煤矿瓦斯抽放孔探测装置的概念设计①

王续明 李孝平 张 文

(华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601)

瓦斯抽放是解决矿井瓦斯灾害事故行之有效的措施，根据国家关于煤矿“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理十二字方针，为了大幅度降低瓦斯超限对安全生产的威胁，强制煤矿对本煤层或邻煤层的瓦斯实施预抽，将瓦斯在一定范围内抽出和卸压，以使其压力和蕴藏量降低，尽可能降低突出的可能性，而且抽放的瓦斯可用作燃料，变害为利，对环境也起到了保护作用。钻孔抽放瓦斯具有施工成本低、工作面准备周期短、施工安全性好、有利于瓦斯的综合利用等优点［1］。在煤层内钻孔这道工序目前普遍采用的是液压钻机来完成，钻深一般都可达100m以上，甚至上千米［2］。钻孔达到一定深度后，轴线都会有所弯曲，并且在钻杆退出后，孔壁受到周边压力的作用会发生局部塌落而堵塞钻孔。因此，采用常规的波测法与光测法很难对瓦斯抽放孔的有效深度和孔内状况进行准确检测。

钻孔孔深测量技术和装备的研究还处于起步阶段，在煤矿领域尚无有效的手段和方法来测量钻孔的准确深度，现有方法基本局限于钻孔时计算钻杆的长度，或者成孔后往里捅铁丝、塞木棍等方法测量，费工费时，很不方便。也有不少学者提出了一些新的测量方法，例如通过测量钻头进杆推进油缸的液压油流量来计算钻孔的深度［3］，还有通过测量压入瓦斯抽放孔的压缩空气量来计算深度等［4］，但在应用过程中都存在一些不足，现有的测量方法还是无法做到简便、易行。目前中国煤炭科工集团重庆研究院、沈阳研究院已经开始着手对钻孔孔深测量技术和装备的研究工作。

1 总体方案

瓦斯抽放孔直径一般在60～110 mm之间［5］，本文主要针对直径为70 mm的钻孔进行设计研究。在参考各种孔深测量方法的基础上，结合瓦斯抽放孔的自身特点，提出一种以圆筒型直线电机为动力、沿瓦斯抽放孔蠕动行走、携带多种传感器的检测装置，可以测量成孔的深度、轨迹、图像及其它理化参数。该装置由直线电机直接驱动，无储能元件，行走效率较高。蠕动行走时，采用电磁吸合方式实现初级与次级的循环定位，定位可靠。由于该装置能产生较大的电磁推力，孔内出现的局部微小坍塌、堵塞、排气不畅的地方，可以进行一定程度的修复，从而有效提高抽放孔的利用率。

圆筒型直线感应电动机具有结构简单、运行可靠、响应快、制造成本低廉等优点，且由于其初级、次级绕组不存在端部，提高了绕组的利用率，也消除了横向边端效应。但是直线电机两端不能封闭，所以存在纵向边端效应，为了降低其影响，对于低速高滑差直线的感应电机应使级数2p＞5［8］。

1.1 结构简图

该装置的总体结构简图如图1所示，主要由次级电磁吸合装置1、次级导电层2、钢次级3、导向滑动轴承4、初级轭部5、初级铁心6、初级线圈7、初级电磁吸合装置8、电缆线9、滚动轮10、传感器和摄像系统11等组成。

图1 探测装置的结构简图

初级的轭部为壁厚为3mm的钢管，同时也起到支撑整个电机的作用;初级铁心采用横向叠片式，由圆形硅钢片迭压而成;初级线圈的导线采用高强度漆包线，绕组形式为饼式线圈，单层整距排列;为了降低次级的涡流损耗，又保证一定的机械强度，次级采用钢铜复合次级，即在钢管上镀上一层厚度为1mm的紫铜作为导电层，钢主要起导磁作用。次级采用这种中空的厚壁钢管，不仅可以大大减轻重量，提高电机的效率，而且能有效改善冷却条件。在初级两端分别安装了导向滑动轴承，当初级线圈绕组通以三相对称交流电后，便会在气隙中产生沿直线方向移动的行波磁场［9］，与复合次级产生的感应电流相互作用产生电磁推力，若固定初级或次级中的任何一方，另一方就会沿着导向轴承做直线运动。

1.2 防爆设计

由于煤矿井下环境中存在可燃可爆的气体和固体，所以电气设备必须具备防爆性能。该装置采用隔爆型的设计，其原理是通过隔爆外壳强度及控制隔爆接合面结构参数来实现隔爆目的。设备爆炸时其内部会产生0.5 MPa～2.0 MPa的爆压，将对壳壁产生冲击力。该装置钢管外壳的抗拉强度及壁厚能达到要求。接线盒内的接线板或端子套的绝缘部分采用耐泄痕性分级为Ⅱ级绝缘材料制成。

1.3 主要尺寸和参数

按照参考文献［10］中的设计步骤和计算公式，对该探测装置电机进行了详细设计，限于篇幅省略了详细的设计计算过程，电机的主要尺寸和参数如下:相数m=3，电源相电压U=380 V，频率f=5Hz，级数2p=10，初级外径D3=60mm，初级内径D1=21mm，初级长度L1=530mm，极距τ =45 mm，机械气隙长度δ=1 mm，齿宽bt=5 mm，槽宽b1=10 mm，槽深h1=6.5 mm，每相匝数N= 80，次级铁厚为4 mm，次级导电层紫铜厚度为1 mm，次级长度1100 mm，移动速度V1=2fτ=0.45 m/s，纵向推力F1=200 N，单步行程s=0.5 m。

2 电磁吸合装置的设计

探测器电磁吸合装置方案简图如图2所示，三组电磁吸合装置和三组滚动轮相间均布分布，主要由由壳体1、支撑脚2、弹簧3、永磁体4、电磁铁5、正六方支座6、滚动轮7组成。电磁铁吸合装置采用永磁体与电磁铁的组合方式，通过对电磁铁的控制来实现初级、次级与孔壁的循环固定。电磁铁通电后，产生与永磁体相互排斥的磁场，永磁体在该磁场力的作用下克服弹簧力向外伸出，直到支撑脚与孔壁压紧。当电磁铁断电后，磁场消失，支撑脚在弹簧力的作用下收回壳体内部，同时由于滚动轮的存在能减小机构的运动阻力，提高蠕动运行效率。

图2 电磁吸合装置的结构简图

这种电磁吸合装置具有体积小、响应速度快、可长时间通电、吸着力大等特点［12］，能满足吸附瓦斯抽放孔内壁的要求。而且控制过程比较简单，通过改变电磁铁线圈的电流大小来调整与孔壁的压紧程度，三个电磁吸合装置共用一个控制信号，可实现性强。

3 运动分析

当该探测装置在瓦斯抽放孔内工作时，其蠕动机理如下:初级的电磁吸合装置通电，支撑脚沿径向伸出与孔壁压紧;之后初级线圈供电，次级在行波磁场的作用下向前运动;次级两端安装了限位开关和缓冲装置，当运动到位后，限位开关打开，初级线圈断电，次级在缓冲装置的作用下停稳;接着，次级的电磁吸合装置通电，次级吸合装置的支撑脚伸出与孔壁固定，同时初级的锁合装置断电，支撑脚在弹簧力的作用下收回壳体内部，使初级与孔壁脱离;当初级线圈再次通电时，要改变三相线圈的通电顺序，如果初级固定，那么次级就会反向运动，但是通过前面分析可知，此时与孔壁固定的是次级，所以在行波磁场作用下初级会向前移动靠拢，次级则静止不动，从而实现了一步蠕动。如此循环往复，该装置在孔内能够实现蠕动前进，倒退时的运动过程与前进时相反。移动速度V1=2fτ=0.45 m/s，纵向推力F1=200N，单步行程s=0.5m。

在该装置的前端携带了各种传感器，实时监测孔内瓦斯浓度、温度、压力等相关数据，测量孔的轨迹、形状、深度等几何参数，为技术人员提供重要的资料，确保瓦斯抽放工作有效进行。除此之外，探测装置还配备数字式全景钻孔摄像系统，能够把孔壁三维全景图像拍摄下来，通过电缆线实时将信号传输到监视器，显示拍摄到的视频图像，提供更加丰富和直观的信息［14］。

4 结论

1)在煤矿生产中，钻孔的质量是决定预抽瓦斯的关键，准确而快速地测量瓦斯抽放孔的有效深度和孔内状况，对保证抽放效果具有重大意义。

2)该探测器结构简单，移动速度 V1约为0.45 m/s，行走效率高，对重要数据和参数可以直接测量，精度较高。次级产生的纵向推力F1能达到200 N左右，结合摄像系统，对孔内出现的微小坍塌、堵塞等状况进行一定程度的修复，有效提高抽放孔的利用率，保证抽放效果。

3)该装置还可用于煤矿井下其他的长深钻孔的测量工作，提高探测隐患的精度和效率，这对减少煤炭生产中的不安全隐患、提高生产率都是非常重要的。

［1］ 朱诗山.煤矿瓦斯抽放技术［J］.煤炭技术，2009，28(06):102－103

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