ZDY4500LFK 全自动钻机开发与应用

董洪波，范 强，李 坤，马 斌

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

2020 年3 月八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，提出到2025 年，大型煤矿和灾害严重煤矿基本实现智能化，形成煤矿智能化建设技术规范与标准体系，实现开拓设计、地质保障、采掘（剥）、洗选物流等系统的智能化决策和自动化协同运行，到2035 年各类煤矿基本实现智能化的发展蓝图[1-2]。透明地质保障系统的成功构建是实现智能化采掘的基础[3-4]，钻机作为透明地质保障系统构建的重要装备之一，其施工安全性、劳动强度及可靠性高低对透明地质保障系统是否能够快速、高效、精准构建有很大的影响[5-6]。

常规分体式煤矿坑道钻机和履带式钻机没有自动加卸钻杆功能，而且需要人工近距离手动操作，存在操作复杂、工作效率低、劳动强度大等问题[7-9]。自2016 年以来，中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称“西安研究院”）、中煤科工集团重庆研究院有限公司（以下简称“重庆研究院”）相继开发了ZDY4300LK、ZYWL-4000Y 等型号自动化钻机，且已开展工业性推广，但在应用中部分机型可靠性较低、自动化程度有待提高[10-11]，操作方式均为近距离遥控操作，不能将钻孔施工人员从有瓦斯突出、水害等威胁的矿井下解放出来。为此，笔者研发了ZDY4500LFK全自动钻机（以下简称“全自动钻机”）及其配套地面监测和控制系统，提出了钻机的结构设计方案、监测和控制系统的功能组成和实施方案，根据钻机在淮河能源西部煤电集团唐家会煤矿（以下简称“唐家会煤矿”）透明地质保障系统构建应用中遇到的问题，提出了技术性解决方案，可为同行研究与开发提供参考。

1 结构设计方案

为了满足更多的煤矿巷道尺寸要求，钻机单体尺寸应尽可能小，因此全自动钻机采用分体式布局，分为泵车和钻车。如图1 所示，泵车搭载电机泵组、油箱、冷却器等，为钻车提供动力。如图2 所示，钻车主要由4 大部件组成：主机、送杆机械手、转运器、和补杆装置。主机沿钻进轴线进行全自动钻进和起钻作业[12]。送杆机械手通过摆动实现钻杆在主机钻进轴线和转运器之间的输送[13]。转运器调整钻杆沿钻进轴线和杆仓的对正精度。补杆装置实现沿杆仓垂直方向钻杆的抓取和沿杆仓水平方向钻杆的输送。补杆装置杆仓为模块化平台设计[14]，分别可搭载容量为45、100、200 根钻杆的3 种杆仓。钻机电液控制系统控制上述4 大部件协同钻孔，整个钻孔过程无需人工加卸钻杆，一次性最多可全自动加卸200 根钻杆。

图1 泵车系统主要组成Fig.1 Main system composition of the pump truck

图2 钻车主要系统组成Fig.2 Main system composition of the drilling rig

唐家会煤矿透明地质保障系统构建钻孔施工中钻机功能要求是：匹配远距离遥控操作、施工-30°以内的负角度钻孔等工艺要求。因此，设计钻机的主要性能参数见表1。

表1 钻机主要性能参数Table 1 Main performance parameters of the drilling rig

2 监测和控制系统组成及方案

全自动钻机地面监测和控制系统主要由主控系统、远控系统、网络传输系统3 大部分组成[15-16]。钻机主控系统主要包括以PLC 为核心的控制器、扩展IO 模块、电磁阀组、传感器组等。控制器实现钻机本体的数据采集和电磁阀组的控制。远控系统由以单片机为核心的控制台与远程监测服务器组成，控制台面板上设计有与钻机功能对应的开关量拨档开关和模拟量电控手柄，通过开关和手柄给全自动钻机发出控制指令，远程监测服务器安装有钻机远程参数和视频监测软件，进行整个钻机运行状态、参数及故障的监测。网络传输系统由CAN 转以太网、以太网转CAN 的2 种转换模块、环网交换机及井下万兆环网组成。

地面监测和控制系统利用传感器技术，总线技术，网络通信和视频监测等技术实现了地面控制井下全自动钻机[17]。监测系统组成和方案如图3 所示，主控系统通过总线、RS485、模拟量及开关量采集接口将压力、位移、温度、液位及甲烷检测仪等传感器采集的数据信息进行采集、解析和转换后，将全部数据转换为CAN 信号，再由CAN 转以太网模块通过数据协议转换为网络数据，最后通过井下环网交换机和万兆环网传输到地面服务器。为了监视钻机动力头、机身位置、机械手动作、钻场施工工况等信息，施工现场布置4 路摄像仪，摄像仪直接接入井下环网交换机，将钻机现场信息传到地面服务器上，实现地面监测。

图3 监测系统组成和工作原理Fig.3 Composition and working principle of the monitoring system

控制系统组成和方案如图4 所示，根据地面监测系统反馈的钻机运行时的参数及视频，拨动远控系统控制台的开关或手柄，开关和手柄信号经过调理后进入单片机，单片机进行信号解析和转换后通过地面环网和井下万兆环网交换机将数据传输到井下，最后通过以太网转CAN 转换器将网络数据转换为总线数据，传输给主控系统控制器，控制器输出驱动电流驱动电磁阀换向，从而来实现钻机全自动施工作业。

图4 控制系统组成和工作原理Fig.4 Composition and working principle of the control system

3 关键技术研究

3.1 补杆装置杆仓列定位技术

由杆仓和机械手组成的补杆装置二维示意图如图5 所示，沿X轴、Y轴杆仓列数和层数分别为4、5，沿X轴正向第2、3 列分别放置5 根钻杆。由于钻杆直径为73 mm，补杆装置杆仓列宽设计为76 mm。如图5 虚线手爪所示，手爪固定端厚度为13 mm，所以杆仓之间隔板厚度设计为16 mm，即要求手爪抓杆定位控制精度在3 mm 以内，如图5 局部放大图所示。为实现补杆装置机械手滑移到杆仓每一列的精准定位，即定位精度在3 mm 以内，沿图5X正方向布置了一种位移传感器来采集杆仓每列精准定位值。

图5 补杆装置示意图Fig.5 Schematic diagram of reinforcing rod device

由传感器实验测试后，标定沿X轴正方向4 列精准定位值分别为Z1、Z2、Z3、Z4，传感器实时采集值为P，由于传感器沿X轴正方向采集值减小，因此当机械手抓取第二列钻杆时满足|P-Z2|<3 条件，便可实现第二列精确定位，即为图5 中实线手爪抓杆情况。若不满足|P-Z2|<3 条件，如图5 中虚线手爪所示，出现手爪抓杆时与第三列钻杆干涉的现象。针对此现象，设计了杆仓列定位PID 算法[18-19]，以Z2为设定目标值，进入PID 调节程序，通过提前设置好的比例、积分、微分系数，控制器发出指令，使补杆装置以一定的速度在Z2处来回调节，直至满足|P-Z2|<3 条件，即实现了补杆机械手第二列的准确定位，列定位控制流程如图6所示。

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

3.2 自动接卸扣技术

全自动钻机钻进和起钻过程中的加、卸钻杆必须通过主机的主动钻杆与孔内钻杆的接、卸扣来完成。钻进过程中每新加 1 根钻杆，主动钻杆分别经过1 次接扣和卸扣过程。同样，起钻过程中每卸下1 根钻杆，主动钻杆也需要经过1 次接扣和卸扣过程。在唐家会煤矿施工孔深146 m 的钻孔，根据单根钻杆有效长度750 mm 计算得出共需要195 根钻杆，由以上所述可知从开始钻进至起钻完成，主动钻杆总共需要接扣、卸扣780 次，然而每根钻杆接、卸扣仅1 次，因此主动钻杆丝扣磨损程度远远超过钻杆的丝扣。主动钻杆丝扣磨损程度越大，会导致主动钻杆与钻杆丝扣咬合不紧，进而导致全自动施工部分环节出错，即导致整个全自动施工不能正常进行。因此，减轻自动化钻机主动钻杆丝扣的磨损程度，成为提高全自动钻机可靠性的保障之一。

通过分析钻机液压控制系统，卸扣时动力头边回转边后退，因此可以将控制慢速钻进的电磁换阀的阀芯机能由O 型更换为Y 型，便可通过回转时给进油缸的浮动，减少丝扣的磨损。当动力头回转卸扣时，给进油缸的油可通过电磁换向阀的中位回油箱，即实现了浮动卸扣功能，减少了卸钻时对主动钻杆丝扣的磨损。

接扣时由于施工不同的倾角钻孔，必须给动力头施加一定的给进力F1，即动力头边正转边推进上扣，然而回转接扣时沿钻杆轴线会产生一定的推进力F2，F1与F2沿钻杆轴线产生较大的合力F加速了主动钻杆丝扣的磨损。为了解决这个问题，如图7 所示，在负载敏感泵1 的控制回路增加了电磁比例溢流阀2，在换向比例阀3 控制马达5 回转接扣时，通过控制程序使溢流阀2 开启，将合力F限制在较低的范围，来达到减少主动钻杆丝扣磨损的目的。电磁比例溢流阀2也可以在钻机施工不同倾角大小的钻孔时，通过遥控器比例手轮匹配推进油缸3 不同的给进力，因此可以在不同倾角均实现减少主动钻杆丝扣磨损的目的。同时，为了提高主动钻杆螺纹抗磨损性能，对其螺纹部分进行碳氮共渗的工艺处理，增强了抗磨损性能。

图7 接扣限压原理图Fig.7 Schematic diagram of buckle voltage limiting

4 试验与应用

4.1 监测与控制系统试验

为了验证地面监测与控制系统的性能，2021 年9 月在唐家会煤矿进行了一个倾角为45°、孔深146 m的探放水孔试验。监测与控制系统如图8 所示，地面1 人根据服务器显示器的监测画面，通过操作控制台进行钻机操作，井下1 人进行钻机辅助工作（钻机行走、稳固、杆仓2 次添加钻杆等）。试验结果表明：钻机性能参数、视频准确性和实时性满足钻机监测要求，地面控制系统控制指令发出后钻机动作未出现明显延时，符合钻机远程控制的需求，即在钻机不出现故障、不进行辅助工作时，地面1 人，井下1 人可完成全自动钻孔施工。

图8 全自动钻机地面监测与控制系统Fig.8 Full automatic drilling rig ground control system

由于在唐家会煤矿施工时顶板淋水较严重，导致钻机除钻进施工外的辅助工作较多，因此，该矿透明地质保障系统钻孔施工时，钻机控制方式是以可视距离内的无线遥控操作为主。

4.2 关键技术应用

2021 年9 月，在唐家会煤矿施工第一个倾角为45°、孔深146 m 的探放水钻孔时，偶发补杆装置机械手在第二列定位不准的现象，分析原因可能是压力波动或强电干扰导致的电磁阀手把的延迟复位。针对此现象，提出了杆仓列定位控制技术，在采用该技术后的钻孔施工中，未出现列定位不准的现象。

2021 年9 月完成上述钻孔时，主动钻杆丝扣磨掉近三分之二。针对此问题，提出了自动接卸扣技术，后续通过现场施工发现：电控比例限压阀8 MPa 时，在唐家会煤矿61301 回风巷口施工完成第二个倾角45°、孔深146 m 的钻孔时，丝扣较之前磨损程度大大减小。

4.3 全自动钻孔施工应用

唐家会煤矿水文地质条件复杂，受顶板砂岩水及底板奥灰水的双重威胁。为满足61301 工作面快速掘进对超前地质情况探测的精度、速度的要求，西安研究院利用随掘地震探测及智能钻探验证的“两探”方案，为掘锚一体机的快速掘进提供地质依据，同时能快速修正地质模型，构建透明地质保障系统。2021 年10 月12 日随掘地震探测出61301 回风巷口顶板有砂岩水威胁，唐家会煤矿地测通防部根据探测结果在61301 工作面设计了两个倾角32°、方位分别为215°、245°，孔深 146 m 的疏放水孔1-1 号、1-2 号，如图9 所示。要求采用全自动钻机验证和疏放61301 工作面顶板砂岩水，设计施工流程为：首先采用ø94 mm 钻头开孔钻进12 m 后起钻，换ø153 mm 钻头扩孔钻进至之前的12 m 处，然后下ø108 mm 套管至11 m 处进行注浆固管和安装闸阀；最后进行ø108 mm 套管承压试验，试验合格后，方可采用ø94 mm 钻头钻进至终孔。

图9 疏放水钻孔设计平面图Fig.9 Plane design drawing of drainage borehole plan

2021 年 10 月20 日早班开始钻孔施工，2 名工人完成钻机稳固、接水管等辅助工作后，由其中一名工人在可视距离内操控无线遥控器，进行全自动钻孔，早班完成扩孔12 m 和注浆、固管工作。凝固24 h 后，10 月21 日早班施工该孔到60 m 时出水，出水量约1 m3/h，钻进施工现场如图10 所示。继续施工到早班结束时，完成了1-1 号孔的钻进，中班换其他2 名工人仅用6 h 完成了全自动起钻，比该矿普通钻机施工速度提高了2 倍。应用结果表明：全自动钻机高效、成功地验证和疏放了随掘地震探测出的顶板砂岩水。唐家会煤矿钻机施工工人也由以前的3～4 人减至2 人，同时大幅减轻了劳动强度。

图10 钻进施工现场Fig.10 Drilling construction site drawing

5 结 论

a.全自动钻机的研制及其配套地面监测和控制系统的开发，提高了钻孔施工的自动化程度，减少了井下施工人员的数量，减轻了工人的劳动强度、提升了施工的安全性。杆仓列定位、自动接卸扣技术的研究，提升了该钻机的稳定性和可靠性；

b.全自动钻机在唐家会煤矿的应用表明：该钻机可以作为透明地质保障系统安全、高效、精准构建的钻孔施工装备；

c.为了进一步提升全自动钻机自动化程度，后续还应该加快开展钻进参数自适应调节，自动开孔、自主行走等关键技术研究，从而推动煤矿井下坑道钻机向智能化目标快速发展。