煤矿履带式定向钻机路径规划算法

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。

基于SPC煤矿用全液压钻机动力头装配过程质量控制

动力头作为全液压钻机的核心部件,其装配质量直接影响钻机的整体性能。探讨了如何应用统计过程控制(SPC)方法来提高煤矿用全液压钻机动力头的装配质量,通过分析动力头装配过程中的关键质量控制点并结合SPC控制图,建立一套系统的质量控制流程。结果表明,运用SPC可以有效监控和控制装配过程,减少质量波动,确保产品满足设计要求。

煤矿井下钻机用数字比例阀静动态特性研究

针对数字比例阀在煤矿井下钻机电液系统应用中特性开发不足的问题,从数字比例阀的原理出发,构建其数学模型,阐述先导级和主阀之间的耦合关系,发现先导流量是决定主阀静动态特性的关键指标。研究建立了数字比例阀的AMESim模型,仿真结果表明,控制数字比例阀的PWM信号频率为20 Hz时,占空比对流量的线性调控范围为0.2~0.8,主阀输出流量波动幅值为3.16 L/min,数字比例阀静动态特性表现良好。调整好PWM信号频率后将数字比例阀运用于钻机给进回路中,经过测试试验,数字比例阀控给进回路的钻机位移误差较传统阀控回路由2.8%提升至1.9%。

煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

基于层次分析法的智能钻机运行工序判识

煤矿钻机智能施工过程中自动判识当前工序的难度较大,针对该问题提出了一种包含钻机运行过程层次建模、工序执行概率推理的工序判识方法。首先,以层次分析法对钻机运行过程中不同粒度对象间耦合过程进行描述和建模,揭示了钻机各工序执行过程中设备、功能与系统间的交互特征。其次,在上述研究基础上引入贝叶斯概率推理方法,建立工序执行概率推理模型,分析了钻机运行过程中不同粒度对象属性与各工序状态间的因果关系。随后,将采集到的传感数据进行处理并作为实时证据提供给工序判识模型,推理获得各工序的当前执行概率。最后,以ZDY23000LDK钻机运行过程中液压压力值、动力头转速及移动速度作为输入信息,利用提出的工序判识方法,推理出当前执行工序编号,实验结果显示针对上扣工序、钻进工序和起拔工序的识别准确率分别达到85.3%、81.2%和87.1%,从而证明所提工序判识方法是切实可行的。上述研究工作提供了钻机运行过程的层次解耦方法及钻机不同粒度对象间交互过程的分析方法,为后续钻机智能控制方法研究及先进智能地质装备研发提供了技术支撑。

矿用掘锚一体机探放水钻机的设计

针对井下分体式探放水钻机钻进准备周期长、钻进效率低的问题,对掘锚机进行结构优化,在机体上增加探放水钻机,设计得到矿用掘锚一体机探放水钻机。对矿用掘锚一体机探放水钻机的整体结构、布置、钻进流程、卡钻处理方案等进行分析。煤矿井下实际钻进表明,矿用掘锚一体机探放水钻机灵活性高,钻进稳定性好,能够缩短井下准备及换杆周期,并缩短钻孔周期,极大提高探放水作业的效率和安全性。

ZDY-120型钻机在采煤工作面卸压孔施工的应用

以ZDY-120型钻机为研究对象,结合不同工况下钻机钻头钻进性能,介绍钻机卸压孔施工改进方案。具体研究中需先构建ZDY-120型钻机钻头钻进仿真模型,并根据模型实施仿真分析,获取不同工况下钻机钻头钻进性能。然后以某煤矿2302S采煤工作面为案例,根据卸压孔施工方案应用中存在的问题,介绍钻机卸压孔施工改进方案。最后将改进方案应用于工程实践,确认改进方案具有较强可行性。

ZDY25000LDK煤矿井下钻机故障树的建立及应用

针对煤矿井下钻机故障隐蔽性高、排查维修困难的问题,通过分析ZDY25000LDK钻机工作过程中常出现的故障形式,梳理其故障原因及故障元件,建立钻机液压系统、电控系统故障树模型进行钻机故障诊断。将故障树信息、钻机实时状态监测数据信息传输至上位机系统的故障诊断模块中,运用智能诊断技术对钻机进行故障诊断,在出现故障时钻机程序自动报警并给出应对措施,以此来快速排查故障,减少钻机维修时间,提高钻机使用效率,保证施工的连续性。

定向分支钻井技术在张集煤矿陷落柱中的应用

单县张集煤矿存在岩溶陷落柱地质灾害,为了确保采区开采安全,开展3#异常区地面探查工作。该文通过地质、钻孔等资料合理分析了煤矿的基本情况以及陷落柱发育特征,对单县张集煤矿进行了地面定向探查钻孔布置。根据定向分支井设计主要工程难点,总结了施工设备、井身结构、钻具组合、钻井设计参数、钻井液体、施工步骤等定向分支钻井施工关键技术,并且记录剩余分支孔的实钻轨迹与理论轨迹,统计定向钻进过程中多条轨迹的最大钻进偏差。结果表明:测得的6个分支孔定向钻进轨迹最大偏差均未超过0.1 mm,实现对钻进轨迹进行高精度控制,从而安全有效地实现对陷落柱边界的准确探测,保障煤矿的安全高效生产。

煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术研究现状及展望

煤矿坑道钻机自动化和智能化程度的提高、作业范围和应用场景的扩展,使其系统复杂性和工作环境恶劣程度随之增加,对煤矿坑道钻机可靠性提出新的挑战。为有效降低因钻机故障带来的安全风险,提升钻机全寿命周期的任务品质,煤矿坑道钻机状态监测与故障诊断技术应运而生。首先从钻机状态参数采集、数据处理、诊断方法、系统应用等四个方面对煤矿坑道钻机关键系统状态监测和故障诊断技术研究现状进行总结分析,然后在故障预测与健康管理(prognostics and health management, PHM)技术基本概念的基础上根据集中式与分布式结合的方式提出了坑道钻机PHM技术框架,最后对煤矿坑道钻机PHM技术发展趋势进行展望,旨在为新一代煤矿坑道钻机及相关煤矿机械装备PHM技术的研究开展提供参考和借鉴。

碎软煤层双管定向钻具自动加卸系统关键技术与应用

为提高双管定向钻进钻孔施工时钻具加装和拆卸的自动化水平,提高装卸效率,开发一种双管自动加卸装置,实现不同工况下钻具的全自动装卸,解决双管定向钻进过程中钻杆和套管的同时加装和拆卸的技术难题,完成装置结构和控制系统的设计,运用末端柔顺技术,限制施工过程中装置承受的载荷,明确控制程序关键边界条件,制定不同工况下钻具自动装卸施工工艺流程。在安徽淮北矿业祁南煤矿展开工业性试验,试验顺利完成4个钻孔的施工,共进尺1170 m。试验过程中双管自动加卸装置运行平稳,能够满足不同工况下钻具组合的加装和拆卸需求。将原本需要2~3人密切配合才能完成的钻具组合自动装卸工作,变为依靠程序控制自动完成,钻杆和套管同时装卸和单独装卸平均效率较人工装卸分别提高了350%和110%,保证了双管定向钻进综合施工效率,减少了作业工人数量,降低了工人劳动强度,保障了施工安全。试验结果表明:双管自动加卸装置运行稳定可靠,施工工艺流程合理,装置各项性能满足双管定向钻进需求。研究成果为双管定向钻孔施工钻具的自动装卸提供了技术和装备支撑,为双管定向钻进技术在煤层气开采相关领域的推广应用奠定了基础。

煤矿用气动锚杆钻机评价方法研究

煤矿用气动锚杆钻机广泛应用于井下巷道锚杆支护作业,其性能直接影响煤矿工人的工作强度和健康安全。从产品的安全特性、能效、可靠性能等三方面气动对锚杆钻机的性能进行了综合分析,应用层次分析法和模糊评价理论建立了气动锚杆钻机评价模型,并通过案例对该评价模型进行了工程应用验证。

煤矿井下钻杆装卸机器人末端执行机构设计与分析

为满足煤矿井下钻杆装卸机器人对末端执行机构的使用要求,研制了一型液动永磁钻杆抓取装置。分析了钻杆装卸机器人的结构特点和钻杆装卸工艺流程,提出采用磁力吸取后机械夹紧定位的方式解决紧密码垛式堆放钻杆的抓取问题和机器人的末端柔顺问题;通过4组齿轮反向啮合的方式消除了装置的传动间隙,实现了钻杆的精确定位;通过理论计算验证了装置关键技术参数选取的合理性。试验结果表明:抓取装置夹持力满足设计和使用要求,在不同工艺流程中的机器人均能工作在额定载荷范围之内;采用磁力实现钻杆的取放需要特别注意保证钻杆表面洁净,钻杆表面的污物会造成磁铁与钻杆间的磁力下降,导致抓取失败。

煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置研究

煤矿坑道钻孔施工工具有较大的危险性,具体表现为孔位较高、开孔角度大等特征,因此在装卸钻杆过程中存在较大的困难,尤其是在操作不当的情况下,就会引发安全隐患,严重威胁施工人员的身心健康。由此对煤矿井下坑道钻机自动卸杆装置进行研究设计,使其控制系统更加科学合理。这种装置结构可以通过智能控制器进行操作,因此可以更好地适应各种复杂的地质施工条件,不需要人工也能完成钻孔作业,钻孔效率得到保证,作业安全性自然也得以提高,将会成为未来作业中一种重要的形式。

煤矿双臂全自动液压锚杆钻车设计与应用

目前国内单根锚杆支护作业存在效率低、工人劳动强度大、支护成本高、自动化程度低等问题,结合煤矿巷道对小型化锚杆钻车的技术需求,提出了双臂全自动锚杆钻车结构和配套的液压系统设计方案,对液压系统和电气控制系统进行了设计,经试验与现场应用表明:此液压锚杆钻车可达到传统人工手持钻机8~9台的功效,操作人员减少为3人,锚杆支护效率提高了2倍以上,此设计可为后期实现煤矿井下智能支护作业提供相关技术参考。

定向钻机在煤矿瓦斯治理中的应用

煤炭资源开发和利用极大程度地推动了经济的发展,但是在实际开采中可能会发生瓦斯超标或瓦斯爆炸事故,给煤矿企业带来一定的经济损失,因此,煤矿企业将定向钻机应用在瓦斯治理中,降低了煤矿瓦斯风险。主要介绍了定向钻进技术研究思路与原理,探讨了定向钻机在煤矿瓦斯治理中的具体应用,为煤矿企业提供一定的参考。

锚杆转载机组在巷道掘进过程中快速支护的应用

我国的传统巷道掘进采用掘进机+单体锚杆钻机的方式,巷道锚护采用单体锚护钻机需要多人配合完成,费时费力且锚护效率低。同时掘进时无法锚护,锚护时无法掘进。锚杆转载机组从根本上解决了这一突出问题,实现了掘进时的锚杆同步锚护,搭载多个钻臂可实现多钻臂同时锚护作业,大大提高了锚护效率。锚杆转载机组在黄陵二号矿使用过程中,锚护效率提高到传统锚护的2倍以上,给矿方带来了可观的经济效益。

煤矿救援钻机井口平台的结构设计与优化研究

救援钻机是煤矿应急处置的关键设备,是事故发生后的紧急救援工具。现有地面应急救援车载钻机整体井口平台结构形式不灵活,存在开口孔径小、拆装困难、不能满足大直径钻头和套管下放的问题。基于此,结合救援施工要求,提出了一种模块化且大开口车载钻机智能井口平台总体方案。模块化井口平台具有快速对中、夹紧、自动调平、满足多系列大直径钻具要求的特点。采用数值模拟方法对U型井口平台进行分析,并根据原结构的分析结果提出优化结构。结果表明,优化后的结构应力优于原始结构,为救援钻机结构设计与优化提供了重要支持。

双臂钻机在煤矿地质探放水中的应用

针对煤矿采掘工作面钻孔施工过程中因传统风动钻机施工速度慢、故障率高且钻孔施工长度有限、钻孔施工数量多等问题,雁崖煤业公司通过技术研究,对传统钻孔施工工艺进行优化,采用一台双臂履带钻机进行钻孔施工,分析了该钻机结构及主要技术参数,并通过实际应用效果来看,双臂履带钻机投入使用后钻孔施工时间缩短了30%,钻孔施工效率提高了65%,取得了显著应用成效。

煤矿救援钻机换杆系统研制及应用

煤矿救援钻机在大直径救援孔施工中需要进行大量换杆作业。针对传统溜槽式换杆机构存在劳动强度大、安全性差、工作效率低等问题,研究适用于常规钻具的钻杆运移和快速存取方法。设计举升式钻杆运移装置和自动排杆装置,实现钻杆在钻杆箱与井口平台间的往返输送和自动排放;采用电液远程控制系统完成钻机换杆作业的远程控制,最终形成一套适用于地面救援孔钻进的煤矿救援钻机换杆系统。结构力学分析及现场工业性应用表明,换杆系统可实现钻机换杆作业由人力参与向人工控制的转变,减轻了工人劳动强度、提高了安全操作水平,提高了起下钻效率,为救援孔快速施工提供了装备保障。