ZDY25000LDK 智能化定向钻进装备关键技术研究

方 鹏，姚 克，王龙鹏，张 锐，孟 瑞，王 松，邵俊杰，刘 璞

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

利用顺煤层钻孔、顶板高位钻孔抽采煤层气是煤矿井下最直接、有效的煤层气抽采方法，其中顺煤层钻孔主要用于采前预抽，顶板高位钻孔主要用于工作面回采时采动区和采空区煤层气抽采，以上两种抽采技术结合，构成了煤与煤层气共采技术体系之一[1]。由于技术与装备的不断进步，以及国家政策的推动，“十二五”期间煤矿区井下煤层气抽采取得了重要进展。但是，我国煤矿区井下煤层气开发仍存在抽采效率和抽采浓度低，发展不平衡等问题，限制了煤矿区井下煤层气工业发展，而抽采技术和装备是制约煤矿区煤层气产业化发展的重要因素[2-3]。如何进一步提高顺煤层定向钻孔钻进速度和煤层钻遇率，提高顶板高位定向钻孔孔径和硬岩钻进效率，从而降低施工成本，提高钻孔利用率和煤层气抽采效率；如何降低工人劳动强度，提高钻孔事故预防能力，与矿井机械化开采相适应，成为当前煤矿井下煤层气抽采的关键。

在国家碳达峰、碳中和目标的推动下，深入推进煤炭资源安全、高效、智能、绿色开采已成为业界共识。为此，国家八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，为加快推动煤矿智能化建设提供了纲领性指引[4]。此外，在煤矿井下钻探施工过程中，司钻人员面临瓦斯、水害、顶板等多种煤矿灾害事故的威胁，为贯彻科技强安专项行动的指导思想，需减少煤矿井下作业人员数量[4-6]。针对井下钻探作业，亟需开发具备智能化的钻探施工装备。

从“十一五”开始，以中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称“西安研究院”）和中煤科工集团重庆研究院有限公司（以下简称“重庆研究院”）为代表的科研单位分别开展了基于防爆电液控制自动化钻机的研制工作，通过“十二五”“十三五”期间的持续完善和产品拓展，逐渐形成了基本可以满足煤矿井下本煤层和穿层钻孔施工的常规回转钻进自动化钻机，可以实现自动化装卸钻杆、遥控自动化钻进、参数实时监测、故障诊断预警、远程数据传输等功能，但对适用于顺煤层超长定向钻孔施工和顶板高位大直径定向钻孔施工的大功率定向钻进装备的智能化工作尚属空白[7-8]。依托“十三五”国家科技重大专项，西安研究院开展了大功率长距离智能化钻探装备的研究工作，通过对钻机关键执行部件、自动装卸钻杆技术、防爆电液控制技术、大流量泥浆泵单元等关键技术的研发攻关，形成了ZDY25000LDK 智能化定向钻进装备，实现了大功率长距离定向钻进装备的自动化和智能化控制，为旋转导向和地质导向施工，以及“以孔代巷”大直径定向钻孔高效施工提供了智能化钻探装备保障[9]。

1 总体技术解决方案

1.1 基本需求分析

利用地质导向和旋转导向钻进系统进行岩层高效钻进施工相对于现有大功率定向钻进装备配套方面有了全面革新，对钻机功能和结构、控制方式、配套钻具组合、需求的泥浆泵量等方面都提出了新的要求。

首先在功能方面，结合旋转导向和地质导向系统及配套施工工艺技术，钻机需具备连续回转、滑动定向、复合钻进等功能，同时还需适配符合以上基本功能的精确控制方法。

其次在能力方面，结合大直径长距离定向钻进施工要求和现场施工环境出发，钻进装备需兼具大能力输出、紧凑布局、高效大流量供液驱动的需要[10]。

最后在控制方面，结合现场自动化控制的实际需求，钻机需具备钻进参数实时监测和灵活调节、配套粗径钻具自动化装卸等目的[11]。

1.2 技术解决方案

在基本需求分析基础上，对钻进装备进行总体技术方案设计，提出基于防爆电液控制技术的煤矿井下长距离定向钻进装备自动化控制和分体紧凑布局设计的集成化解决方案，分别从功能结构、性能参数、控制特性方面进行分析计算，确定主要技术参数见表1。

表1 钻进装备主要技术参数Table 1 Main parameters of the drilling equipment

采用钻机和泵车两体布局形式，创新设计钻机关键执行部件，解决大能力输出、紧凑设计和可靠运行难题；采用多机构协同控制技术，开发液驱换杆机械手，实现钻杆的自动化装卸[12]；基于防爆电液控制和多传感监测技术，开发满足导向钻进工艺精准控制需要的长距离智能化钻进装备电液控制系统，实现装备的自动化控制。

2 智能化定向钻进装备关键技术

基于总体技术解决方案基础，重点需要对包括总体紧凑布局设计、关键执行部件设计、自动装卸钻杆技术、防爆电液控制技术、大流量泥浆泵单元设计等关键技术开展研究，最终实现功能结构、电液系统和控制单元的深度集成。

2.1 分体紧凑布局设计

目前，在煤矿井下钻机主要采用全液压传动方式的模式下，钻机的总体布局形式和其结构功能与应用场景关系紧密。用于大直径钻孔的钻进装备总体布局宽度不宜超过1.6 m，可以满足国内大多数矿井搬迁运输需要。加之自动化装卸钻杆、自动控制钻进、参数监测、高效供液等实际需要，钻机所需具备的可控功能单元较多，需要对回转系统、给进系统、动力系统、加杆系统、液压系统、控制系统、监测系统等进行高度集成化设计，达到整体紧凑布局的要求。为此，对钻机的各子系统进行功能分区，涉及钻进操作的各功能单元组合形成钻机单元，涉及高效供液驱动的系统组合形成泵车单元，达到装备单体紧凑，整体布局灵活的要求，整体布局结构如图1 所示。

图1 钻机总体布局结构Fig.1 Structure of the directional drilling rig

钻机集成主机、液控操纵台、动力泵站、稳固装置、换杆机械手、杆仓单元、吊装系统等功能单元；泵车集成泥浆泵单元、管汇与安全卸荷系统、液压泵站、液控操纵台、起动控制柜等功能单元，两体均通过履带行走解决搬迁移位问题，通过遥控器实现对钻机的集中控制。

2.2 关键执行部件设计

长距离智能化钻进装备关键执行部件主要包括回转器、给进装置、夹持器。其中，对于回转器的设计主要采用模块化设计思想，在实现大能力输出和紧凑设计的同时，重点对其性能进行优化和提升；在此基础上，重点需要对给进装置和夹持器进行设计分析。

2.2.1 长行程给进系统设计

给进系统是驱动孔内钻具向孔底钻头施加钻压的关键执行机构，同时还起终孔后起拔孔内钻具的作用。不同于通孔式回转器结构可以采用合适的给进行程通过反复“倒杆”实现钻杆的连续给进，为了适配机械手自动装卸钻杆功能，优选中间加杆方式便于总体结构布局和功能实现。结合导向钻进系统钻具组合配套要求，为了实现2 200 mm 长行程给进和最小安装距布局，创新设计组合油缸式给进系统，可以满足2 000 mm 长钻杆中间自动装卸需要。

给进系统所能提供的最大给进力和起拔力全部通过托板实现力的传递。工作过程中，给进系统所能提供的最大给进力和起拔力并非给进油缸所能提供的直接作用力，结合给进系统结构特点，还受托板和给进导轨之间的摩擦阻力的直接影响；同时还受到托板与给进机身结构设计参数影响，给进系统简单受力示意图如图2 所示。图中Fz为孔内钻具对给进系统的作用力，单位kN，主要受钻孔深度、钻杆直径、孔壁特性等影响，一般通过孔内钻具的重量作为直接计算依据。

图2 给进系统受力示意图Fig.2 Force diagram of the feeding system

托板与机身导轨之间的摩擦阻力计算公式[13]为：

式中：Ff为托板与机身导轨之间的摩擦阻力，kN；u为示托板与导轨之间的摩擦因数；Fy为给进油缸作用于托板上的作用力，kN；h1为回转器中心离导轨上表面的距离，mm；h2为油缸和托板连接点离导轨上表面的距离，mm；L为托板沿机身导轨方向的长度，mm。

油缸直接作用力的计算公式为：

式中：n为用于给进装置的油缸数量；ηm为给进油缸的机械效率；p为作用于给进油缸进油腔的油压，MPa；Δp为给进系统回油背压，MPa；A1为给进油缸进油腔的作用面积，mm2；A2为给进油缸回油腔的作用面积，mm2。

给进系统所能提供的给进力/起拔力计算公式为：

式中：F为给进系统提供的给进力，kN。

孔内钻具对给进系统的作用力Fz主要受钻孔深度、钻杆直径、孔壁特性等影响，一般直接通过孔内钻具的重量作为直接计算依据。

当F＞Fz时才能保证有足够的作用力传递到孔底钻头处，实现破岩钻进。

式（1）和（2）作为给进系统结构设计的主要依据，分别对托板结构参数、油缸参数等共同核算后确定给进系统结构形式。

2.2.2 大开口双夹持器设计

夹持器作为一种孔口装置，需要在起下钻、拧卸钻杆以及处理孔内事故时承载孔内钻具的重力和钻具的反转矩，其工作的可靠性和夹持动作的灵敏性，直接决定钻探辅助工序的安全和效率，是钻机的重要执行部件。根据智能化定向钻机工作流程，需设计双夹持器结构才能完成钻杆的自动卸扣动作。双夹持器分别用于钻杆夹持和卸扣，需要设计在给进系统机身的前端，主要用于起钻、下钻及拧卸钻杆时夹持孔内钻具，使之处于静止状态，并相互配合实现机械拧卸钻杆，双夹持器结构如图3 所示。

图3 双夹持器结构Fig.3 Structure diagram of the double grippers

双夹持器由前扶正器、卸扣器、夹持器、后扶正器4 部分组成，夹持器和卸扣器均采用碟簧夹紧油压松开的常闭式结构，其所能提供的最大夹持力由液压油缸和压缩碟簧共同提供，需满足钻机反转可靠卸扣需要。夹持器采用上开口形式，可以满足200 mm 大直径钻具的下放需要。

夹持器作为频繁使用的主要受力部件，其夹持器架的强度直接决定了整体的可靠性，对其进行受力分析和优化，以达到最佳使用要求。通过静力学仿真分析，得到夹持器架的应力和应变图如图4 所示。

图4 夹持器架应力和应变Fig.4 Stress and strain diagram of the grippers

根据图中分析结果，变形最大部位发生在夹持器架距离固定端最远处，最大值为0.36 mm；最大应力值为190 MPa，发生在连接架侧板与底板连接处。针对分析中存在的薄弱环节对夹持器架进行优化设计，选用Q550 钢材，提高整体强度，同时在夹持器架底板处，增加连接筋以增强可靠性。

2.3 自动装卸钻杆技术

换杆是钻进施工的重要工序，直接影响到钻机的施工效率。为实现换杆过程的自动化控制，需要设计专用换杆系统，包括换杆机械手、钻杆仓等基本单元。受煤矿井下防爆安全限制，工业用六自由度机器人还无法完全实现功能移植，因此，采用基于防爆电液控制技术的液驱机械手实现钻杆的自动化装卸控制[14-15]。为了简化控制流程，提高深孔定向钻机配套粗径钻具装卸的可靠性，采用平移坐标式原理实现钻杆装卸过程的轨迹控制，采取单排钻杆排放模式，钻杆运行路径如图5 所示。

图中P（x0,y0）钻杆1 的中心，设为钻杆的起始点，需要通过机械手控制运行到夹持器的中心P（xs,ys）点，完成钻杆的加杆控制。受钻机结构的影响，钻杆需要通过中间状态的P（x0,H1）和P（L,H1）两点后，再移动H2的距离才能到达目标点，卸杆过程运行轨迹与加杆过程相反。假设单排钻杆由n根组成，任意一根钻杆都需要从P（nd,y0）点到达P（x0,y0）点后才能执行以上的运行轨迹控制。

图5 中的L和H2基于夹持器结构设计已经确定，需要根据钻杆直径d优选H1参数，进行换杆机械手的设计。机械手通过平移液压油缸实现各关键点的自动控制，钻杆仓单元结合现场布局进行参数n的选取，采用模块化钻杆仓单元可以实现连续机械化更换。

图5 钻杆运行路径Fig.5 Running path diagram of drilling pipes

2.4 防爆电液控制技术

防爆电液控制技术是智能化钻机控制的核心，尤其用于长距离定向钻进施工的装备，电液控制系统需要满足多种执行机构精确控制和多参数监测需要。

2.4.1 液压系统设计

基于安全控制需要，钻机液压系统采用电控为主、液控为辅的冗余设计思想，所有执行机构均通过液压马达或油缸实现驱动。结合旋转导向钻进施工控制需要，设计3 泵开式液压系统。针对钻进系统需具备的回转、给进、上卸钻杆等关键执行动作控制需要，设计钻进系统和换杆系统独立控制回路，采用防爆比例控制技术和负载敏感控制技术，设计快慢2 档切换功能实现回转、钻进动作的独立精确控制；换杆系统和慢速控制系统之间设计上卸钻杆自匹配控制逻辑，实现机械手装卸钻杆过程中钻杆拧卸丝扣的同步精确控制，同时提高拧卸钻杆丝扣过程中，回转和给进动作控制的自适应控制，达到平稳拧卸钻杆和丝扣保护的目的。结合基本需求和功能分析，设计液压系统组成形式如图6 所示。

图6 液压系统组成形式Fig.6 Composition type of the hydraulic system

基于总体技术参数分别对钻机和泵车液压系统关键元件进行计算选型，通过对系统所需流量、压力等计算，确定系统关键元件基本参数见表2。

表2 液压油泵基本参数Table 2 Basic parameters of the hydraulic pump

基于表2 所列液压油泵基本参数分别核算钻机和泵车动力单元驱动功率，钻机和泵车的驱动功率一般根据液压系统在额定工况条件下计算的输入功率作为设计依据，同时综合考虑配套电机选型情况，结合实际钻进工况条件，选取钻机驱动功率160 kW，泵车驱动功率250 kW。

2.4.2 防爆控制系统设计

为满足现场使用需要，采用防爆兼本安型控制系统设计，主机控制单元设计为防爆形式，遥控控制单元设计为本安形式，电液控制系统采用无线传输方式实现系统间的通信，通过开关、手柄等实现控制信号输入，通过电磁阀实现执行机构的控制，钻机控制系统总体组成框架如图7 所示。

图7 控制系统总体组成框架Fig.7 Composition frame diagram of the control system

遥控器接受指令输入后，信号经无线通信传送到主机控制器，主机控制器接受指令后执行对应程序模块，输出控制信号控制电磁阀的开闭或开口大小实现对应执行机构的动作执行，执行机构运动的各项参数经传感器通过CAN 总线传送到主机控制器，并进行信号分析与处理，及时做出执行动作参数调整，同时主机控制器将压力、油温、流量、转矩和转速等参数经CAN 总线传送到显示模块实时显示[16-17]，通过控制系统参数监测模块实现钻机运行参数的实时监测，控制系统显示模块如图8 所示。

图8 系统显示模块Fig.8 Display module of the system

为了实现大直径长距离智能化钻进施工，基于参数实时监测，在分析典型故障基础上设计故障智能识别和诊断系统，结合实际工况分析，确定钻机常见故障诊断类型见表3。

表3 钻机常见故障类型Table 3 Common fault types of drilling rigs

基于常见故障类型分析和典型故障阈值检测，通过故障识别算法设计[18-19]，结合参数实时监测手段，实现钻机运行过程中常见故障的智能识别预警，提高钻机运行的安全性。

2.5 大流量泥浆泵单元设计

针对煤矿井下智能化钻机施工大直径定向长钻孔的要求，根据旋转导向系统动力需求特性曲线，结合钻探施工工艺参数分析，泥浆泵输出参数需要达到最大流量800 L/min 和最高压力12 MPa 时,可以满足大直径钻孔高效钻进的技术需要和经济性要求。基于总体紧凑设计思路，需要选择性能可靠，体积小、功率大的泥浆泵单元，完成其水力端和液力端的合理匹配设计是大流量泥浆泵车设计的关键。

基于上述因素考虑，采用液压直驱方式可以减少中间传动环节，进一步压缩泥浆泵单元的整体尺寸，实现紧凑布局需要。通过对泥浆泵单元最高工作压力pm、最大输出流量Qm、最高输入转速nm、容积效率ηq等相关参数的分析计算[20]，确定泥浆泵单元在最高压力和流量工况下的最大输入转矩Tm，再结合输入转速nm进行动力驱动单元的设计匹配。优选径向低速大转矩定量液压马达，实现对泥浆泵单元的高效驱动，从而达到泥浆泵单元最优输出性能。

受限于往复式泥浆泵单元具有输出波动性的典型工作特性，结合对压力输出特性的分析计算，在液力端输出通道设计了脉冲衰减模块、安全控制与卸荷模块，从而实现高压力、大流量条件下泥浆泵系统安全、稳定、高效供液输出。

3 产品性能测试试验

通过产品性能测试可以对其性能指标进行全面检测，基于MT/T 790-2006《煤矿坑道勘探用钻机》的相关要求，结合产品本身特点，分别制定钻机和泵车企业标准，从负载性能、过载性能、空载性能和温升等方面对产品进行全面性能测试。考虑产品采用防爆电液控制方式，涉及防爆控制柜、电磁起动器、防爆电磁铁、传感器、遥控器等核心元器件，对其还需进行防爆性能检测和电气联检。其中产品的负载性能直接能反映产品设计的关键性能指标是否符合设计要求，为此，结合国家安全生产西安勘探设备检测中心试验平台，分别对钻机和泵车进行负载性能测试，节选钻机低速和高速两种状态下的负载性能测试部分结果见表4。

表4 钻机负载性能测试结果Table 4 Load performance test results of drilling rigs

泵车在额定流量和额定压力2 种工况条件下分别测得其负载性能参数节选情况见表5。

根据表4 和表5 的产品负载性能测试结果可以看出，钻机和泵车的关键性能参数完全符合产品设计要求，钻机配套电机功率160 kW，泵车配套电机功率250 kW；另外，结合防爆控制要求，从空载运转性能和防爆性能方面对钻机控制系统特性进行的全面性能测试。通过产品性能测试试验，对ZDY25000LDK 智能化定向钻进装备的综合性能进行了全面检验，符合产品企业标准中规定的各项要求。

表5 泵车负载性能测试结果Table 5 Load performance test results of mud pump trucks

4 结 论

a.长距离智能化定向钻机的设计相比常规自动化钻机而言，因其所需提供的能力更大，配套工艺机具和定向钻进系统对于钻机的功能结构、性能特性、控制策略等方面均提出了全新需求。

b.通过对多项关键技术的研究和系统集成设计，研制了ZDY25000LDK 智能化定向钻进装备，实现了长距离定向钻进施工过程中自动化装卸钻杆控制、智能化定向钻进施工、参数实时监测，以及典型故障智能诊断与预警等功能。

c.结合产品性能测试试验，验证了装备的各项性能参数，通过空载性能测试和防爆性能测试，检验了控制系统的可靠性和稳定性，为旋转导向、地质导向施工，以及“以孔代巷”大直径定向钻孔高效施工提供了可靠的智能化装备保障。

d.基于智能化定向钻进装备研究基础，为了提升产品的自动化和智能化程度，在对现有关键技术持续优化升级的基础上，后续还需逐步开展粗径钻具连续自动补杆系统、智能钻孔参数分析、智能钻孔轨迹控制、钻进参数自适应调节等关键技术的深入研究，在完善现有智能化定向钻进装备的基础上，逐渐推动煤矿井下定向钻进装备向智能化的目标深入发展。