于廣東，孟國營，馮學(xué)文

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤礦巷道作為煤礦井下工人的主要作業(yè)環(huán)境，不僅用于礦物的提升、傳輸、排水、通風(fēng)，也是采掘機械掘進的重要路徑[1]。頂板錨桿支護是煤炭開采的一個重要環(huán)節(jié)，錨桿支護能夠加強圍巖強度，促進成巷速度，降低煤礦工人勞動強度并改善其工作環(huán)境，從而提升煤炭開采產(chǎn)量和效率。因此，世界各國，尤其是澳、美、英等國家將錨桿支護作為主要的支護形式[2]。

煤巷頂板為沉積層狀巖體，各個巖層的巖石性質(zhì)迥異，頂板巖石大多為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)頁巖和石灰?guī)r等，不同巖石單軸抗壓強度差異顯著[3]。錨桿鉆機在頂板錨固孔鉆進過程中，常出現(xiàn)時快時慢現(xiàn)象，鉆孔效率不高[4]。鉆孔速度不僅對錨固孔的成孔速度和效率有很大影響，而且還直接關(guān)系到煤巷的施工管理和工程進度[5]。影響錨桿鉆機鉆進速度變化的因素較多，不僅有錨桿鉆機鉆進巖石時的推力、推進速度、扭矩和旋轉(zhuǎn)速度等鉆進參數(shù)，頂板巖石單軸抗壓強度也是一個重要因素[6]。

R.Teale[7]于1965年首次提出了鉆進巖石的碎巖比功概念，即破碎單位體積巖石消耗的能量，并通過鉆進巖石時的推力、推進速度、扭矩和旋轉(zhuǎn)速度等鉆進參數(shù)，建立了鉆進參數(shù)與地層特性間的數(shù)學(xué)模型；V.C.Kelessidis 等[8]，譚卓英等[9]，B.Tiryaki等[10]指出，碎巖比功與巖石的單軸抗壓強度指標間存在明顯的相關(guān)性；N.Christine等[11]，劉少偉等[12]提出，鉆頭在鉆進頂板錨固孔的過程中，不同巖層的巖石學(xué)及物理力學(xué)特性不同，其鉆削振動特性亦不相同，因此，可以采用隨鉆振動特性對巖層進行識別；蔡燦等[13]以單位能量下的穿孔速率作為可鉆性指標，并且基于鉆進過程中有效軸壓、轉(zhuǎn)速、穿孔速率和可鉆性指標間的耦合關(guān)系，實現(xiàn)連續(xù)判斷沿鉆孔剖面的各層單軸抗壓強度；陳加勝等[14]，馮友良等[15]通過檢測錨桿鉆機液壓系統(tǒng)的壓力和流量探測巷道頂板巖層各層單軸抗壓強度；李鑫濤[16]，劉棟梁[17]制作不同強度配比的混凝土試塊，對液壓錨桿鉆機的鉆進參數(shù)進行測試，發(fā)現(xiàn)混凝土單軸抗壓強度和碎巖比功呈現(xiàn)出高度的線性關(guān)系。

綜上，大量研究者在巖層識別這一領(lǐng)域進行了很多探索，并且取得了較快進展。目前，有學(xué)者利用液壓錨桿鉆機進行隨鉆巖層識別，采用液壓錨桿鉆機的液壓馬達、支腿液壓缸流量與壓力乘以液壓系統(tǒng)的效率計算碎巖比功，該方法雖然能對巖層的強度進行識別，但也存在一定缺陷，如液壓馬達、支腿液壓缸的效率難以測量，只能根據(jù)經(jīng)驗估值，并且液壓系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，效率隨溫度變化會發(fā)生很大波動，所以計算碎巖比功誤差較大。目前，頂板錨固孔鉆進過程中的鉆孔效率不高，鉆孔速度優(yōu)化方面的研究很少有文獻提到。本文提出隨鉆識別煤礦巷道頂板單軸抗壓強度系統(tǒng)，以期克服液壓系統(tǒng)的上述缺陷，同時采用隨鉆實時識別頂板單軸抗壓強度的方法，結(jié)合氣動錨桿鉆機的馬達功率特性曲線，使錨桿鉆機鉆孔速度得到優(yōu)化。

1 頂板巖層強度探測系統(tǒng)識別方法研究

1.1 頂板巖層強度探測系統(tǒng)識別的鉆進數(shù)學(xué)模型

碎巖比功法是近年來被許多科學(xué)家認可的比較合理的一種方法，即通過破碎單位體積巖石消耗的能量評價巖石破碎的難易程度。巖石的碎巖比功與巖石的單軸抗壓強度存在一定比例關(guān)系，碎巖比功越大，單軸抗壓強度越高。

鉆孔過程中，氣動錨桿鉆機的頂板錨桿孔在煤礦巷道中從下往上鉆，鉆進過程中排出的巖石碎屑在重力和水壓雙重作用下，順著鉆桿與鉆孔壁之間的間隙排出，所以巖石碎屑的二次破碎消耗能量很小，可以忽略不計。鉆孔過程中氣動錨桿鉆機的機械能轉(zhuǎn)換為鉆頭與巖石的熱能也很小，可以忽略不計。設(shè)鉆機氣動馬達和給進支腿氣缸輸出的機械能都轉(zhuǎn)化為鉆頭破碎巖石消耗的鉆孔能量，此能量由兩部分構(gòu)成，在Δt時間內(nèi)，給進支腿氣缸和氣動馬達所做的功ΔE1和ΔE2分別計算如下。

錨桿鉆機支腿氣缸的鉆孔速度

(1)

則有

ΔE1=FuΔt,

(2)

ΔE2=TMωMΔt,

(3)

式中：L為支腿氣缸鉆進位移；F為支腿氣缸鉆進力；TM為鉆孔時氣動馬達給鉆頭施加的扭矩；ωM為鉆孔時鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度。

鉆孔破碎的巖石體積為

ΔV=uΔtAZ,

(4)

式中，AZ為鉆孔的橫截面面積。

鉆孔比功，即破碎單位體積的巖石所需能量為

(5)

式中，AZ為固定值，取決于鉆頭大小。鉆孔比功主要由F，u，TM和ωM決定。只需要在鉆孔過程中檢測這4個參數(shù)，就可得到頂板巖層的鉆孔比功，進而得到巖石單軸抗壓強度。

1.2 頂板巖層強度探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

鉆頭在鉆進頂板巖石時，分為直線運動與旋轉(zhuǎn)運動，消耗的能量也分為鉆頭直線運動消耗能量與旋轉(zhuǎn)運動消耗能量，可由鉆頭推力、推進速度、扭矩和旋轉(zhuǎn)速度計算得到。采用式(5)，計算出鉆頭鉆進單位體積巖石時消耗的能量就可以得到碎巖比功，即頂板的單軸抗壓強度。

本文提出的礦井巷道識別頂板單軸抗壓強度探測器三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、力傳感器、氣動錨桿機、PDC鉆頭、聯(lián)軸器、鉆桿和控制器等。扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器兩端為圓柱形軸，通過聯(lián)軸器與氣動錨桿鉆機主軸、鉆桿分別相連。扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)軸貼有橋式應(yīng)變片，外套里裝有調(diào)理電路，外套外面裝有底座，底座通過鐵塊與錨桿機機身相連接。

1-PDC鉆頭；2-鉆桿；3-扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器；4-拉繩位移傳感器；5-氣動馬達；6-氣動支腿；7-力傳感器

力傳感器與其機械接頭通過螺栓連接，見圖2，力傳感器機械接頭與錨桿機支腿固定尖端相連接，通過側(cè)邊螺栓夾緊固定，力傳感器與力傳感器尖端通過螺紋連接，力傳感器尖端設(shè)計成與錨桿機底部一樣的尖型接頭。位移傳感器一端連接錨桿鉆機機身，一端連接錨桿機支腿氣缸尾部。

圖2 力傳感器接頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Joint structure of force sensor

扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器測量氣動錨桿鉆機在鉆孔過程中鉆頭給頂板的扭矩，同時測量鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度；力傳感器測量鉆頭鉆巖石時的壓力；位移傳感器測量鉆頭位移，位移取微分就可以得到鉆速。將這些參數(shù)傳送給處理器，處理器根據(jù)這些鉆進參數(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析與處理，可以得出探測器在巷道巖層鉆進時巖層的實時單軸抗壓強度。

2 鉆孔速度優(yōu)化

利用錨桿鉆機鉆孔時，希望鉆孔速度越快越好，這樣可以提高工人勞動效率，降低煤礦生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)氣動錨桿機在鉆孔時采用手動方式，鉆孔速度完全依靠工人經(jīng)驗，沒有理論支撐，無法優(yōu)化鉆孔速度。

研究表明，式(5)第二項扭矩產(chǎn)生的能量比第一項力產(chǎn)生的能量大10～200倍[13],即扭矩產(chǎn)生的能量是鉆孔能量的主要部分，因此，根據(jù)文獻[14]，忽略推力產(chǎn)生的能量，可得

(6)

式中，當(dāng)鉆頭所鉆巖石的單軸抗壓強度一定時，錨桿鉆機鉆孔速度u與氣動馬達所輸出的功率TMωM成正比。因此，當(dāng)TMωM最大時，錨桿鉆孔速度u最大。

根據(jù)錨桿鉆機氣動馬達功率特性曲線[15](圖3)，氣動馬達輸出的功率為經(jīng)過原點的拋物線，當(dāng)加載扭矩過大時，錨桿鉆機氣動馬達速度達到最低，為0，此時馬達輸出的功率為0；當(dāng)加載扭矩為0時，氣動馬達輸出的功率也為0，此時氣動馬達輸出的速度最大。

圖3 氣動馬達功率特性曲線Fig.3 Power characteristic curve of pneumatic motor

由圖3可知，當(dāng)馬達加載扭矩為某值時候，馬達輸出轉(zhuǎn)速為其最大轉(zhuǎn)速的一半，馬達輸出功率最大，因此，利用氣動馬達功率特性曲線，令氣動馬達輸出的功率最大，由式(6)可知，此時錨桿鉆機輸出的鉆速也最大。

3 巷道巖石單軸抗壓強度探測試驗 系統(tǒng)研制

3.1 巷道巖石單軸抗壓強度探測試驗系統(tǒng)

按照圖1搭建巷道巖石單軸抗壓強度探測系統(tǒng)實物。氣動錨桿機豎著鉆進為巷道實際使用方法，為了便于觀察和安全、方便，試驗時氣動錨桿機橫著鉆進。巷道巖石單軸抗壓強度探測試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 巷道巖石單軸抗壓強度探測試驗系統(tǒng)Fig.4 Experimental system of UCS detector of the roadway rock

試驗系統(tǒng)包括3大部分，即氣動錨桿機部分、測控系統(tǒng)部分和壓縮空氣源部分。如圖5所示，氣動錨桿機部分包括：(1)MYT-130型單體氣動錨桿鉆機；(2)HCNJ-101型扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器；(3)DYLF-102輪輻式壓力傳感器；(4)MPS-S-1.5m位移傳感器；(5)礦用B19錨桿六棱中空組合鉆桿；(6)φ28 mm金剛石鉆頭；(7)φ10 mm供水管路；(8)SMC比例流量閥。

圖5 氣動錨桿機結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of pnumatic bolter

如圖6所示，測控系統(tǒng)部分包括：(1)NI USB-6009 型數(shù)據(jù)采集卡及LABVIEW軟件；(2)24V直流穩(wěn)壓電源;(3)力傳感器放大器;(4)扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器放大器;(5)SMC比例流量閥。

圖6 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of measurement and control system

壓縮空氣源部分包括：(1)空壓機(3.8 m3/min);(2)儲氣罐;(3)干燥機;(4)過濾器;(5)減壓閥。

給該試驗系統(tǒng)接入高壓水，用于沖刷巖屑，并且給PDC鉆頭降溫，更加真實地模擬煤礦巷道支護情況。該系統(tǒng)加裝SMC電氣比例流量閥及與該閥配套的放大器，采用電腦自動控制該系統(tǒng)閥開口的大小，進而可以自動控制氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度大小，實現(xiàn)遠程自動控制，操作方便、安全。

由于該系統(tǒng)需要多路數(shù)據(jù)采集，同時也需要輸出電氣比例流量閥控制信號，基于其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、精度高、復(fù)現(xiàn)性好、反應(yīng)靈敏等特點，采用USB 6009數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集與控制。LabVIEW軟件具有圖形化的編程語言，有多個控件可以調(diào)用，簡單快捷，使用該軟件處理數(shù)據(jù)，可與USB6009數(shù)據(jù)采集卡無縫連接，可靠性高。

3.2 相似模擬頂板巖石的制備

由于現(xiàn)場巖石難以采集，采用相似材料模擬。相似材料模擬研究是一種重要的科學(xué)研究手段，是在實驗室內(nèi)按相似原理制作與原型相似的模型，然后借助測試儀表觀測模型內(nèi)力學(xué)參數(shù)及其分布規(guī)律，利用在模型上研究的結(jié)果，借以推斷原型中可能發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象以及巖體壓力分布的規(guī)律，從而解決巖體工程生產(chǎn)中實際問題。這種研究方法直觀、簡便、經(jīng)濟、快速、實驗周期短。本試驗中可以根據(jù)需要，通過固定某些參數(shù)，改變另一些參數(shù)，研究巷道頂板應(yīng)力和采礦工作面附近支撐壓力在空間與時間上的分布規(guī)律和變化情況，以及某些參數(shù)對巖體壓力的影響。這在現(xiàn)場條件下是難以實現(xiàn)的。

相似模擬頂板巖石使用52.5(R)號硅酸鹽水泥配制，石子最大粒徑15 mm，相似材料配比如表1所示。硬巖澆灌在長方體木模盒中，尺寸為 150 mm×150 mm×150mm，如圖7所示。

圖7 頂板巖石相似模型Fig.7 Similar models of roof rock

同時制備50 mm×50 mm×50 mm的試塊，各試塊與鉆探試驗材料一致，然后進行單軸抗壓試驗，利用巖石力學(xué)伺服試驗機進行試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 相似材料配比與實驗結(jié)果Tab.1 Similar material ratios and experiment results

4 隨鉆頂板巖性探測的試驗研究

4.1 隨鉆頂板巖性探測的試驗步驟

(1)將氣動錨桿機與壓縮空氣源用氣管牢固連接在一起。連接供水和供電線路與錨桿機，開啟空壓機電源。

(2)將錨桿鉆機水平放置在地面上已經(jīng)設(shè)定好的孔位中，安裝鉆桿，并且連接套和鉆頭。

(3)將各放大器、數(shù)據(jù)采集卡和穩(wěn)壓電源等按照接線圖要求連接。

(4)打開直流穩(wěn)壓電源，啟動計算機，打開LabVIEW程序并調(diào)試。

(5)給鉆機供壓力水、供電，開始鉆孔。

4.2 隨鉆頂板巖性探測試驗結(jié)果及分析

為了采集錨桿鉆機氣動馬達最大旋轉(zhuǎn)速度，先對錨桿鉆機進行空載試驗，結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣動馬達空載轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Revolution curves of pneumatic motor with no load

由圖8可知，錨桿鉆機氣動馬達的最大轉(zhuǎn)速，再通過測試，得到氣動錨桿鉆機氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度與扭矩數(shù)據(jù)，通過式(7)可以繪出氣動錨桿鉆機氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度與扭矩曲線(0.5 MPa)，如圖9所示。

圖9 氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度與扭矩曲線Fig.9 Curve of rotation speed and torque of pneumatic motor

y=-ax2+bx。

(7)

0～100%調(diào)節(jié)氣動錨桿鉆機氣動馬達與支腿閥門開度，并且氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度與扭矩數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)，在鉆進不同單軸抗壓強度的巖石(C40、C60)時發(fā)現(xiàn)，試驗值落在了圖9氣動馬達旋轉(zhuǎn)速度與扭矩曲線上，并且這些數(shù)據(jù)都落在拋物線中線右邊，說明氣動錨桿鉆機支腿壓力與氣動馬達輸出功率不匹配，無法使氣動馬達達到最大功率點，這是由于氣動支腿的推力不足導(dǎo)致氣動馬達輸出功率達不到最大，鉆進硬巖石時，支腿推力比鉆進軟巖石時支腿推力更加不足。

由以上分析可知，需要提高氣動支腿的推力，但氣動支腿推力不可以任意增加，需與實際情況匹配，如果增加過多，氣動馬達輸出功率反而會減小。為提高氣動馬達輸出功率，進而提高鉆速，系統(tǒng)安裝SMC公司產(chǎn)VBA壓力閥，型號為VBA43A-04，從而提高支腿的推力。

圖10為VBA壓力閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其工作原理為：輸入氣壓分兩路，一路打開單向閥充入小氣缸的增壓室A和B，另一路經(jīng)壓力閥和換向閥向大氣缸的驅(qū)動室B充氣，驅(qū)動室A排氣。大活塞左移，帶動小活塞也左移，小氣缸B室增壓，打開單向閥從出口送出高壓氣體。小活塞左移至末端，使換向閥切換，則驅(qū)動室A進氣，驅(qū)動室B排氣，大活塞反向運動，增壓室A增壓，打開單向閥，繼續(xù)從輸出口送出高壓氣體。以上動作反復(fù)進行，便可從出口得到連續(xù)輸出的高壓氣體。出口壓力反饋至壓力閥，可以使出口壓力自動保持在某一值。需要改變出口壓力時，調(diào)節(jié)手輪，可得到增壓比范圍內(nèi)的任意設(shè)定出口壓力。若出口反饋壓力與壓力閥的彈簧力相平衡，壓力閥就停止運轉(zhuǎn)，不再輸出流量。

圖10 VBA增壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.10 Internal structure of VBA pressurized valve

通過試驗，采用壓力閥適量增加支腿推力，可以增加氣動馬達的功率，如圖11所示。通過測試鉆速，發(fā)現(xiàn)氣動馬達功率與鉆速呈線性關(guān)系，如圖12所示，證明提高馬達功率可以提高鉆速，為優(yōu)化鉆速提供了方法與思路。

圖11 增加支腿推力后的氣動馬達功率曲線Fig.11 Power curve of the pneumatic motor after increasing the thrust of the leg

圖12 氣動馬達功率與鉆速曲線Fig.12 Curves of power and the drilling spead of pneumatic motor

5 結(jié) 論

(1)推導(dǎo)出氣動錨桿鉆機鉆進參數(shù)的計算公式，并進一步通過檢測碎巖比功對頂板巖層的單軸抗壓強度進行判定。

(2)通過檢測氣動錨桿鉆機鉆孔時氣動系統(tǒng)中的馬達轉(zhuǎn)速和扭矩,根據(jù)支腿氣缸推力與鉆進速度的變化識別出巷道頂板各巖層的強度。

(3)研制了頂板巖層隨鉆識別試驗系統(tǒng)。通過對鉆孔試驗數(shù)據(jù)和配套單軸抗壓試驗數(shù)據(jù)的分析比較，證明氣動錨桿鉆機的鉆進參數(shù)能夠較準確地推算頂板各巖層的單軸抗壓強度。

(4)新型錨桿鉆機可以探測頂板巖石單軸抗壓強度，自動調(diào)節(jié)鉆孔速度，使錨桿鉆機鉆孔速度最大。在氣動馬達入口處設(shè)計了比例流量閥，在支腿入口處設(shè)計了比例壓力閥，從而自動調(diào)節(jié)氣動馬達的轉(zhuǎn)速和氣動支腿輸出的推力。