董洪波，范 強(qiáng)，李 坤，馬 斌

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

2020 年3 月八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出到2025 年，大型煤礦和災(zāi)害嚴(yán)重煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)開拓設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障、采掘（剝）、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動(dòng)化協(xié)同運(yùn)行，到2035 年各類煤礦基本實(shí)現(xiàn)智能化的發(fā)展藍(lán)圖[1-2]。透明地質(zhì)保障系統(tǒng)的成功構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)智能化采掘的基礎(chǔ)[3-4]，鉆機(jī)作為透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建的重要裝備之一，其施工安全性、勞動(dòng)強(qiáng)度及可靠性高低對(duì)透明地質(zhì)保障系統(tǒng)是否能夠快速、高效、精準(zhǔn)構(gòu)建有很大的影響[5-6]。

常規(guī)分體式煤礦坑道鉆機(jī)和履帶式鉆機(jī)沒(méi)有自動(dòng)加卸鉆桿功能，而且需要人工近距離手動(dòng)操作，存在操作復(fù)雜、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題[7-9]。自2016 年以來(lái)，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“西安研究院”）、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“重慶研究院”）相繼開發(fā)了ZDY4300LK、ZYWL-4000Y 等型號(hào)自動(dòng)化鉆機(jī)，且已開展工業(yè)性推廣，但在應(yīng)用中部分機(jī)型可靠性較低、自動(dòng)化程度有待提高[10-11]，操作方式均為近距離遙控操作，不能將鉆孔施工人員從有瓦斯突出、水害等威脅的礦井下解放出來(lái)。為此，筆者研發(fā)了ZDY4500LFK全自動(dòng)鉆機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“全自動(dòng)鉆機(jī)”）及其配套地面監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，提出了鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的功能組成和實(shí)施方案，根據(jù)鉆機(jī)在淮河能源西部煤電集團(tuán)唐家會(huì)煤礦（以下簡(jiǎn)稱“唐家會(huì)煤礦”）透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，提出了技術(shù)性解決方案，可為同行研究與開發(fā)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為了滿足更多的煤礦巷道尺寸要求，鉆機(jī)單體尺寸應(yīng)盡可能小，因此全自動(dòng)鉆機(jī)采用分體式布局，分為泵車和鉆車。如圖1 所示，泵車搭載電機(jī)泵組、油箱、冷卻器等，為鉆車提供動(dòng)力。如圖2 所示，鉆車主要由4 大部件組成：主機(jī)、送桿機(jī)械手、轉(zhuǎn)運(yùn)器、和補(bǔ)桿裝置。主機(jī)沿鉆進(jìn)軸線進(jìn)行全自動(dòng)鉆進(jìn)和起鉆作業(yè)[12]。送桿機(jī)械手通過(guò)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆桿在主機(jī)鉆進(jìn)軸線和轉(zhuǎn)運(yùn)器之間的輸送[13]。轉(zhuǎn)運(yùn)器調(diào)整鉆桿沿鉆進(jìn)軸線和桿倉(cāng)的對(duì)正精度。補(bǔ)桿裝置實(shí)現(xiàn)沿桿倉(cāng)垂直方向鉆桿的抓取和沿桿倉(cāng)水平方向鉆桿的輸送。補(bǔ)桿裝置桿倉(cāng)為模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)[14]，分別可搭載容量為45、100、200 根鉆桿的3 種桿倉(cāng)。鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)控制上述4 大部件協(xié)同鉆孔，整個(gè)鉆孔過(guò)程無(wú)需人工加卸鉆桿，一次性最多可全自動(dòng)加卸200 根鉆桿。

圖1 泵車系統(tǒng)主要組成Fig.1 Main system composition of the pump truck

圖2 鉆車主要系統(tǒng)組成Fig.2 Main system composition of the drilling rig

唐家會(huì)煤礦透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建鉆孔施工中鉆機(jī)功能要求是：匹配遠(yuǎn)距離遙控操作、施工-30°以內(nèi)的負(fù)角度鉆孔等工藝要求。因此，設(shè)計(jì)鉆機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

表1 鉆機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the drilling rig

2 監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)組成及方案

全自動(dòng)鉆機(jī)地面監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、遠(yuǎn)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)3 大部分組成[15-16]。鉆機(jī)主控系統(tǒng)主要包括以PLC 為核心的控制器、擴(kuò)展IO 模塊、電磁閥組、傳感器組等?？刂破鲗?shí)現(xiàn)鉆機(jī)本體的數(shù)據(jù)采集和電磁閥組的控制。遠(yuǎn)控系統(tǒng)由以單片機(jī)為核心的控制臺(tái)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)器組成，控制臺(tái)面板上設(shè)計(jì)有與鉆機(jī)功能對(duì)應(yīng)的開關(guān)量撥檔開關(guān)和模擬量電控手柄，通過(guò)開關(guān)和手柄給全自動(dòng)鉆機(jī)發(fā)出控制指令，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)服務(wù)器安裝有鉆機(jī)遠(yuǎn)程參數(shù)和視頻監(jiān)測(cè)軟件，進(jìn)行整個(gè)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)及故障的監(jiān)測(cè)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN 的2 種轉(zhuǎn)換模塊、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)及井下萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)組成。

地面監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)，總線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信和視頻監(jiān)測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地面控制井下全自動(dòng)鉆機(jī)[17]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和方案如圖3 所示，主控系統(tǒng)通過(guò)總線、RS485、模擬量及開關(guān)量采集接口將壓力、位移、溫度、液位及甲烷檢測(cè)儀等傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、解析和轉(zhuǎn)換后，將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN 信號(hào)，再由CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊通過(guò)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣?wù)器。為了監(jiān)視鉆機(jī)動(dòng)力頭、機(jī)身位置、機(jī)械手動(dòng)作、鉆場(chǎng)施工工況等信息，施工現(xiàn)場(chǎng)布置4 路攝像儀，攝像儀直接接入井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，將鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)信息傳到地面服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)測(cè)。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和工作原理Fig.3 Composition and working principle of the monitoring system

控制系統(tǒng)組成和方案如圖4 所示，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)及視頻，撥動(dòng)遠(yuǎn)控系統(tǒng)控制臺(tái)的開關(guān)或手柄，開關(guān)和手柄信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)解析和轉(zhuǎn)換后通過(guò)地面環(huán)網(wǎng)和井下萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄拢詈笸ㄟ^(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN 轉(zhuǎn)換器將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為總線數(shù)據(jù)，傳輸給主控系統(tǒng)控制器，控制器輸出驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電磁閥換向，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)全自動(dòng)施工作業(yè)。

圖4 控制系統(tǒng)組成和工作原理Fig.4 Composition and working principle of the control system

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 補(bǔ)桿裝置桿倉(cāng)列定位技術(shù)

由桿倉(cāng)和機(jī)械手組成的補(bǔ)桿裝置二維示意圖如圖5 所示，沿X軸、Y軸桿倉(cāng)列數(shù)和層數(shù)分別為4、5，沿X軸正向第2、3 列分別放置5 根鉆桿。由于鉆桿直徑為73 mm，補(bǔ)桿裝置桿倉(cāng)列寬設(shè)計(jì)為76 mm。如圖5 虛線手爪所示，手爪固定端厚度為13 mm，所以桿倉(cāng)之間隔板厚度設(shè)計(jì)為16 mm，即要求手爪抓桿定位控制精度在3 mm 以內(nèi)，如圖5 局部放大圖所示。為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)桿裝置機(jī)械手滑移到桿倉(cāng)每一列的精準(zhǔn)定位，即定位精度在3 mm 以內(nèi)，沿圖5X正方向布置了一種位移傳感器來(lái)采集桿倉(cāng)每列精準(zhǔn)定位值。

圖5 補(bǔ)桿裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of reinforcing rod device

由傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，標(biāo)定沿X軸正方向4 列精準(zhǔn)定位值分別為Z1、Z2、Z3、Z4，傳感器實(shí)時(shí)采集值為P，由于傳感器沿X軸正方向采集值減小，因此當(dāng)機(jī)械手抓取第二列鉆桿時(shí)滿足|P-Z2|<3 條件，便可實(shí)現(xiàn)第二列精確定位，即為圖5 中實(shí)線手爪抓桿情況。若不滿足|P-Z2|<3 條件，如圖5 中虛線手爪所示，出現(xiàn)手爪抓桿時(shí)與第三列鉆桿干涉的現(xiàn)象。針對(duì)此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了桿倉(cāng)列定位PID 算法[18-19]，以Z2為設(shè)定目標(biāo)值，進(jìn)入PID 調(diào)節(jié)程序，通過(guò)提前設(shè)置好的比例、積分、微分系數(shù)，控制器發(fā)出指令，使補(bǔ)桿裝置以一定的速度在Z2處來(lái)回調(diào)節(jié)，直至滿足|P-Z2|<3 條件，即實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)桿機(jī)械手第二列的準(zhǔn)確定位，列定位控制流程如圖6所示。

圖6 列定位控制流程Fig.6 Control process of column positioning

3.2 自動(dòng)接卸扣技術(shù)

全自動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)和起鉆過(guò)程中的加、卸鉆桿必須通過(guò)主機(jī)的主動(dòng)鉆桿與孔內(nèi)鉆桿的接、卸扣來(lái)完成。鉆進(jìn)過(guò)程中每新加 1 根鉆桿，主動(dòng)鉆桿分別經(jīng)過(guò)1 次接扣和卸扣過(guò)程。同樣，起鉆過(guò)程中每卸下1 根鉆桿，主動(dòng)鉆桿也需要經(jīng)過(guò)1 次接扣和卸扣過(guò)程。在唐家會(huì)煤礦施工孔深146 m 的鉆孔，根據(jù)單根鉆桿有效長(zhǎng)度750 mm 計(jì)算得出共需要195 根鉆桿，由以上所述可知從開始鉆進(jìn)至起鉆完成，主動(dòng)鉆桿總共需要接扣、卸扣780 次，然而每根鉆桿接、卸扣僅1 次，因此主動(dòng)鉆桿絲扣磨損程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉆桿的絲扣。主動(dòng)鉆桿絲扣磨損程度越大，會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)鉆桿與鉆桿絲扣咬合不緊，進(jìn)而導(dǎo)致全自動(dòng)施工部分環(huán)節(jié)出錯(cuò)，即導(dǎo)致整個(gè)全自動(dòng)施工不能正常進(jìn)行。因此，減輕自動(dòng)化鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿絲扣的磨損程度，成為提高全自動(dòng)鉆機(jī)可靠性的保障之一。

通過(guò)分析鉆機(jī)液壓控制系統(tǒng)，卸扣時(shí)動(dòng)力頭邊回轉(zhuǎn)邊后退，因此可以將控制慢速鉆進(jìn)的電磁換閥的閥芯機(jī)能由O 型更換為Y 型，便可通過(guò)回轉(zhuǎn)時(shí)給進(jìn)油缸的浮動(dòng)，減少絲扣的磨損。當(dāng)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)卸扣時(shí)，給進(jìn)油缸的油可通過(guò)電磁換向閥的中位回油箱，即實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)卸扣功能，減少了卸鉆時(shí)對(duì)主動(dòng)鉆桿絲扣的磨損。

接扣時(shí)由于施工不同的傾角鉆孔，必須給動(dòng)力頭施加一定的給進(jìn)力F1，即動(dòng)力頭邊正轉(zhuǎn)邊推進(jìn)上扣，然而回轉(zhuǎn)接扣時(shí)沿鉆桿軸線會(huì)產(chǎn)生一定的推進(jìn)力F2，F(xiàn)1與F2沿鉆桿軸線產(chǎn)生較大的合力F加速了主動(dòng)鉆桿絲扣的磨損。為了解決這個(gè)問(wèn)題，如圖7 所示，在負(fù)載敏感泵1 的控制回路增加了電磁比例溢流閥2，在換向比例閥3 控制馬達(dá)5 回轉(zhuǎn)接扣時(shí)，通過(guò)控制程序使溢流閥2 開啟，將合力F限制在較低的范圍，來(lái)達(dá)到減少主動(dòng)鉆桿絲扣磨損的目的。電磁比例溢流閥2也可以在鉆機(jī)施工不同傾角大小的鉆孔時(shí)，通過(guò)遙控器比例手輪匹配推進(jìn)油缸3 不同的給進(jìn)力，因此可以在不同傾角均實(shí)現(xiàn)減少主動(dòng)鉆桿絲扣磨損的目的。同時(shí)，為了提高主動(dòng)鉆桿螺紋抗磨損性能，對(duì)其螺紋部分進(jìn)行碳氮共滲的工藝處理，增強(qiáng)了抗磨損性能。

圖7 接扣限壓原理圖Fig.7 Schematic diagram of buckle voltage limiting

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證地面監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的性能，2021 年9 月在唐家會(huì)煤礦進(jìn)行了一個(gè)傾角為45°、孔深146 m的探放水孔試驗(yàn)。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)如圖8 所示，地面1 人根據(jù)服務(wù)器顯示器的監(jiān)測(cè)畫面，通過(guò)操作控制臺(tái)進(jìn)行鉆機(jī)操作，井下1 人進(jìn)行鉆機(jī)輔助工作（鉆機(jī)行走、穩(wěn)固、桿倉(cāng)2 次添加鉆桿等）。試驗(yàn)結(jié)果表明：鉆機(jī)性能參數(shù)、視頻準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足鉆機(jī)監(jiān)測(cè)要求，地面控制系統(tǒng)控制指令發(fā)出后鉆機(jī)動(dòng)作未出現(xiàn)明顯延時(shí)，符合鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制的需求，即在鉆機(jī)不出現(xiàn)故障、不進(jìn)行輔助工作時(shí)，地面1 人，井下1 人可完成全自動(dòng)鉆孔施工。

圖8 全自動(dòng)鉆機(jī)地面監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)Fig.8 Full automatic drilling rig ground control system

由于在唐家會(huì)煤礦施工時(shí)頂板淋水較嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆機(jī)除鉆進(jìn)施工外的輔助工作較多，因此，該礦透明地質(zhì)保障系統(tǒng)鉆孔施工時(shí)，鉆機(jī)控制方式是以可視距離內(nèi)的無(wú)線遙控操作為主。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2021 年9 月，在唐家會(huì)煤礦施工第一個(gè)傾角為45°、孔深146 m 的探放水鉆孔時(shí)，偶發(fā)補(bǔ)桿裝置機(jī)械手在第二列定位不準(zhǔn)的現(xiàn)象，分析原因可能是壓力波動(dòng)或強(qiáng)電干擾導(dǎo)致的電磁閥手把的延遲復(fù)位。針對(duì)此現(xiàn)象，提出了桿倉(cāng)列定位控制技術(shù)，在采用該技術(shù)后的鉆孔施工中，未出現(xiàn)列定位不準(zhǔn)的現(xiàn)象。

2021 年9 月完成上述鉆孔時(shí)，主動(dòng)鉆桿絲扣磨掉近三分之二。針對(duì)此問(wèn)題，提出了自動(dòng)接卸扣技術(shù)，后續(xù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)：電控比例限壓閥8 MPa 時(shí)，在唐家會(huì)煤礦61301 回風(fēng)巷口施工完成第二個(gè)傾角45°、孔深146 m 的鉆孔時(shí)，絲扣較之前磨損程度大大減小。

4.3 全自動(dòng)鉆孔施工應(yīng)用

唐家會(huì)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受頂板砂巖水及底板奧灰水的雙重威脅。為滿足61301 工作面快速掘進(jìn)對(duì)超前地質(zhì)情況探測(cè)的精度、速度的要求，西安研究院利用隨掘地震探測(cè)及智能鉆探驗(yàn)證的“兩探”方案，為掘錨一體機(jī)的快速掘進(jìn)提供地質(zhì)依據(jù)，同時(shí)能快速修正地質(zhì)模型，構(gòu)建透明地質(zhì)保障系統(tǒng)。2021 年10 月12 日隨掘地震探測(cè)出61301 回風(fēng)巷口頂板有砂巖水威脅，唐家會(huì)煤礦地測(cè)通防部根據(jù)探測(cè)結(jié)果在61301 工作面設(shè)計(jì)了兩個(gè)傾角32°、方位分別為215°、245°，孔深 146 m 的疏放水孔1-1 號(hào)、1-2 號(hào)，如圖9 所示。要求采用全自動(dòng)鉆機(jī)驗(yàn)證和疏放61301 工作面頂板砂巖水，設(shè)計(jì)施工流程為：首先采用?94 mm 鉆頭開孔鉆進(jìn)12 m 后起鉆，換?153 mm 鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)至之前的12 m 處，然后下?108 mm 套管至11 m 處進(jìn)行注漿固管和安裝閘閥；最后進(jìn)行?108 mm 套管承壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后，方可采用?94 mm 鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

圖9 疏放水鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.9 Plane design drawing of drainage borehole plan

2021 年 10 月20 日早班開始鉆孔施工，2 名工人完成鉆機(jī)穩(wěn)固、接水管等輔助工作后，由其中一名工人在可視距離內(nèi)操控?zé)o線遙控器，進(jìn)行全自動(dòng)鉆孔，早班完成擴(kuò)孔12 m 和注漿、固管工作。凝固24 h 后，10 月21 日早班施工該孔到60 m 時(shí)出水，出水量約1 m3/h，鉆進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)如圖10 所示。繼續(xù)施工到早班結(jié)束時(shí)，完成了1-1 號(hào)孔的鉆進(jìn)，中班換其他2 名工人僅用6 h 完成了全自動(dòng)起鉆，比該礦普通鉆機(jī)施工速度提高了2 倍。應(yīng)用結(jié)果表明：全自動(dòng)鉆機(jī)高效、成功地驗(yàn)證和疏放了隨掘地震探測(cè)出的頂板砂巖水。唐家會(huì)煤礦鉆機(jī)施工工人也由以前的3～4 人減至2 人，同時(shí)大幅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖10 鉆進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Drilling construction site drawing

5 結(jié) 論

a.全自動(dòng)鉆機(jī)的研制及其配套地面監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的開發(fā)，提高了鉆孔施工的自動(dòng)化程度，減少了井下施工人員的數(shù)量，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提升了施工的安全性。桿倉(cāng)列定位、自動(dòng)接卸扣技術(shù)的研究，提升了該鉆機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性；

b.全自動(dòng)鉆機(jī)在唐家會(huì)煤礦的應(yīng)用表明：該鉆機(jī)可以作為透明地質(zhì)保障系統(tǒng)安全、高效、精準(zhǔn)構(gòu)建的鉆孔施工裝備；

c.為了進(jìn)一步提升全自動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化程度，后續(xù)還應(yīng)該加快開展鉆進(jìn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)開孔、自主行走等關(guān)鍵技術(shù)研究，從而推動(dòng)煤礦井下坑道鉆機(jī)向智能化目標(biāo)快速發(fā)展。