王清峰，陳 航，周 濤

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.兗煤菏澤能化有限公司，山東 菏澤 274000)

煤炭既是我國的主體能源，又是重要的化工原料。我國既有的煤炭資源相比石油、天然氣較充足，即便在“碳中和、碳達峰”的新背景下，煤炭產(chǎn)業(yè)和消費改革也不可能一蹴而就[1]，必須“立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進煤炭消費轉(zhuǎn)型升級”。因此，在將來較長時間里，煤炭還將在我國能源消費中繼續(xù)發(fā)揮壓艙石的作用。

我國煤礦以井工開采為主，井下復雜的地質(zhì)條件容易產(chǎn)生瓦斯、水害、沖擊地壓等災害，給礦工的生命和煤礦財產(chǎn)造成嚴重的安全威脅。并且隨著開采深度和強度的不斷增加，各種煤礦災害發(fā)生的概率、強度和治理難度也在不斷提高[2-4]。與此同時，鉆探仍是我國勘查、治理各種煤礦災害的重要手段，但是傳統(tǒng)鉆探裝備自動化程度低、勞動強度大、下井人員多，在煤礦其他各領域智能化技術快速發(fā)展的背景下已成為煤礦智能化建設的一大瓶頸。因此，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》《關于加快煤礦智能化發(fā)展的指導意見》等政策文件都將煤礦智能(自動)鉆探技術作為研究與應用的重點之一。

經(jīng)過近50年的潛心耕耘，我國煤礦井下鉆探技術與裝備經(jīng)歷了從引進吸收到自主創(chuàng)新的過程，在自動化方面取得了獨特、顯著的成果。目前，我國的煤礦自動化鉆探技術及裝備已較為成熟，遠程控制、全自動鉆進、全自動裝卸鉆桿等技術及裝備整體達到國際領先水平[1-3,5]，形成了較完善的技術體系和產(chǎn)品系列，保障了井下鉆探現(xiàn)場人員安全，促進了煤礦智能化發(fā)展。

1 自動化鉆進技術與裝備發(fā)展歷程

20世紀70年代，隨著煤礦機械化技術的引進與應用，原有的鉆探設備已經(jīng)難以滿足井下地質(zhì)勘探與瓦斯抽采等生產(chǎn)需求，我國開始引進國外先進的坑道回轉(zhuǎn)鉆機；20世紀80年代，首次成功研發(fā)了全液壓回轉(zhuǎn)動力頭煤礦鉆機，開啟了煤礦井下鉆機的自主發(fā)展之路；20世紀90年代開始，我國自主研發(fā)的煤礦井下鉆機逐步完善、穩(wěn)定，并廣泛應用于國內(nèi)煤礦的各種工程孔施工，基本替代了進口裝備。傳統(tǒng)的煤礦井下鉆機為災害治理和安全保障發(fā)揮了重要作用，但是隨著煤礦智能化建設的推進，其自動化程度較低、勞動強度大、下井人員多、存在明顯安全隱患等不足也逐步暴露。煤礦井下鉆機急需自動化升級，使操作人員操作鉆機時不再暴露于井下危險區(qū)域，不再一味依靠人力來堆積鉆進進尺與效率，不再單純依靠人員經(jīng)驗判斷工況狀態(tài)。因此，自動化成為煤礦井下鉆機技術與裝備發(fā)展的首要目標。

1.1 井下遠程電控式手動操作階段

2007年，煤炭科學研究總院重慶研究院承擔了國家發(fā)改委項目，開展“防突遠距離控制鉆機研制及配套工藝”的研究，旨在通過開發(fā)鉆桿裝卸裝置、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠距離控制系統(tǒng)、履帶行走裝置等關鍵技術，形成一套適用于突出煤層瓦斯防突鉆孔施工的遠距離控制技術與裝備。通過該項目，研制成了一套基于電液控制系統(tǒng)的履帶式防突液壓遠程控制鉆機(見圖1)，開發(fā)出了適用于煤礦井下鉆機的鉆桿裝卸機械化裝置、基于有線信號傳輸?shù)倪h程視頻監(jiān)控與遠距離控制系統(tǒng)、履帶行走裝置等技術或系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下鉆機的150 m電控遠程操作與視頻監(jiān)控，以及近水平、機械化裝卸鉆桿，對于提高瓦斯突出區(qū)域鉆孔施工的安全性具有重要意義，為后續(xù)井下自動化鉆進技術的研發(fā)提供了重要參考[6-7]。

圖1 履帶式防突液壓遠程控制鉆機

以防突遠距離控制鉆機為基礎，通過科技部科研院所專項“突出煤層鉆孔遠距離控制技術與裝備”獲得了豐碩的成果：優(yōu)化了鉆桿裝卸裝置，首創(chuàng)了無級調(diào)速動力頭結(jié)合鉗式雙夾持器的中間裝卸鉆桿系統(tǒng)；研發(fā)了鉆桿低損耗接卸扣技術，大幅減輕了接卸扣過程中鉆桿接頭的磨損；開發(fā)了聯(lián)動式電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了動力頭、給進油缸與夾持器動作的聯(lián)動控制，突破了鉆進過程的半自動作業(yè)難題；進一步提高了防突液壓遠程控制鉆機的機械裝置及遠程控制系統(tǒng)的可靠性。

井下遠程電控式手動操作階段的研究成果基本解決了煤礦井下鉆機電控化遠程控制與視頻監(jiān)控的問題，并在鉆桿裝卸執(zhí)行裝置、自動化鉆進技術等方面有所突破，為提高井下鉆機的安全性與自動化程度奠定了技術基礎。但是，受到當時網(wǎng)絡技術的限制，該階段的遠程控制技術采用有線網(wǎng)絡，范圍局限在井下距離鉆機幾百米內(nèi)，鉆進適用工況范圍也僅為近水平傾角。

1.2 地面遠程電控式手動操作階段

井下遠程電控式手動操作類鉆機雖然在安全性方面較傳統(tǒng)液壓鉆機有所提高，但是其控制距離仍然局限在井下，無法滿足減少下井人員的需求。因此，發(fā)展地面控制井下鉆機技術，將控制裝置轉(zhuǎn)移到地面成為了煤礦井下自動化技術發(fā)展的新方向。

2008年，煤炭科學研究總院重慶研究院承擔了國家科技重大專項課題“地面控制井下瓦斯抽采鉆機鉆進技術與裝備”，項目成果“地面控制井下瓦斯抽采鉆機”(見圖2)填補了多項技術空白：首創(chuàng)煤礦井下鉆機地面遠距離控制技術，實現(xiàn)了在幾十公里之外的地面控制井下鉆機施工，并可實時進行數(shù)據(jù)、視頻、語音的雙向通訊；首創(chuàng)用于煤礦鉆機鉆桿裝卸系統(tǒng)的自適應定位技術，提高了遠程控制的鉆桿定位準確性；首創(chuàng)煤礦井下鉆機防卡鉆技術，使鉆機可在具有嚴重卡鉆危險的情況下停止鉆進。

圖2 地面控制井下瓦斯抽采鉆機

與井下遠程電控式手動操作階段的“防突液壓遠程控制鉆機”相比，“地面控制井下瓦斯抽采鉆機”在遠程控制技術方面有了飛躍式的進步：將操作人員轉(zhuǎn)移到了地面，安全性大幅提高，并且減少了下井作業(yè)人數(shù)。該階段的自適應鉆桿裝卸定位技術、防卡鉆技術及負載敏感電液控制技術等成果成為了后續(xù)鉆桿自動裝卸技術、自動鉆進技術及智能防卡鉆算法的雛形，具有十分重要的意義。

1.3 地面遠程自動控制階段

為了在地面遠程控制的基礎上進一步減少下井作業(yè)人數(shù)，中煤科工集團重慶研究院有限公司依托“十二五”國家重大專項“松軟突出煤層螺旋鉆進技術與裝備的研究”，以鉆進過程自動化為核心，成功研制出“地面遠距離自動控制鉆機”[8-9]。

該鉆機采用了“簡易機械手”加“滑動選列式鉆桿箱”雙運動組合，首次實現(xiàn)較大傾角范圍(0°～45°)的全自動裝卸鉆桿；采用壓力、流量、位置、位移等多種傳感器對液壓系統(tǒng)和執(zhí)行機構狀態(tài)進行監(jiān)測，結(jié)合自動控制程序，實現(xiàn)了鉆進過程、鉆桿裝卸及姿態(tài)調(diào)節(jié)的全自動執(zhí)行；進一步完善了地面遠程控制技術，開發(fā)了多媒體地面控制站(見圖3)，豐富了視頻監(jiān)控與參數(shù)監(jiān)測手段，并實現(xiàn)遠控移機和錨固。

圖3 多媒體地面控制站

與前述各階段單從控制距離入手以減少下井人數(shù)不同，地面遠距離自動控制鉆機實現(xiàn)了鉆進過程、鉆桿裝卸等鉆孔主要工序的自動化，在現(xiàn)場試驗中基本實現(xiàn)了鉆孔過程的人工“零介入”，開辟了煤礦井下“減人增效”和自動化鉆進裝備產(chǎn)業(yè)化的新方向。但是，地面遠距離自動控制鉆機的可靠性，以及施工效率與現(xiàn)場需求有較大差距。

1.4 全自動鉆進結(jié)合單臂鉆桿自動裝卸系統(tǒng)階段

為推進煤礦鉆探工程的自動化，加快推進煤礦轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)煤炭安全、高效、綠色開采，從2014年起，中煤科工集團重慶研究院有限公司以地面遠距離自動控制鉆機為原型，開展了一系列面向現(xiàn)場需求、以提高鉆機可靠性和效率為主要目標的研究，在國內(nèi)率先開發(fā)了“煤礦自動鉆機”系列產(chǎn)品。2015年，首臺采用單個關節(jié)式機械手鉆桿裝卸系統(tǒng)的ZYWL-4000SY型雙履帶自動鉆機(見圖4)在淮南礦業(yè)的成功推廣應用，也標志著國內(nèi)煤礦自動化鉆探裝備進入產(chǎn)業(yè)化時代。

圖4 ZYWL-4000SY雙履帶自動鉆機主機

在地面遠程控制的基礎上，結(jié)合煤礦井下鉆孔施工實際情況，ZYWL-4000SY型雙履帶自動鉆機配置了井下無線遙控裝置，實現(xiàn)了井下50 m內(nèi)的可視化遙控操作，并可與地面控制站隨時切換,實現(xiàn)了雙模式安全遠控。采用單個3自由度門框式機械手加開放框架式鉆桿箱的組合，實現(xiàn)了-20°～+90°傾角鉆桿自動裝卸，首次實現(xiàn)了負傾角與大傾角工況下的鉆桿自動裝卸。該鉆桿自動裝卸系統(tǒng)更能適應鉆場惡劣環(huán)境，大幅提高了鉆桿自動裝卸效率及可靠性。以“十一五”防卡鉆技術為基礎，采用加權賦值算法實現(xiàn)卡鉆概率量化計算，初步實現(xiàn)了智能防卡鉆。

現(xiàn)場應用表明，使用該自動鉆機單班只需2人即可完成施工，減人50%，總體效率較傳統(tǒng)鉆機提高20%以上。

1.5 全自動鉆進結(jié)合雙臂鉆桿自動裝卸系統(tǒng)

前一階段的產(chǎn)品雖然對煤礦井下鉆探工程減人、增效、強安發(fā)揮了較好的促進作用，但是在現(xiàn)場批量應用中也暴露了鉆桿箱容量較小、鉆桿裝卸效率不高、部分傳感器穩(wěn)定性較差等不足，這些不僅影響了自動鉆機連續(xù)施工時間，也間接降低了施工效率。因此，促進自動鉆機技術升級的研究勢在必行。

自2016年起，陸續(xù)開展了電液控制系統(tǒng)優(yōu)化、傳感器防護升級、關鍵結(jié)構部件優(yōu)化、自動裝卸鉆桿并行流程等一系列技術升級研究，結(jié)合2017年立項的重慶市重點產(chǎn)業(yè)共性關鍵技術創(chuàng)新專項“煤礦井下遙控智能鉆進技術及裝備研發(fā)”，實現(xiàn)了自動鉆機技術的全面升級，以及穩(wěn)定性、可靠性的大幅提升。同時，創(chuàng)新研發(fā)的大容量、雙機械手鉆桿裝卸系統(tǒng)大幅提高了自動鉆機的鉆進續(xù)航能力，進一步減少了鉆進過程中的人員介入[10-11]?；茨系V業(yè)、淮北礦業(yè)應用配備該套系統(tǒng)的ZYWL-4000Y全方位型自動鉆機(見圖5)建立了“三臺一組”自動鉆機生產(chǎn)線，實現(xiàn)了鉆孔過程1人值守，單班4人即可運行3臺自動鉆機，鉆機班組減人近60%，人均效率提高超過150%。

圖5 ZYWL-4000Y全方位型自動鉆機

全方位型自動鉆機與前一階段形成的常規(guī)型自動鉆機優(yōu)勢互補，適用于不同巷道條件，從而形成了自動鉆機兩大系列產(chǎn)品，已在國內(nèi)30多個煤礦推廣應用100多臺套。

2 煤礦現(xiàn)場對鉆進技術的新需求

隨著多項煤礦智能化政策的發(fā)布與落實，煤礦現(xiàn)場對自動鉆機要求越來越高，一線人員通過日積月累的現(xiàn)場經(jīng)驗，提出了各種現(xiàn)場急需解決的新問題：

1)現(xiàn)有自動鉆機在施工過程中可以采集自身狀態(tài)參數(shù)，但是還無法感知孔內(nèi)地質(zhì)構造、瓦斯參數(shù)、地壓參數(shù)等災害防治的重要環(huán)境參數(shù)；

2)自動鉆機采集的狀態(tài)參數(shù)只是為其自身調(diào)節(jié)鉆進狀態(tài)提供依據(jù)，未能與災害防治結(jié)果形成閉環(huán)；

3)目前國內(nèi)的自動鉆機普遍采用回轉(zhuǎn)鉆進方式鉆孔，鉆進軌跡無法實時測量，也不可控，而現(xiàn)有的定向鉆機軌跡可控，但是自動化程度較低，現(xiàn)場急需軌跡可測、可控的自動定向鉆進裝備，以實現(xiàn)煤礦災害精準防控；

4)現(xiàn)有自動鉆機的移機和孔口除渣等輔助工序?qū)θ斯さ囊蕾嚩热匀惠^高，而這些輔助工序耗費時間多，勞動強度大，鉆機操作安全性較差，急需提高其自動化程度；

5)現(xiàn)有自動鉆機的施工模式為“單兵作戰(zhàn)”，鉆機與鉆機之間、鉆機與其他裝備之間不能夠共享各自采集到的信息，限制了煤礦災害防治整體水平的提高。

3 自動化鉆進技術發(fā)展趨勢

自動化的高級階段必然向智能化發(fā)展，根據(jù)現(xiàn)場提出的新需求、基礎技術的新發(fā)展及各種技術融合的新態(tài)勢，煤礦自動化鉆進技術將主要向智能感知、數(shù)據(jù)融合利用、鉆進軌跡控制、自動施工體系化等智能化方向發(fā)展。

3.1 鉆進狀態(tài)及工況智能感知技術

現(xiàn)有自動鉆機可以對其自身的關鍵參數(shù)進行實時采集，據(jù)此分析卡鉆、抱鉆的可能性，并進行鉆進參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。但是，自動鉆機要向智能化發(fā)展，能夠?qū)崟r感知孔內(nèi)工況參數(shù)、鉆場環(huán)境參數(shù)，以及更加豐富的鉆機狀態(tài)參數(shù)是必須要攻克的技術難題。

通過地質(zhì)雷達或者參數(shù)反演的方法對孔內(nèi)煤巖類型、地層特性等地質(zhì)信息進行感知，為快速、準確地調(diào)節(jié)鉆進參數(shù)提供更為可靠的依據(jù)[12-15]。在鉆具上集成特定傳感器，對瓦斯參數(shù)、圍巖壓力參數(shù)及巖層含水量等參數(shù)進行感知，為鉆孔設計優(yōu)化及災害精準防治提供主要依據(jù)。應用視覺識別、動態(tài)判識、傳感數(shù)據(jù)融合分析等技術，使自動鉆機具有現(xiàn)場環(huán)境感知功能，可對現(xiàn)場瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度，以及意外人員闖入等情況進行感知，并進行緊急停機、報警告知及遠程呼叫等應急操作。同時，所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)實時傳輸?shù)矫旱V安全監(jiān)控系統(tǒng)，為隱患排查和安全規(guī)劃提供第一手現(xiàn)場資料。

3.2 工況參數(shù)與環(huán)境參數(shù)融合利用技術

現(xiàn)有自動鉆機的工況參數(shù)僅用于自身鉆機參數(shù)的優(yōu)化、調(diào)節(jié)，監(jiān)測的瓦斯?jié)舛纫矁H用于現(xiàn)場安全預警，未能應用于瓦斯抽采達標、沖擊地壓評估等災害防治評價系統(tǒng)，“鉆探”與“防治”處于一個相對脫節(jié)的狀態(tài)，造成了鉆探工程資源的浪費。

近幾年，大數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)融合,以及區(qū)塊鏈等數(shù)據(jù)技術的發(fā)展為感知參數(shù)與災害防治評判的融合提供了技術基礎。通過自動鉆機的網(wǎng)絡化遠程控制系統(tǒng)，將感知的工況及現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)上傳；開發(fā)相應的參數(shù)反演模型、智能評估算法，將感知參數(shù)與災害發(fā)生概率或級別進行匹配，并將相關評估結(jié)果同時推送至煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)與其他智能化施工設備(采煤機、掘進機、支護設備等)，從而實現(xiàn)“鉆探感知參數(shù)”為煤礦安全工程所用。

3.3 鉆孔軌跡自動測量與控制技術

目前，國內(nèi)外煤礦自動化鉆機均采用回轉(zhuǎn)鉆進原理，尚不具備軌跡測量與控制，即定向鉆進功能。而現(xiàn)有的定向鉆機自動化程度又普遍較低，定向鉆桿質(zhì)量一般比回轉(zhuǎn)鉆機大得多，但是由于定向鉆機缺少鉆桿自動裝卸系統(tǒng)，因此鉆桿裝卸環(huán)節(jié)的勞動量極大，安全性較差。此外，現(xiàn)有定向鉆機的軌跡調(diào)節(jié)與鉆進控制也缺乏相應的自動化技術，完全依靠人員經(jīng)驗，不符合煤礦智能化發(fā)展的趨勢。

因此，多家國內(nèi)大型煤炭企業(yè)提出了為自動鉆機賦予定向鉆進功能的迫切需求，以中煤科工集團重慶研究院有限公司和中煤科工集團西安研究院有限公司為代表的煤礦安全科技企業(yè)也主動承擔起了相關技術開發(fā)的責任。其中，鉆孔軌跡自動測量與控制技術是實現(xiàn)定向鉆進自動化的重中之重。在現(xiàn)有鉆孔軌跡測量技術的基礎上，優(yōu)化條件判斷算法和數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)軌跡測量的快速判斷與傳輸，滿足與自動鉆進匹配的快速、準確、自動測量[16-19]的要求。同時，應用電液比例精確控制、自動反饋修正算法，以及強力轉(zhuǎn)矩傳感器等最新技術，實現(xiàn)工具面向角自動、準確調(diào)節(jié)，擺脫鉆孔軌跡控制對人員經(jīng)驗的依賴。

3.4 鉆孔作業(yè)線自動化體系建設

現(xiàn)有自動鉆機所使用的鉆具仍為傳統(tǒng)鉆具，使用壽命難以估算；未配套自動化的鉆渣處理或轉(zhuǎn)運裝置，鉆孔過程中現(xiàn)場必須配備人員進行孔口除渣與轉(zhuǎn)運；鉆機的故障診斷與排除必須依靠人員進入現(xiàn)場處理。因此，每臺自動鉆機仍需獨立配備值守人員，方可保證鉆孔施工正常開展。

對于煤礦災害防治而言，“有人值守”模式限制了現(xiàn)場安全水平和施工效率的進一步提高。即使將來以“智能鉆孔機器人技術”進一步提高移機轉(zhuǎn)場、開孔定位、鉆孔過程控制等環(huán)節(jié)的智能化水平，如果孔口除渣及鉆具維護等重要配套工序的自動化技術不能解決，“有人值守”的模式依舊難以改變。因此，研究鉆具、鉆渣處理及故障診斷等鉆進配套工序的自動化技術，實現(xiàn)鉆孔前、中、后全流程的自動化，建設鉆孔作業(yè)線自動化體系，可使“有人值守”模式向“有人巡檢”模式發(fā)展，進一步減少鉆孔現(xiàn)場人員需求。

開發(fā)適用于鉆孔惡劣工況的鉆桿信息微型存儲芯片與讀寫裝置，研究鉆具壽命管理與預警算法，實現(xiàn)鉆具關鍵信息追溯，以及鉆具壽命智能化預警；研究集成式集渣器、鉆渣固液分離機、自動化轉(zhuǎn)運裝置等設備，實現(xiàn)鉆渣從孔口到歸集處的自動、清潔、高效處理，改善鉆孔現(xiàn)場環(huán)境，減輕除渣工序的勞動強度；基于自動鉆機傳感器系統(tǒng)，研究故障監(jiān)測系統(tǒng)，并建立故障診斷及處理專家數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)自動化設備的故障自動診斷、處理及預警，減少典型故障對人工判識的依賴，降低維保難度，提高維保效率。

4 結(jié)語

多年以來，我國煤礦井下自動化鉆進技術及裝備持續(xù)發(fā)展，取得了顯著的進步，獲得了一系列重大成果，實現(xiàn)了由模仿、學習到創(chuàng)新引領的可喜轉(zhuǎn)變，為煤礦安全生產(chǎn)、轉(zhuǎn)型升級和智能化建設做出了重要貢獻。隨著“少人則安，無人則安”理念，以及煤礦智能化建設的不斷深入，煤礦對自動化鉆進技術及裝備的需求必然有增無減，對其技術水平的要求必然越來越高，相關技術的研發(fā)依然任重道遠。智能化、機器人化將是自動化技術發(fā)展的下一階段，也是促進煤礦安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的更優(yōu)的解決方案。因此，在持續(xù)優(yōu)化已有自動化鉆進技術及裝備的同時，著手開發(fā)下一代智能化技術所需的基礎理論、技術及關鍵元件，為煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)在和未來保駕護航，成為煤礦鉆探人的新使命。