孔直径图步进式复扩刀盘扩孔直径犉 犻 犵 犜 犺 犲 狉 犲 犪 犿 犻 狀 犵犱 犻 犪 犿 犲 狋 犲 狉狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉犺 犲 犪 犱步进式复扩刀盘液压系统 步进式复扩刀盘液压系统组成步进式复扩刀盘液压系统主要由液压油缸、控制阀组、蓄能器、压力传感器、位移传感器等组成，如图所示。液压油缸内置位移传感器，用于实时检测油缸的行程，压力传感器用于实时检测液压油缸的工作压力，在扩孔过程中，根据液压油缸位移、压力信号的变化，通过液压阀组控制蓄能器与液压油缸之间的通断，实现上下刀盘扩孔的自动切换。第期颜武刚等：步进式复扩刀盘及天井钻机的应用研究液压油缸；压力传感器；液压阀组；蓄能器；位移传感器图步进式复扩刀盘液压系统组成犉 犻 犵 犜 犺 犲犺 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮 狊 狔 狊 狋 犲 犿犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉 犺 犲 犪 犱 步进式复扩刀盘蓄能器计算蓄能器主要作用一方面是在上刀盘扩孔完成切换到下刀盘扩孔时将液压油缸中的油液存储到蓄能器内，另一方面是在下刀盘扩孔完成切换到上刀盘扩孔时释放蓄能器中存储的能量，为液压油缸提供足够的压力，支撑上刀盘将液压油缸全部伸出。刀盘及油缸相关参数见表。表刀盘及油缸基本参数犜 犪 犫 犾 犲犅 犪 狊 犻 犮狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳 犮 狌 狋 狋 犲 狉 犺 犲 犪 犱犪 狀 犱犮 狔 犾 犻 狀 犱 犲 狉序号项目代号参数油缸缸径犇 油缸行程犔 上刀盘质量 犠 最低工作压力 犘 最高工作压力 犘 单油缸有效油液体积犞 为了充分利用蓄能器的容积，用于能量储存时的蓄能器预充氮气压力犘为：犘 犘 由于液压油缸运动很慢，蓄能器内气体的变化可视为等温变化，根据波义尔定律，绝热指数狀，蓄能器容积犞为：犞犞（犘狀（犘狀犘狀）（）（）根据上述计算，选用个 公司 蓄能器，该蓄能器公称容积，额定工作压力 ，满足使用要求，同时，受限于刀盘安装空间，将蓄能器分布式布置在下刀盘中，如图所示。下刀盘；控制阀组；蓄能器；脉冲电磁阀；水分流阀块图步进式复扩刀盘液压系统布置犉 犻 犵 犜 犺 犲犺 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮 狊 狔 狊 狋 犲 犿犾 犪 狔 狅 狌 狋 狅 犳狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉 犺 犲 犪 犱 不同预充氮气压力条件下油缸复位时间测试由于步进复扩过程中上刀盘能否顺利复位决定了步进复扩功能能否实现，因此需进一步验证测试蓄能器在不同预充氮气压力条件下上刀盘的复位状态。测试方法为：分别调整预充氮气压力值为 、，用外部负载压在上刀盘上，将油缸全部缩回后，撤除外部负载，用秒表测试记录上刀盘复位时间，并用手持式测试仪测试记录油缸压力的变化，如图所示。图 犕 犘 犪预充氮气压力下油缸复位时间犉 犻 犵 犚 犲 狊 犲 狋 狋 犻 犿 犲狅 犳 犮 狔 犾 犻 狀 犱 犲 狉狌 狀 犱 犲 狉 犕 犘 犪狆 狉 犲 犳 犻 犾 犾 犲 犱狀 犻 狋 狉 狅 犵 犲 狀狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲有色金属（矿山部分）第 卷图 犕 犘 犪预充氮气压力下油缸复位时间犉 犻 犵 犚 犲 狊 犲 狋 狋 犻 犿 犲狅 犳 犮 狔 犾 犻 狀 犱 犲 狉狌 狀 犱 犲 狉 犕犘 犪狆 狉 犲 犳 犻 犾 犾 犲 犱狀 犻 狋 狉 狅 犵 犲 狀狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲图 犕 犘 犪预充氮气压力下油缸复位时间犉 犻 犵 犚 犲 狊 犲 狋 狋 犻 犿 犲狅 犳 犮 狔 犾 犻 狀 犱 犲 狉狌 狀 犱 犲 狉 犕 犘 犪狆 狉 犲 犳 犻 犾 犾 犲 犱狀 犻 狋 狉 狅 犵 犲 狀狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲根据上述测试结果，测试数据如表所示。综上可知，提高预充氮气压力可缩短上刀盘复位时间，但同时会增加上刀盘的单刀载荷，不利于步进复扩作业，因此，需选择合理的预充氮气压力。表不同预充氮气压力下油缸复位时间犜 犪 犫 犾 犲犚 犲 狊 犲 狋 狋 犻 犿 犲狅 犳 犮 狔 犾 犻 狀 犱 犲 狉狌 狀 犱 犲 狉犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋狆 狉 犲 犳 犻 犾 犾 犲 犱狀 犻 狋 狉 狅 犵 犲 狀狆 狉 犲 狊 狊 狌 狉 犲序号油缸完全伸出压力 油缸完全缩回压力 上刀盘复位时间预充氮气压力 步进式复扩刀盘通信控制系统 步进式复扩刀盘通信原理由于井下作业环境恶劣，且刀盘与主机分布在井上、井下不同的地方，距离几十到几百米不等，要实现步进式复扩刀盘的自动化扩孔作业，需要天井钻机控制模块与刀盘控制模块之间的通信交互，由于刀盘在扩孔作业时本身旋转，因此不能使用有线通信方式，而普通的、等无线通信方式也由于作业环境恶劣而无法稳定使用，因此需开发一种新的通信模式来实现天井钻机控制模块与刀盘控制模块之间的通信交互。步进式复扩刀盘控制模块的主要作用为：）感知油缸压力、位移变化，为刀盘控制提供判断依据；）控制液压阀组实现上下刀盘的步进扩孔切换；）控制水脉冲阀实现刀盘与天井钻机之间的通信。天井钻机控制模块的主要作用为：）上下刀盘扩孔过程中调整推进、回转压力、回转转速等参数；）控制刀盘的下放。要实现步进式复扩刀盘的自动化扩孔作业则需要两个控制模块的共同协作，具体方案如图所示。由图可知，水泵从水池抽水后经钻杆中心孔、水脉冲阀最终到达水分流阀块后再喷射至刀盘的滚天井钻机；水压力传感器；水泵；矿岩；步进式复扩刀盘图步进式复扩刀通信控制系统示意图犉犻犵犜 犺 犲 犮 狅 犿 犿 狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犮 狅 狀 狋 狉 狅 犾 狊 狔 狊 狋 犲 犿狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉 犮 狌 狋 狋 犲 狉 犺 犲 犪 犱刀及岩面进行冷却降尘。由图可知，在步进式复扩刀盘的下刀盘中安装有水脉冲阀和刀盘控制模块，刀盘控制模块根据油缸压力、位移传感器检测到的信号进行判断并发出指令控制液压阀组的开关和控制水脉冲阀的脉冲频率，进而通过水压力传感器第期颜武刚等：步进式复扩刀盘及天井钻机的应用研究检测水压变化，实现刀盘和天井钻机之间的通信交互。步进式复扩刀盘控制逻辑步进式复扩刀盘控制系统包括刀盘控制模块和天井钻机控制模块，两则项目配合，实现步进式复扩刀盘的自动化扩孔作业，控制逻辑如图所示。犘（）上 刀 盘 扩 孔 完 成 时（设 定）压 力 值；犛（）下刀盘扩孔完成时油缸位移（设定）值；犛（）刀盘下放完成时油缸位移（设定）值图步进式复扩刀盘控制逻辑图犉犻犵 犜 犺 犲犮 狅 狀 狋 狉 狅 犾 犾 狅 犵 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉 犺 犲 犪 犱 步进式复扩刀盘工作原理步进式复扩刀盘工作原理如图 所示，下刀盘与拉杆连接，上刀盘通过花键与拉杆连接，拉杆与导孔内的钻杆连接，获得来自天井钻机的回转扭矩犜和反提力犉；整个扩孔过程为步进式循环，每一循环则由上下刀盘依次步进扩孔组成。具体过程为：）上刀盘扩孔。刀盘控制模块控制液压阀组打开使蓄能器释放液压能到上下刀盘，连接油缸将上钻杆；拉杆；上刀盘；下刀盘图 步进式复扩刀盘工作原理犉 犻 犵 犜 犺 犲狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狀 犵狆 狉 犻 狀 犮 犻 狆 犾 犲狅 犳 狊 狋 犲 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉犺 犲 犪 犱刀盘推出，油缸位移传感器检测到油缸完全伸出后，液压阀组关闭，天井钻机设定为上刀盘扩孔模式，上刀盘接触岩面开始扩孔作业，下刀盘空转，直至下刀盘接触岩面后，油缸压力传感器检测到压力发生变化，当犘犘 ，且持续以上时，则判定为上刀盘扩孔完成。）下刀盘扩孔。当上刀盘扩孔完成时，水脉冲阀内发生次脉冲，水压力传感器检测到水压信号后，天井钻机设定为下刀盘扩孔模式，液压阀组打开，下刀盘扩孔作业，上刀盘处于浮动状态，随着下刀盘扩孔的进行，液压油缸中的油液被压缩回蓄能器中储存，当油缸位移传感器检测到油缸完全缩回，即犛犛 时，则判定为下刀盘扩孔完成。）下刀盘下放。当下刀盘扩孔完成时，水脉冲阀内发生次脉冲，水压力传感器检测到水压信号后，天井钻机设定为下放刀盘模式，将步进复扩刀盘下放 ，当油缸位移传感器检测到油缸全伸出，即犛犛 时，则判定刀盘下放完成。）循环步进扩孔作业。重复步骤，直至按要求的井径犇、井深犎将井筒扩通，施工完成。步进式复扩刀盘的应用湖南 创 远 高 新 机 械 有 限 责 任 公 司 研 发 的 步进式复扩刀盘及 履带自行式天井钻机（公称井径）于 年月份到达施工现场，完成下井、转场和组装后开始进行工业试验，试验结果表明，使用公称井径的天井钻机配合 步进式复扩刀盘实现了井径 井筒的施工，步进式复扩刀盘原理方案可行，达到了预期的设计目标，如图 所示。有色金属（矿山部分）第 卷图 准备扩孔犉 犻 犵 犘 狉 犲 狆 犪 狉 犲 狋 狅狉 犲 犪 犿 犻 狀 犵图 完成上刀盘扩孔犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犾 犲 狋 犲 狋 犺 犲 狉 犲 犪 犿 犻 狀 犵狅 犳 狋 犺 犲狌 狆 狆 犲 狉犮 狌 狋 狋 犲 狉犺 犲 犪 犱图 完成一次循环扩孔犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犾 犲 狋 犲狅 狀 犲犮 狔 犮 犾 犲 总结）由于步进式复扩刀盘扩孔作业是分上下刀盘扩孔以步进的方式两步完成，因此，分步扩孔所需要的扩孔回转扭矩仅为使用同井径普通扩孔刀盘的 ，实现了使用小井径天井钻机施工大井筒的目标。）使用小井径天井钻机施工大井筒，与大井径图 完成五次循环扩孔犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犾 犲 狋 犲 犳 犻 狏 犲犮 狔 犮 犾 犲 狊天井钻机相比，其动力及工作硐室较小，可节省设备投资、动力消耗和钻机工作碉室的开挖费用等。）小井径天井钻机配合组合式步进式复扩刀盘便于拆解、转场和运输，能够有效满足地下中小型矿山大井筒的施工作业要求。）通过工业试验虽然实现了预期目标，但步进式复扩刀盘机电液及控制系统的稳定可靠性需进一步提高、优化和完善。参考文献尹复辰迈步式扩孔刀头在我国的应用前景矿业研究与开发，（）：，（）：黎忠炎，龙国强，沈盛强适用于井下狭窄巷道的铰接自行式天井钻机智能化研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：周武，秦政，何品杰，等狭小地下空间引水竖井大直径反井钻机一次成型施工技术研究水利水电技术，（）：，（）：武士杰反井钻机大直径扩孔钻头研制与应用建井技术，（）：，（）：谢标长，汪 炳昌国外 大 直 径 天 井 钻 机现 状采 矿 技 术，（）：，（）：（下转第 页）第期李松阳等：基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究 ，（），（）：朱美丽，郭鑫，苑昆，等新能源铲运机的维护保养及安全防护有色金属工程，（增刊）：，（）：丁珂 铲运机应用的延伸矿冶，（）：，（）：张威混合动力工程车辆智能化能量管理方法研究长春：吉林大学，：，王志福，徐崧，罗崴基于动态规划的燃料电池车能量管理策略研究太阳能学报，（）：，（）：李央基于锂电池和超级电容的车用混合动力系统能量管理研究杭州：浙江大学，：，：，（）：张微，徐金波，王旭，等基于 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