CN107575225B - 瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统 - Google Patents

Abstract

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统包括矿用智能钻车、用于控制矿用智能钻车的远程控制系统，矿用智能钻车包括动力系统和由其驱动的执行系统，执行系统包括履带式旋转底盘、支承板、两个立柱、两个固定板、转角升降油缸、换杆钻进系统，本发明可实现：自动定位打眼、自动上钻、自动接钻、自动钻进、自动监测及智能识别与处理、自动卸钻等功能，掘进打眼实现机械化、智能化、无人值守，避免了煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出造成人员伤亡事故的发生，形成瓦斯高突巷道掘进的本质安全型生产，从根本上扭转我国矿井掘进作业期间重特大瓦斯突出事故频发的现状，实现瓦斯高突矿井的安全生产。

Description

瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统

技术领域

本发明涉及一种掘进系统，特别是涉及一种用于瓦斯高突巷道掘进的掘进系统。

背景技术

瓦斯一直是我国煤矿安全生产的头号威胁，以我国西南地区为例，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占到矿井总数的70％左右，生产过程中容易诱发煤与瓦斯突出事故，发生的主要原因在于煤巷掘进打眼对瓦斯高突煤体的扰动，因此瓦斯高突煤巷掘进扰动是导致煤与瓦斯突出事故的主要根源。

传统方式为人工掘进打眼，掘进打眼过程中极易发生煤与瓦斯突出事故，造成人员伤亡，生产不安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，从根本上杜绝煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出造成人员伤亡事故的发生，形成瓦斯高突巷道掘进的本质安全型生产，从根本上扭转我国矿井掘进作业期间重特大瓦斯突出事故频发的现状，实现瓦斯高突矿井的安全生产。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，包括矿用智能钻车、用于控制矿用智能钻车的远程控制系统，所述矿用智能钻车包括动力系统和由其驱动的执行系统，所述执行系统包括履带式旋转底盘、位于履带式旋转底盘上方的可旋转的支承板、固定在支承板上的两个立柱、可沿两个立柱分别上下滑动的两个固定板、转角升降油缸、换杆钻进系统，换杆钻进系统包括两个转角油缸、转进电机、钻杆卡盘、多根钻杆、换钻机械手、钻杆调整液压缸、钻杆提升系统、钻杆库、钻杆抓手、换钻机械手升降杆、U形支撑框架、安装台、机械手平台，所述安装台设置在两个立柱之间，所述安装台的两侧设置有安装耳，所述安装台的中间设置有钻杆抓取孔，所述转进电机滑动连接在安装台的上方，所述钻杆卡盘设置在安装台的端部，所述转角升降油缸的两端分别与支承板、其中一个固定板固定连接，两个所述固定板与两个安装耳通过销轴连接，两个所述转角油缸的一端分别与两个固定板连接，两个所述转角油缸的另一端分别连接在所述安装台的两侧，所述U形支撑框架的两端固定在安装台上，所述机械手平台滑动连接在U形支撑框架上，所述钻杆调整液压缸驱动所述机械手平台在U形支撑框架上滑动，所述换钻机械手与换钻机械手升降杆连接，所述换钻机械手升降杆穿过所述U形支撑框架与所述钻杆抓手连接，多根钻杆自上而下设置在钻杆库内，所述钻杆提升系统将钻杆库内的钻杆提升到抓取位置或将用后钻杆返回钻杆库内。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述钻杆提升系统包括两个升降丝杠、两个丝杠驱动电机、两个升降螺母、升降板，两个升降丝杠均与安装台垂直连接且分别位于安装台的两端，两个丝杠驱动电机的连接轴与两个升降丝杠分别连接，两个升降螺母与两个丝杠驱动电机分别螺纹连接，升降板的两端分别与两个升降螺母连接，所述升降板可翻转。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述钻杆提升系统还包括微型电机，所述微型电机设置在升降螺母内或升降板内，所述微型电机驱动所述升降板翻转。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述U形支撑框架的两侧板设置有观察孔。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述执行系统还包括支撑框架，所述支撑框架包括两个对称设置的门式架，两个立柱分别与两个门式架连接。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述履带式旋转底盘包括行走履带、支承平台、旋转液压马达、转盘轴承，所述旋转液压马达设置于行走履带内，所述支承平台位于行走履带的上方，所述旋转液压马达的旋转轴的端部穿过所述支承平台，所述转盘轴承套装在所述旋转轴的端部。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，还包括激光定位器及后置全向摄像头、前置传感器模块及前置摄像头、车载交换机及中央控制器，激光定位器及后置全向摄像头、前置传感器模块及前置摄像头、车载交换机及中央控制器采集巷道影像数据并将巷道影像数据传回地面中央控制器，并根据控制指令引导钻车方向。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述动力系统包括后方动力系统和侧方动力系统，所述后方动力系统设置在所述支承平台的上方后部，所述侧方动力系统设置在所述支承板的上方左侧。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述远程控制系统包括地面中央控制室、井下无缝漫游基站以及链接二者的光纤网络。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其中，所述钻杆卡盘采用卡盘电机驱动。

采用上述技术方案后，本发明可实现：自动定位打眼、自动上钻、自动接钻、自动钻进、自动监测及智能识别与处理、自动卸钻等功能，掘进打眼实现机械化、智能化、无人值守，避免了煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出造成人员伤亡事故的发生，形成瓦斯高突巷道掘进的本质安全型生产，从根本上扭转我国矿井掘进作业期间重特大瓦斯突出事故频发的现状，实现瓦斯高突矿井的安全生产。

本发明从事故发生源头入手，通过对瓦斯高突煤巷最易发生突出危险的掘进打眼过程进行无人化改进，将传统的人工打眼用现代先进设备自动完成，整个工艺过程实现远程无人操作，十分安全。本发明具有技术先进、结构紧凑、操作灵活、机动性好、全断面作业、安全性能好、操作简便等特点。除实现高突煤巷掘进打眼外，可实现煤矿探抽放瓦斯、探放水、探断层、坚硬顶板强制放顶、注水等，可实现掘进工作面有防突要求、在软层或煤层中密集形钻孔的功能。本发明配套普通扩孔钻头等钻具，可进行回转钻进，通过钻头部安装的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；先进的远程控制系统能在危险或狭窄的工况下实现无人操作。本发明同样适用于其他非煤矿山场合的巷道掘进。

下面结合附图对本发明的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统作进一步说明。

附图说明

图1为本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统的左视图；

图2为本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统的主视图；

图3为图1的A向视图；

图4为履带式旋转底盘的立体图；

图5为本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统的立体结构示意图；

图6为本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统中转角升降油缸与固定板的连接示意图；

图7为本发明中钻杆提升系统的示意图；

图8为本发明中换杆钻进系统的示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统包括矿用智能钻车100、用于控制矿用智能钻车100的远程控制系统，还包括激光定位器及后置全向摄像头21、前置传感器模块及前置摄像头22、车载交换机及中央控制器23，远程控制系统包括地面中央控制室、井下无缝漫游基站以及链接二者的光纤网络，矿用智能钻车100包括动力系统和由其驱动的执行系统，动力系统包括后方动力系统1和侧方动力系统1’，后方动力系统1设置在支承平台29的上方后部，侧方动力系统1’设置在支承板26的上方左侧，执行系统包括履带式旋转底盘101、位于履带式旋转底盘101上方的可旋转的支承板26、固定在支承板26上的两个立柱7、可沿两个立柱7分别上下滑动的两个固定板9、转角升降油缸6、换杆钻进系统，激光定位器及后置全向摄像头21、前置传感器模块及前置摄像头22、车载交换机及中央控制器23采集巷道影像数据并将巷道影像数据传回地面中央控制器，并根据控制指令引导钻车方向。

结合图5至图8所示，换杆钻进系统包括两个转角油缸8、转进电机10、钻杆卡盘11、多根钻杆12、换钻机械手13、钻杆调整液压缸14、钻杆提升系统15、钻杆库16、钻杆抓手17、换钻机械手升降杆18、U形支撑框架25、安装台31、机械手平台32，安装台31设置在两个立柱7之间，安装台31的两侧设置有安装耳313，安装台31的中间设置有钻杆抓取孔312，转进电机10滑动连接在安装台31的上方，安装台31上设置有导轨311，转进电机10设置有滑槽，转进电机10与安装台31通过滑轨311与滑槽直筋的配合实现滑动连接，钻杆卡盘11设置在安装台31的端部，钻杆卡盘11采用卡盘电机30驱动，转角升降油缸6的两端分别与支承板26、其中一个固定板9固定连接，两个固定板9与两个安装耳313通过销轴连接，两个转角油缸8的一端分别与两个固定板9连接，两个转角油缸8的另一端分别连接在安装台31的两侧，U形支撑框架25的两端固定在安装台31上，机械手平台32滑动连接在U形支撑框架25上，U形支撑框架25的两侧板设置有观察孔251，钻杆调整液压缸14驱动机械手平台32在U形支撑框架25上滑动，换钻机械手13与换钻机械手升降杆18连接，换钻机械手升降杆18穿过U形支撑框架25与钻杆抓手17连接，多根钻杆12自上而下设置在钻杆库16内，钻杆提升系统15将钻杆库16内的钻杆12提升到抓取位置或将用后钻杆12返回钻杆库16内。

结合图5至图7所示，钻杆提升系统15包括两个升降丝杠5、两个丝杠驱动电机51、两个升降螺母52、升降板53、微型电机，两个升降丝杠5均与安装台31垂直连接且分别位于安装台31的两端，两个丝杠驱动电机51的连接轴与两个升降丝杠5分别连接，两个升降螺母52与两个丝杠驱动电机51分别螺纹连接，升降板53的两端分别与两个升降螺母52连接，微型电机设置在升降螺母52内或升降板53内，微型电机驱动升降板53翻转。

结合图1、图2、图6所示，执行系统还包括支撑框架27，支撑框架27包括两个对称设置的门式架，两个立柱7分别与两个门式架连接。

结合图1、图2、图4所示，履带式旋转底盘101包括行走履带24、支承平台29、旋转液压马达19、转盘轴承20，旋转液压马达19设置于行走履带24内，支承平台29位于行走履带24的上方，旋转液压马达19的旋转轴的端部穿过支承平台29，转盘轴承20套装在旋转轴的端部。

本发明中摄像头模块均包括照明功能，钻杆抓手17可实现对钻杆12的抓持，即控制钻杆12在空间中的上下左右位置，同时在抓持状态下钻杆12可以进行转动运动及前后运动。

本发明动力系统中，后方动力系统1和侧方动力系统1’，后方动力系统1设置在支承平台29的上方后部，为钻车提供行进动力，侧方动力系统1’设置在支承板26的上方左侧，为钻车的其它功能提供动力。如图5所示，后方动力系统1包括液压站箱体102、进油过滤器103、换向阀104、伺服电机105，侧方动力系统与后方动力系统结构相同，也包括上述四个部件。为清晰展示本发明的结构，图中并未给出油路连接。

本发明中车载交换机及中央控制器23设置在支承平台29上，其靠近后方动力系统设置；钻杆卡盘11通过安装架35装在安装台31的端部，钻杆卡盘11通过卡盘驱动电机30驱动夹紧和松开，前置传感器模块及前置摄像头22设置在安装架35的上方；激光定位器及后置全向摄像头21设置在换钻机械手的上方。

本发明瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统可实现以下功能：

1、自动定位打眼功能：激光定位器及后置全向摄像头21、前置传感器模块及前置摄像头22通过车载交换机及中央控制器23将巷道影像数据回传至地面中央控制室，技术人员根据钻孔设计方案，发出控制指令，车载交换机及中央控制器23接收指令后，由激光定位器及后置全向摄像头21与前置传感器模块及前置摄像头22对钻车主体进行方向引导，至预定打钻位置并调整好打钻姿态。其中姿态调整由以下部件实现：前后调整由履带24实现；左右调整由旋转液压马达19与转盘轴承20实现，转盘轴承20的外圈与支承平台29固定连接，旋转液压马达的旋转轴与转盘轴承20的内圈固定连接，转盘轴承20的内圈又与支承板26固定，因此旋转液压马达的旋转轴转动时，带动支承板26转动，实现左右调整；俯仰调整由转角升降油缸6与转角油缸8实现，升降油缸6伸缩，带动两个固定板9沿两个立柱7上下同步滑动，而转角油缸8的两端分别与固定板9及安装台31铰接，所以两个固定板9沿立柱7上下滑动时转角油缸8伸缩，使安装台31俯仰运动，从而钻杆12俯仰运动。

2、自动上钻功能：由丝杠驱动电机51、升降丝杠5、转进电机10、钻杆卡盘11、换钻机械手13、钻杆调整液压缸14、钻杆提升系统15、钻杆库16、钻杆抓手17、换钻机械手升降杆18实现。钻杆库16采用U型槽状结构，U形的两边设置有槽，根据需要槽内可自上而下放置5～20根钻杆，上钻时，利用微型电机控制升降板53顺时针旋转90度，在丝杠驱动电机51的驱动下，钻杆提升系统15的两个升降螺母52及二者之间的升降板53沿升降丝杠5运动到最上面第一根钻杆处，再使升降板53逆时针旋转90度，将第一根钻杆进行装载，此时第一根钻杆位于升降板的上方，装载完毕后在丝杠驱动电机51的驱动下，升降板53载着第一根钻杆提升至最顶端，换钻机械手升降杆18驱动钻杆抓手17至钻杆位置，换钻机械手13控制钻杆抓手17抓取钻杆12，之后再由换钻机械手13通过换钻机械手升降杆18驱动钻杆抓手17使钻杆12提升至主轴安装位置，此时再由钻杆调整液压缸14将钻杆12送入转进电机10内并进行初步锁紧，之后由钻杆调整液压缸14及转进电机10将钻杆12送入钻杆卡盘11，在卡盘驱动电机30控制下，钻杆卡盘11将钻,12卡死，此时钻杆抓手17松开钻杆12，由转进电机10解除锁紧后，并进一步向前方运动，确保钻杆安装到位后转进电机10进行最终锁紧，完成上钻操作。

3、自动接钻(钻杆之间的链接)：由丝杠驱动电机51、升降丝杠5、转进电机10、钻杆卡盘11、换钻机械手13、钻杆调整液压缸14、钻杆提升系统15、钻杆库16、钻杆抓手17、换钻机械手升降杆18实现。当前一根钻杆到达极限钻进深度后，由钻杆卡盘11将钻杆末端卡死，然后转进电机10松开钻杆并退回。接钻时，在丝杠驱动电机51的驱动下，钻杆提升系统15的升降螺母52及升降板53沿升降丝杠5运动到钻杆库16的最上层钻杆处，然后升降板顺时针旋转90度，将最上层钻杆进行装载，装载完毕后由丝杠驱动电机51的驱动下由升降丝杠5提升至最顶端，由换钻机械手13通过换钻机械手升降杆18驱动钻杆抓手17至钻杆位置并抓取钻杆，之后再由换钻机械手13通过换钻机械手升降杆18驱动钻杆抓手17提升至主轴安装位置，此时再由钻杆调整液压缸14将钻杆送入转进电机10内并进行初步锁紧，之后由钻杆调整液压缸14及转进电机10将钻杆向前推送至上一根钻杆末端，此时钻杆抓手17松开钻杆，并由转进电机10带动钻杆顺时针旋转实现与上一根钻杆的链接，接着钻杆抓手17再次抓紧钻杆，由转进电机10解除锁紧后，并进一步向前方运动，确保钻杆安装到位后转进电机10进行最终锁紧，完成自动接钻作业操作。

4、自动钻进：由自动定位打眼功能、自动上钻以及若干次自动接钻动作，可以最终实现钻杆的自动钻进作业。

5、自动监测及智能识别与处理

通过前置传感器模块及前置摄像头22，以及转进电机10的扭矩监测模块可实现实时在线监测(包括湿度、瓦斯、温度、一氧化碳、位移等)，提前反映地质构造或环境状况，采集的信号通过车载交换机及中央控制器23自动处理及数据回传至地面，再发出指令实现自动精确控制，较传统在巷道中安设传感器监测(事后监测)瓦斯浓度再行判断是否钻进工作有本质的改进；通过在线监测系统与负载反馈液压系统的配合，钻进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，实现智能诊断识别与处理。

6、自动卸钻：由丝杠驱动电机51、升降丝杠5、转进电机10、钻杆卡盘11、换钻机械手13、钻杆调整液压缸14、钻杆提升系统15、钻杆库16、钻杆抓手17、换钻机械手升降杆18实现。当执行卸钻操作时，首先由转进电机10后退直至末端，钻杆抓手17抓紧末根钻杆，后由钻杆卡盘11将倒数第二根钻杆尾端卡死，后由转进电机10逆时针旋转，带动末根钻杆与倒数第二根钻杆分离，分离后转进电机10松开对钻杆的夹持并后退至导轨311尾端，由换钻机械手13、钻杆调整液压缸14、钻杆抓手17将钻杆放入钻杆提升系统15，并由丝杠驱动电机51带动升降丝杠5降落至钻杆库中最顶层钻杆上端，之后逆时针旋转90度，将钻杆放回钻杆库16内，之后转进电机10前进至导轨最前端，实现对钻杆卡盘11所夹持的倒数第二根钻杆的卡紧，至此完成一次卸钻作业，如是进行若干循环，可将钻杆依次卸钻并放回钻杆库内。

上述功能，可以通过车载交换机及中央控制器23按照预定程序执行，也可以由地面中央控制室进行人工控制操作。远程控制系统可以实现远程控制台和执行系统之间的无线通信，达到远程操控的目的。通信系统采用无线WIFI技术采用基于TCP的Win socket实现无线网络通信，此外该系统涉及到无线局域网的搭建以及客户端和服务器的程序编译。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：包括矿用智能钻车(100)、用于控制矿用智能钻车(100)的远程控制系统，所述矿用智能钻车(100)包括动力系统和由其驱动的执行系统，所述执行系统包括履带式旋转底盘(101)、位于履带式旋转底盘(101)上方的可旋转的支承板(26)、固定在支承板(26)上的两个立柱(7)、可沿两个立柱(7)分别上下滑动的两个固定板(9)、转角升降油缸(6)、换杆钻进系统，换杆钻进系统包括两个转角油缸(8)、转进电机(10)、钻杆卡盘(11)、多根钻杆(12)、换钻机械手(13)、钻杆调整液压缸(14)、钻杆提升系统(15)、钻杆库(16)、钻杆抓手(17)、换钻机械手升降杆(18)、U形支撑框架(25)、安装台(31)、机械手平台(32)，所述安装台(31)设置在两个立柱(7)之间，所述安装台(31)的两侧设置有安装耳(313)，所述安装台(31)的中间设置有钻杆抓取孔(312)，所述转进电机(10)滑动连接在安装台(31)的上方，所述钻杆卡盘(11)设置在安装台(31)的端部，所述转角升降油缸(6)的两端分别与支承板(26)、其中一个固定板(9)固定连接，两个所述固定板(9)与两个安装耳(313)通过销轴连接，两个所述转角油缸(8)的一端分别与两个固定板(9)连接，两个所述转角油缸(8)的另一端分别连接在所述安装台(31)的两侧，所述U形支撑框架(25)的两端固定在安装台(31)上，所述机械手平台(32)滑动连接在U形支撑框架(25)上，所述钻杆调整液压缸(14)驱动所述机械手平台(32)在U形支撑框架(25)上滑动，所述换钻机械手(13)与换钻机械手升降杆(18)连接，所述换钻机械手升降杆(18)穿过所述U形支撑框架(25)与所述钻杆抓手(17)连接，多根钻杆(12)自上而下设置在钻杆库(16)内，所述钻杆提升系统(15)将钻杆库(16)内的钻杆(12)提升到抓取位置或将用后钻杆(12)返回钻杆库(16)内。

2.根据权利要求1所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述钻杆提升系统(15)包括两个升降丝杠(5)、两个丝杠驱动电机(51)、两个升降螺母(52)、升降板(53)，两个升降丝杠(5)均与安装台(31)垂直连接且分别位于安装台(31)的两端，两个丝杠驱动电机(51)的连接轴与两个升降丝杠(5)分别连接，两个升降螺母(52)与两个丝杠驱动电机(51)分别螺纹连接，升降板(53)的两端分别与两个升降螺母(52)连接，所述升降板(53)可翻转。

3.根据权利要求2所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述钻杆提升系统(15)还包括微型电机，所述微型电机设置在升降螺母(52)内或升降板(53)内，所述微型电机驱动所述升降板(53)翻转。

4.根据权利要求3所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述U形支撑框架(25)的两侧板设置有观察孔(251)。

5.根据权利要求4所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述执行系统还包括支撑框架(27)，所述支撑框架(27)包括两个对称设置的门式架，两个立柱(7)分别与两个门式架连接。

6.根据权利要求5所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述履带式旋转底盘(101)包括行走履带(24)、支承平台(29)、旋转液压马达(19)、转盘轴承(20)，所述旋转液压马达(19)设置于行走履带(24)内，所述支承平台(29)位于行走履带(24)的上方，所述旋转液压马达(19)的旋转轴的端部穿过所述支承平台(29)，所述转盘轴承(20)套装在所述旋转轴的端部。

7.根据权利要求6所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：还包括激光定位器及后置全向摄像头(21)、前置传感器模块及前置摄像头(22)、车载交换机及中央控制器(23)，激光定位器及后置全向摄像头(21)、前置传感器模块及前置摄像头(22)、车载交换机及中央控制器(23)采集巷道影像数据并将巷道影像数据传回地面中央控制器，并根据控制指令引导钻车方向。

8.根据权利要求7所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述动力系统包括后方动力系统(1)和侧方动力系统(1’)，所述后方动力系统(1)设置在所述支承平台(29)的上方后部，所述侧方动力系统(1’)设置在所述支承板(26)的上方左侧。

9.根据权利要求8所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述远程控制系统包括地面中央控制室、井下无缝漫游基站以及链接二者的光纤网络。

10.根据权利要求9所述的瓦斯高突巷道无人值守自动掘进系统，其特征在于：所述钻杆卡盘(11)采用卡盘电机(30)驱动。