摘要：本文介绍了矿用智能深孔钻车，是新一代履带行走的探水、探瓦斯、探断层、放顶、注水等的钻孔设备，主要用于掘进工作面有防突措施要求地在软层或煤层中实施密集形钻孔，也适用于其他非煤矿山等场合。设备具有技术先进、结构紧凑、操作灵活、机动性好、全断面作业、安全性能好、一机多用、操作简便等特点，在钻头部安装有在线监测智能报警系统，能超前探测瓦斯、水、岩石断层等地质结构，先进的远程遥控操作系统能在危险或狭窄的工况下实现无人操作。

    0 前言
    随着矿井开采深度和长度的日益增加，瓦斯赋存量和煤与瓦斯突出危险性也不断增大，瓦斯事故已成为煤矿生产的最大威胁。在采煤之前先采出煤气层，有利于从根本上防止煤矿瓦斯事故。目前，我国煤矿使用的探水探瓦斯、排水排瓦斯钻机或钻车基本上都是钻完孔后根据工作面布置的瓦斯报警仪判断瓦斯浓度，再进行抽放处理，存在着一定的滞后性，对于高瓦斯矿井来说，无形中在安全方面埋下了重大隐患。另外，由于深孔钻车钻孔深度可达200 m以上，工作时由于地质结构的变化，钻杆钻进过深时会由于自重影响下沉或水平偏移，造成钻孔定位偏离，严重时会造成断钎和卡钎，甚至损坏液压系统。
    矿用智能深孔钻车是新一代履带行走的探水、探瓦斯、探断层、放顶、注水等的钻孔设备，主要用于掘进工作面有防突措施要求地在软层或煤层中实施密集形钻孔，也适用于其他非煤矿山场合等。

    1 主要结构及工作原理
    矿用智能深孔钻车由旋转机构、旋转马达、支柱、夹持器、钻具、推进器、俯仰油缸、回转油缸、光纤光栅传感器、液压系统等组成，主要结构如图1所示。

    在工作机构的钻杆中嵌人基于非接触传感信号传输的光纤光栅传感系统，实现深孔钻机钻探速度、输出扭矩的自动控制；并由钻头部内置的光纤传感器实现工作时在线监测（包括地压、瓦斯、温度、一氧化碳、位移等，提前反映地质结构；采集到的信号通过数据处理器PLC自动处理，再发出指令实现自动精确控制）。通过与负载反馈液压系统的配合，遇到硬岩层时钻杆转速下降，输出扭矩增加；遇到软岩层时钻杆转速上升，输出扭矩减小，并自动调整推进器的俯仰油缸和回转油缸，纠正钻杆的下沉和偏移。实现了煤矿瓦斯、水探测的超前预警，并解决了钻杆在工作时下沉、偏移造成断钎卡钎的现象。矿用智能深孔钻车机构系统如图2所示。

   （1）旋转组件
    旋转组件由液压马达、减速箱组成。液压马达通过减速箱减速，达到钻机所需要的速度及扭矩。
   （2）推进组件
    推进组件包括滑架、补偿油缸、推进架、推进油缸、前后支撑等。推进油缸由两个油缸并列组成，推进油缸的伸缩使旋转组件前后移动，以便装卸钻杆实现钻车的钻进和后退。补偿油缸及前后支撑起固定钻车的作用，使钻车在钻孔时更稳定。
   （3）回转组件
    回转组件由旋转上盘和回转轴承、回转马达钻角调整油缸等组成。用螺栓将回转上盘固定在回转轴承上。再将回转轴承固定在机体上。开启回转马达可使回转组件左右灵活转动，使整个工作平台转动到任何方位角。
    本设备采用的负载反馈液压系统能自动调整钻杆推进力与转速，以适应不同岩层，最大效率化。
    钻机推进力与钻杆旋转速度关系：旋转切削硬岩时，推进力大小对钻速影响很大，与消耗的功率有关，钻速快而比功最小，是切削破岩的最佳区域。在该区域内推进力尸和钻速：的关系可用下式来描述。
   V=k＇（P-P＇）
    式中k为与a有关的比例系数（当f=2～6时，k＇=10～1.35f
    当    f=6-16时，k＇=3.1～0.19 f），mm／（kN·min）；
    P＇为钻削初始推力（当p＇=35 f时，p=vlk＇＋35f），kN。
    从上式可看出，钻机推进力的大小和钻速与岩石坚固性系数f，即岩石抗压强度有关。
   （4）在线监测、诊断与负载反馈液压系统
    设备在钻孔安全运行的实时在线监测与诊断。将传感器和光纤光栅安装在钻杆内部，能实时在线监测（包括地压、瓦斯、温度、一氧化碳、位移等），提前反映地质结构；采集到的信号通过数据处理器PLC自动处理，再发出指令实现自动精确控制；还可通过光纤与煤矿井下监控系统接驳，第一时间将监测诊断数据传送至地面物联网。主要结构如图3所示。

    在工作过程中，通过布置在钻头内的传感器，将监测到的地质结构信息通过布置在钻杆里的光纤光栅传输至数据处理器。钻杆加长连接时，光纤光栅通过快换接头互相连接。
    钻杆通过在线监测系统与负载反馈液压系统的配合，工作时遇到硬岩层钻杆转速自动下降，输出扭矩增加；遇到软岩层时钻杆转速自动上升，输出扭矩减小。
    钻杆通过夹持器里布置的压力传感器，根据所受各个方向压力的大小，自动调整推进器的俯仰油缸和回转油缸，纠正钻杆的下沉和偏移。

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