全液压双层结构可避障自动打眼方法及设备与流程

本发明涉及薄煤层综采工作面的打眼作业，具体地说是一种全液压双层结构可避障自动打眼方法及设备。

背景技术：

薄煤层采煤工作面因煤层厚度受限，对综采机械化采煤的三机配套要求极高，但是16煤（平均厚度1.2m）含有零星分布不规律的极其坚硬的硫化铁结核石，对薄煤层综合机械化提出了更加严苛的要求。

目前通常使用的综采工作面采煤机受限于整机外形尺寸及截割功率的限制，遇到硫化铁结核石时无法直接截割破碎，强行截割破碎对设备损伤严重且存在较大的安全隐患，需要人工在工作面进行局部打眼放炮，消除硫化铁结核石的影响。

现在，煤矿采煤生产中基本使用煤电钻、风煤钻、乳化液钻机进行打眼，受制于薄煤层采煤工作面空间闲置，高度超过1.3米的打眼设备也无法作业。由于薄煤层炮采工作面需要大量的人工打眼，在打眼过程中遇到煤层内部的硫化铁结核石时钻机也无法打眼，一处地点工作结束该工作不仅工人劳动强度较大，占用人员多，效率低下，另一方面，设备需要人工移动，增加了工作量，而且在工作面前没有完整支护的情况下打眼也存在一定的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的技术任务是解决薄煤层炮采工作面或含有坚硬结核石的薄煤层工作面人工打眼问题，提供一种全液压双层结构可避障自动打眼方法及设备，通过在工作面自动行走、定位、识别进而实现避障打眼作业，完全代替现有的人工打眼，降低工人劳动强度，提高打眼作业安全性，弥补各种钻具打眼作业的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

全液压双层结构可避障自动打眼方法，该方法基于

一个具有行走系统的机架，机架的侧部对称布置有用于临时支护的可调立柱；

以及布置于机架上方的钻具总成、高清摄像机、液压系统和电控系统；

液压系统为钻具总成提供动力源，电控系统分别连接并控制高清摄像机和液压系统；其中，

钻具总成包括升降平台、滑动连接于升降平台的钻具、固定于升降平台并推动钻具滑动的推拉组件，钻具的钻杆垂直于钻具的滑动方向；高清摄像机固定于钻具，且高清摄像机的摄像端口正对工作面煤壁；电控系统包括PLC电控箱、安装在钻具内部用于监测钻具中钻杆钻进压力的压力传感器、安装在钻具侧部用于检测钻具中钻杆位移量的位移传感器，压力传感器和位移传感器分别由PLC电控箱进行控制；

该方法的打眼步骤包括：

1）在电控系统中设定压力值、压力变化率和位移量，启动行走系统，将机架移动至综采工作面，使钻具的钻杆正对需要打眼的工作面，同时，可调立柱临时支护工作区域，高清摄像机的摄像端口正对工作面煤壁；

2）高清摄像机采集工作面煤壁的图像信息，并进一步将信息传递至电控系统，电控系统的PLC电控箱控制液压系统给钻具总成提供动力源，钻具进行平移或升降运动，以使其钻杆避开暴露在工作面的坚硬结核石；

3）钻具进行打眼作业：当压力传感器和位移传感器的检测数值小于电控系统的设定值时，打眼作业正常进行；当压力传感器和位移传感器的检测数值均大于电控系统的设定值、或者高清摄像机采集的图像信息中有正对钻杆的坚硬结核石时，打眼作业停止进行。

该方法中选用的行走系统为履带式结构，沿着行走系统的履带等间距的布置有多个磁钢，磁钢一侧布置有一个连接电控系统的行走传感器。当一次打眼作业完成后，通过行走系统移动机架，通过行走传感器检测每个磁钢的时间来计算机架的行走长度，并传递至电控系统，以准确到达下一个需要打眼的位置。

在该打眼方法中，钻具总成的数量为至少两个，至少两个钻具总成位于两个不同高度的水平面内，每个钻具总成分别与液压系统相连，每个钻具总成上分别安装着高清摄像机；当其中一个高清摄像机采集到暴露或隐藏在工作面的坚硬结核石时，与该高清摄像机相对的钻具停止打眼作业，其他钻具正常进行打眼作业，实现了钻具的高效打眼。

基于上述全液压双层结构可避障自动打眼方法，本发明还提供一种全液压双层结构可避障自动打眼设备，其结构包括机架，以及布置于机架上方的钻具总成、高清摄像机、液压系统和电控系统，液压系统为钻具总成提供动力源，电控系统分别连接并控制高清摄像机和液压系统。

在现有结构基础上，对此进行改进，为了对打眼的高度进行调节，钻具总成包括升降平台、滑动连接于升降平台的钻具、固定于升降平台并推动钻具滑动的推拉组件，钻具的钻杆垂直于钻具的滑动方向；同时，为了对需要打眼的炮采工作面进行图像采集以实现打眼避障，高清摄像机固定于钻具，且高清摄像机的摄像端口正对工作面煤壁；电控系统包括PLC电控箱、安装在钻具内部用于监测钻具中钻杆钻进压力的压力传感器、安装在钻具侧部用于检测钻具中钻杆位移量的位移传感器，压力传感器和位移传感器分别由PLC电控箱进行控制。

在上述结构的基础上，所涉及机架的下方还布置有辅助行走的行走系统，电控系统与行走系统之间通过有线或无线方式相连。行走系统为履带式结构，行走系统的履带表面布置有多个磁钢和一个行走传感器，多个磁钢沿着履带的前进方向等间距排列，行走传感器位于多个磁钢的侧部。行走中，PLC电控箱通过行走传感器检测每个磁钢的时间来计算行走距离，以使钻具到达下一个需要打眼的位置。

在上述结构的基础上，所涉及钻具总成的数量为至少两个，每个钻具总成分别连接液压系统；至少两个钻具总成平行设置，至少一个钻具总成布置于机架的侧部，至少一个钻具总成布置于机架的中部，且布置于机架侧部的钻具总成低于布置于机架中部的钻具总成，通过将钻具布置于不同的高度位置，在炮采工作面的不同高度进行同时打眼，满足实际打眼需求。

优选，所涉及钻具总成的数量为四个，其中两个钻具总成对称布置于机架的侧部，剩余两个钻具总成对称布置于机架的中部。

在上述结构的基础上，所涉及的升降平台包括水平布置的平台本体、以及位于平台本体下方的至少一个升降油缸，升降油缸竖直放置，升降油缸向下固定于机架，升降油缸向上固定于平台本体。在实际使用中，为了保证平台本体的升降稳定性，在尽可能降低成本的情况下，可以选择同时升降的两个或三个升降油缸。

进一步的，推拉组件选用移动油缸，移动油缸与液压系统相连，移动油缸向下固定于升降平台，移动油缸的伸缩端向外水平延伸并固定于钻具。

在上述结构的基础上，为了对炮采工作面进行支护，机架的侧部对称布置有与液压系统相连的升降支柱，升降支柱选用竖直放置的双侧液压支柱，双侧液压支柱的顶端布置有固定压力传感器，所述固定压力传感器由PLC电控箱进行控制。

本发明的全液压双层结构可避障自动打眼方法及设备与现有技术相比所产生的有益效果是：

1）本发明的可避障自动打眼方法及设备基于高度和水平位移可调节的钻具总成，以方便对炮采工作面的不同高度进行打眼，还基于能对炮采工作面进行图像采集的高清摄像机，以及连接液压系统和高清摄像机的电控系统，再加上行走系统和升降支柱，实现了打眼和自动避障，完全代替现有的人工打眼，降低了工人劳动强度，提高了打眼效率，对炮采工作面进行了临时支护，提高了打眼作业的安全性，弥补了各种钻具打眼作业的不足；

2）本发明的可避障自动打眼方法及设备适合各种厚度薄煤层，尤其是含有坚硬硫化铁结核石的薄煤层综采工作面打眼、自动识别煤层中已揭露的和未揭露的结核石实现避障，高效完成薄煤层炮采工作面或综采面局部快速高效打眼。

附图说明

附图1是本发明打眼设备的结构示意图；

附图2是图1的结构俯视图。

图中各标号表示：

1、双侧液压支柱，2、钻具，3、高清摄像机，4、移动油缸，

5、升降油缸，6、平台本体，7、行走传感器，8、磁钢，9、PLC电控箱，

10、液压系统，11、压力传感器，12、位移传感器，13、行走系统，

14、固定压力传感器，15、钻杆，16、机架。

具体实施方式

下面结合附图1、2，对本发明的全液压双层结构可避障自动打眼方法及设备作以下详细说明。

参考附图1、2，本发明的全液压双层结构可避障自动打眼方法，该方法基于

一个具有行走系统的机架16，机架16的侧部对称布置有用于临时支护的双侧液压支柱1；

以及布置于机架16上方的钻具总成、高清摄像机3、液压系统10和电控系统；

液压系统为钻具总成提供动力源，电控系统分别连接并控制高清摄像机和液压系统；

其中，钻具总成包括升降平台、滑动连接于升降平台的钻具2、固定于升降平台并推动钻具2滑动的移动油缸4，钻具2的钻杆15垂直于钻具2的滑动方向；高清摄像机3固定于钻具2，且高清摄像机3的摄像端口正对工作面煤壁；电控系统属于现有技术，其包括PLC电控箱9、安装在钻具2内部用于监测钻具2中钻杆15钻进压力的压力传感器11、安装在钻具2侧部用于检测钻具2中钻杆15位移量的位移传感器12，压力传感器11和位移传感器12分别由PLC电控箱9进行控制；

该方法的打眼步骤包括：

1）在电控系统中设定压力值、压力变化率和位移量，启动行走系统13，将机架16移动至综采工作面，使钻具2的钻杆15正对需要打眼的工作面，同时，双侧液压支柱1临时支护工作区域，高清摄像机3的摄像端口正对工作面煤壁；

2）高清摄像机3采集工作面煤壁的图像信息，并进一步将信息传递至电控系统，电控系统的PLC电控箱9控制液压系统10给钻具总成提供动力源，钻具2进行平移或升降运动，以使其钻杆15避开暴露在工作面的坚硬结核石；

3）钻具2进行打眼作业：当压力传感器11和位移传感器12的检测数值小于电控系统的设定值时，打眼作业正常进行；当压力传感器11和位移传感器12的检测数值均大于电控系统的设定值、或者高清摄像机3采集的图像信息中有正对钻杆15的坚硬结核石时，打眼作业停止进行。

该方法中选用的行走系统13为履带式结构，沿着行走系统13的履带等间距的布置有多个磁钢8，磁钢8一侧布置有一个连接电控系统的行走传感器7；当一次打眼作业完成后，通过行走系统13移动机架16，通过行走传感器7检测每个磁钢8的时间来计算机架16的行走长度，并传递至电控系统，以准确到达下一个需要打眼的位置。

钻具总成的数量为四个，其中两个钻具总成对称布置于机架16两侧，剩余两个钻具总成对称布置于机架16中部，且位于机架16两侧的钻具总成所在的水平面低于位于机架16中部的两个钻具总成所在的水平面，四个钻具总成分别与液压系统10相连，每个钻具总成上分别安装着高清摄像机3；当其中一个高清摄像机3采集到暴露或隐藏在工作面的坚硬结核石时，与该高清摄像机3相对的钻具2停止打眼作业，其他钻具2正常进行打眼作业。

再次结合附图1、2，基于上述打眼方法，相应的，设计了一种全液压双层结构可避障自动打眼设备，其结构包括机架16，以及布置于机架16上方的钻具总成、高清摄像机3、液压系统10和电控系统，液压系统10为钻具总成提供动力源，电控系统分别连接并控制高清摄像机3和液压系统10。

在现有技术的结构基础上，为了对打眼的高度进行调节，钻具总成包括升降平台、滑动连接于升降平台的钻具2、固定于升降平台并推动钻具2滑动的移动油缸4，钻具2的钻杆15垂直于钻具2的滑动方向。其中，升降平台包括水平布置的平台本体6、以及竖直且对称布置于平台本体6下方的两个升降油缸5，升降油缸5向下固定于机架16，升降油缸5向上固定于平台本体6，保证了平台本体6的升降稳定性。移动油缸4向下固定于平台本体6，移动油缸4的伸缩端向外水平延伸并固定于钻具2。移动油缸4和升降油缸5分别与液压系统10相连。

为进一步提高打眼效率，钻具总成的数量选用四个，每个钻具总成分别连接液压系统10；其中两个钻具总成对称布置于机架16的侧部，剩余两个钻具总成对称布置于机架16的中部，且布置于机架16侧部的钻具总成所处的平面低于布置于机架16中部的钻具总成所处的平面。在炮采工作面，通过将钻具2布置于不同的高度位置，对炮采工作面的不同高度进行同时打眼，满足实际打眼需求。

另一方面，为了对需要打眼的炮采工作面进行图像采集以实现打眼避障，上述的高清摄像机3固定于钻具2，且高清摄像机3的摄像端口正对工作面煤壁。

电控系统的结构包括PLC电控箱9、安装在钻具2内部用于监测钻具2中钻杆15钻进压力的压力传感器11、安装在钻具2侧部用于检测钻具2中钻杆15位移量的位移传感器12，压力传感器11和位移传感器12分别由PLC电控箱9进行控制，这都属于现有技术。

为了方便机架16的移动，机架16的下方还布置有辅助行走的行走系统13，电控系统与行走系统13之间通过有线或无线方式相连。行走系统13为履带式结构，行走系统13的履带表面布置有多个磁钢8和一个行走传感器7，多个磁钢8沿着履带的前进方向等间距排列，行走传感器7位于多个磁钢8的侧部。行走中，PLC电控箱9通过行走传感器7检测每个磁钢8的时间来计算行走距离，以使钻具2到达下一个需要打眼的位置。

为了对炮采工作面进行支护，提高炮采工作面的安全指数，机架16的四个位置对称布置有竖直设置的四个双侧液压支柱1，双侧液压支柱1与液压系统10相连，双侧液压支柱1的顶端布置有固定压力传感器14，固定压力传感器14由PLC电控箱9进行控制。

本发明适合各种厚度薄煤层，尤其是含有坚硬硫化铁结核石的薄煤层综采工作面打眼、自动识别煤层中已揭露的和未揭露的结核石实现避障，高效完成薄煤层炮采工作面或综采面局部快速高效打眼。

本发明的打眼方法及设备基于现有技术的电控系统，通过对PLC电控箱9进行压力和位移量的设定，与压力传感器11、位移传感器12的检测数值进行对比，以进一步有PLC电控箱9控制液压系统10对钻具总成的动力源供应。

本发明的打眼设备开始进行打眼作业前，通过行走系统13移动至需要打眼的炮采工作面，通过调节升降油缸5和移动油缸4，将钻具2的钻杆15正对需要工作面上需要打眼的位置，通过高清摄像机3对需要打眼的工作面煤壁进行图像采集，以使钻具2的钻杆15避开暴露在综采工作面表面的坚硬结核石。同时，还需要调节机架16的四个双侧液压支柱1，使得这四个双侧液压支柱1向上向下支护稳定工作面，确保机架在打眼过程中不发生位移。

在本发明的打眼设备进行打眼作业的过程中，钻具2的钻杆15工作，压力传感器11检测钻杆15承受的压力情况，同时，位移传感器12监测钻杆15的位移量变化，压力传感器11和位移传感器12检测的信息传递至PLC电控箱9进行分析处理。如果在打眼过程中某一个钻具2的钻杆15压力发生突变超过PLC电控箱9的设定值，压力变化率较大且位移量没有发生变化时，电控系统认定为遇到坚硬的结核石，导致钻具2的钻杆15无法继续钻进，则钻具2即可停止作业，钻具2的钻杆15收回，以保护钻具2的钻杆15和马达，但是，此时，不影响其它没有遇到结核石的钻具2继续作业。如果检测到钻具2中钻杆15压力发生突变的时间较短，且钻杆15的位移量也有变化，则可视为没有遇到坚硬结核石，钻具2的钻杆15可继续打眼。当各钻具2的钻杆15位移量达到预定的距离时，视为各自完成打眼，钻具2的钻杆15自动收回。

需要说明的一点是，在钻具2打眼遇到坚硬结核石的过程中，观察高清摄像机3采集的图像信息，如果坚硬结核石的直径或长度不是很大，可以调节升降油缸5和移动油缸4，使钻具2避开此坚硬结核石后在进行打眼作业，如果坚硬结核石的直径或长度很大，则正对该坚硬结核石的钻具2不工作，其余钻具2正常工作。

在本发明完成一次打眼作业后，行走系统13工作，根据每组炮眼之间的距离，PLC电控箱9通过行走传感器7检测每个磁钢8的时间来计算行走距离，以使钻具2到达下一组需要打眼的位置。

还需要说明的一点是，本发明中使用到的电控系统属于现有技术，其可以选用远程控制或近程控制、自动控制或手动控制的控制方式，来完成炮采工作面的打眼作业；作业过程中，工作人员可以根据实际工作环境选择进入或不进入工作面，以保证工作人员的安全。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“布置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。