碎软煤层顺层自动钻机的研制及应用

辛德忠,唐 敏,刘小华

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

我国煤炭资源整体赋存条件复杂，煤层埋藏深、分布广，以井工开采为主，多数属于碎软煤层，存在瓦斯含量高、煤层透气性差等问题[1-4]。顺层钻孔瓦斯抽放技术是治理碎软煤层瓦斯突出最有效的方式之一，但是在碎软煤层中施工钻孔，孔深浅、成孔率低、难度大等问题属于行业技术难题，且在钻孔过程中，容易发生由于排渣不畅造成的卡钻、埋钻、塌孔等状况，致使瓦斯抽放达不到预期效果，严重影响了煤矿安全生产[5-12]。

施工顺层钻孔时，要求钻机顺行巷道对巷道两侧进行钻孔施工，由于常规钻机自身结构的限制，施工巷道侧壁时，机架须调整至与钻机机身垂直，姿态调整比较困难，难以实施扇形钻孔；常规钻机缺乏防卡钻系统，卡钻、埋钻风险大；常规钻机采用人工上下钻杆，工人劳动强度大、安全难以得到保障[13-17]。

为解决常规钻机碎软煤层钻孔施工的难题，研制了碎软煤层顺层自动钻机，并详细介绍了该钻机的结构特点、关键技术、液压系统及其在碎软煤层中钻孔试验情况。

1 总体结构及参数

钻机采用分体履带式结构，分为主车和副车，该结构尤其适用于小断面巷道施工。钻机由主机、动力总成、液压控制系统和电气控制系统等组成。主车搭载主机，实施钻进；副车搭载动力总成，提供动力。钻机外形如图1所示。

1—副车；2—主车。

1)主机由动力头、双夹持器、机架、机械手、提升架、钻杆箱等部件组成。机架采用悬置式横向布置，以实现巷道两侧扇形钻孔施工；提升架采用回转减速器，满足-40°～+90°倾角调节；矩阵式大容量钻杆箱及双机械手输送钻杆，实现钻机一次携杆数量120根，满足成孔需求。

2)动力总成主要由防爆电动机、负载敏感泵、联轴器等部分组成，可实现“电—液”能量转换并驱动液压系统，实现液压执行元件动作，是系统的能量核心。

3)电气控制系统主要由PLC控制器、电源模块、安全栅、传感器及电磁阀等组成，主要实现遥控操作、生成控制指令、电磁阀控制及执行元件动作，是自动钻机控制系统的核心。

钻机的主要技术参数如表1所示。

表1 钻机的主要技术参数

2 关键技术研究

在自动钻机的关键技术中，动力头液压马达排量自适应调节技术可实现主动钻杆大转矩反转卸扣；矩阵式大容量钻杆箱可保证钻机自动施工长距离钻孔；双机械手协同送杆技术可实现钻杆的自动装卸；自适应防卡钻技术可防止碎软煤层顺层钻孔卡钻和抱钻；悬置式提升机构方便施工扇形孔。自动钻机的关键技术如图2所示。

图2 自动钻机的关键技术框图

2.1 动力头液压马达排量自适应调节

在施工碎软煤层时，要求动力头高转速钻进，以获得较大的钻进深度，自动钻机动力头的结构如图3所示。其工作过程为：①反向安装的液压马达通过齿轮将动力传输至主轴，主动钻杆与主轴之间采用花键连接，连接套与主轴之间通过法兰及螺栓连接，实现主动钻杆轴向及径向定位；②主动钻杆头部的锥螺纹接头与钻杆的锥螺纹接头连接，实现钻进动力最终传输。

1—主动钻杆；2—液压马达；3—连接套；4—主轴；5—轴承；6—端盖；7—水辫；8—齿轮；9—减速箱体。

由图3可见，动力头传动链长，转动惯量大。当动力头高速旋转至接扣完成瞬间，主动钻杆会突然停止旋转，产生较大的止动力矩，导致主动钻杆公头与钻杆母头瞬时拧紧。为提高自动钻机的卸钻效率，简化卸钻流程，主动钻杆螺纹处接头直接采用动力头反转脱扣。在现场应用中，多次出现高速接扣后动力头的反转力矩不足以克服拧紧力矩，无法拧松主动钻杆螺纹处接头的问题。此时，钻机会反复执行卸扣动作，中断自动打钻流程，影响钻孔施工。

为解决上述问题，提高卸扣的可靠性，须提高卸扣时的钻机转矩。通过增设转速控制阀组，可实现马达排量自适应调节进而实现大转矩卸扣。转速控制阀组结构及原理如图4所示。

1—减压阀；2—阀块；3—电磁阀。

由于液压马达为变量柱塞马达，通过减压阀的压力变化可调节液压马达的斜盘倾斜角度，进而改变液压马达的排量。正常钻进时，通过减压阀将液压马达的排量调节至满足动力头钻进转速及转矩需求的合适数值；在动力头执行卸扣动作时，通过电磁阀自动将液压马达调节至最大排量，此时钻机转矩处于最大输出值，可实现强力卸扣，提高卸扣的可靠性。

2.2 矩阵式大容量钻杆箱

常规钻机采用人工加卸钻杆，无钻杆箱。为实现自动钻机自动上下钻杆，钻杆箱是必不可少的部件。在自动钻孔过程中，钻杆箱容量一直是自动钻机施工长距离钻孔的关键参数。矩阵式大容量钻杆箱，可大幅度提高钻杆箱的容量，减少钻孔过程中人工的介入，并为自动钻机向钻孔机器人升级提供了强有力的技术保障。

基于自动钻机整体布局需求，研制了钻杆长度为1 m的大容量钻杆箱，其由箱体、隔板、活动门等部件组成。钻杆箱采用并列、分区的矩阵式设计，每列可容纳多根钻杆，其容量为行容量与列容量的乘积，可一次存放120根钻杆。钻杆箱一侧设置活动门，方便钻杆的取放。钻杆箱结构如图5所示。

1—隔板；2—箱体；3—活动门。

2.3 双机械手协同送杆

由于钻杆箱容量较大，钻杆输送路径较长，采用路径规划方法对钻杆装卸系统进行运动分段规划[18-19]，并根据分段运动需求设置对应的机械手、平移油缸等执行机构，实现多机构并行输送，提高输送效率。设计双机械手协同作业自动装卸系统，如图6所示。

1—抓取机械手；2—钻杆箱；3—转运器；4—复合关节机械手；5—动力头；6—机架；7—双夹持器。

结合整机结构和钻进效率需求，将钻杆输送路径划分为“钻杆箱—转运器—钻进机构”3段，分别采用抓取机械手、转运器、复合关节机械手3个执行机构输送钻杆。

抓取机械手采用侧置式结构，具有伸缩和平移2个自由度。采用齿条式平移机构，可与抓取机械手配合实现120根以上大容量钻杆顺序存入与取出。采用转运器过渡衔接，解决了2个机械手之间的钻杆姿态空间变换问题。复合关节机械手采取直角坐标与关节式复合结构，具有倾角调节、翻转、伸缩3个自由度。开发双机械手与钻进机构并行自动控制程序，将钻杆输送循环嵌入钻进施工流程之中，提高钻进施工总体效率。

2.4 自适应防卡钻

在碎软煤层顺层钻孔施工过程中，极有可能出现卡钻情况，需要对自适应钻进技术进行研究，其核心内容是自动防卡钻技术。分析突出碎软煤层钻杆卡钻机理，发现造成卡钻的主要原因是钻进速度过快，单位时间内煤粉产生量过大，导致煤粉无法及时排出，引起卡钻。因此，控制钻进速度，及时排除钻孔内煤粉，可很大程度地降低卡钻概率[20-22]。

在钻进过程中，钻机状态参数主要有旋转压力、旋转速度、推进压力及推进速度等。自适应防卡钻钻进控制的目标就是对这几组参数进行综合匹配来实现自动钻进，通过自动控制降低钻机在不同地质条件下的工作中卡钻概率、提高钻进效率。自适应钻进控制原理如图7所示。

图7 自适应钻进控制原理

图7中，计算模块接收来自传感器的测量参数，再根据动态经验库提供的不同地质条件下经验参数计算出钻进系数knx，处理模块根据knx的大小及动态经验库的处理规则来进行相应的预处理，并提供对应的控制量来驱动动力头旋转与推进，预防卡钻的发生。

2.5 悬置式旋转提升机构

旋转提升机构采用悬置式结构，方便实施扇形钻孔。旋转提升机构是钻机实现开孔倾角、方位角及开孔高度自动调整的关键机构，主要由方位回转减速器、立柱、提升套、提升油缸、底架体、回转平台等组成，如图8所示。

1—回转平台；2—方位回转减速器；3—提升套；4—立柱；5—提升油缸；6—倾角回转减速器；7—底架体。

回转平台通过螺栓与方位回转减速器连接；2个立柱对称地安装在回转平台上方，在提升油缸的举升作用下，提升套可沿立柱升降；倾角回转减速器通过螺栓分别与提升套和底架体连接；底架体用于支承安装机架。

在开孔高度调节方面，由提升油缸带动提升套升降，实现机架高度调节，满足不同高度的开孔要求；在倾角调节方面，由倾角回转减速器带动机架倾角的改变，实现钻孔倾角在-40°～+90°调整；在方位角调节方面，由方位回转减速器带动回转平台旋转，实现-180°～+180°方位角的变化。

3 钻机液压系统

自动钻机为双履带布局，采用负载敏感液压系统以减少能量损失和系统发热，其液压系统主要由行走系统、钻进控制系统、夹持器系统、机械手控制系统、姿态调整系统等组成。自动钻机的液压系统如图9所示。

1—负载敏感泵；2—主多路阀；3—动力头；4—副多路阀；5—夹持器；6—机械手；7—姿态调整；8—钻杆箱；9—上下锚固；10—主车行走；11—副车行走。

1)行走系统主要控制主车和副车的前进、后退及转向等动作。此外，副车液压系统作为整个液压系统的存储和冷却循环系统，也保障了整个液压系统的正常运行。

2)钻进控制系统主要用于控制动力头旋转和给进油缸推进。通过电信号控制多路阀上的电磁阀组控制多路阀的阀芯开度和换向，最终驱动动力头正、反转和前进后退。

3)夹持器控制系统用于控制双夹持器的动作，由副泵供油。双夹持器的夹紧、松开及前夹摆动由多路阀及其电磁控制阀组通过电信号来控制。

4)机械手控制系统和姿态调整系统比较类似，都是经过多路阀阀片过油至电磁阀组，通过开关电磁阀组控制各个动作。该设计既能实现电液控制自动化，又能实现液压系统的负载节能控制。

4 顺层钻孔试验

4.1 试验概况

试验地点位于淮南矿业集团谢桥煤矿21316运输巷，巷道标高为-819.4～-857.6 m，处于突出危险区。煤层平均厚度为2.5 m，倾角为10°～18°，设计走向长度为3 274 m，工作面倾向长度为200 m，处于6煤突出煤层突出危险区，原始瓦斯压力为1.4～1.6 MPa，瓦斯含量为6.3～6.7 m3/t，平均煤厚为3.1 m，风量1 090 m3/min。据矿方资料，在该区域采用常规钻机施工顺层钻孔时，单台钻机配置3名工人，钻孔深度平均约为60 m，且在钻进过程中容易出现抱钻等现象。

4.2 钻进试验

由于该试验区域煤层松软，承压能力低，因此试验采用ø73 mm深槽螺旋钻杆搭配ø113 mm复合片钻头实施钻进。深槽螺旋钻杆如图10所示，钻杆凹槽深度为5 mm，能够有效提供钻孔环空间隙的紊流度。

图10 深槽螺旋钻杆

采用自动钻机施工顺层钻孔时，单台钻机配置2名工人(1人遥控操作钻机，1人做辅助性工作)。设计单孔平均深度112 m，孔径113 mm，孔间距按不大于5 m布置。试验期间，完成有效试验钻孔18个，钻孔数据如表2所示。

表2 顺层钻孔试验数据

4.3 试验结果

由表2可知，累计钻孔长度2 239.4 m，平均钻孔深度124.4 m，与常规钻机相比，自动钻机成孔深度提高了1倍以上。

施工期间，自动钻机运行稳定，整体性能可靠，一键全自动钻进施工，上下钻杆流畅，未发生卡钻、埋钻等事故；只需1人操作钻机，减少了作业人数，施工人员可停留在安全距离范围内，远距离遥控钻机。

5 结语

所研究的碎软煤层顺层自动钻机动力头液压马达排量自适应调节技术、矩阵式大容量钻杆箱、双机械手协同送杆技术、自适应防卡钻技术及悬置式旋转提升机构，可有效提高钻机接卸扣可靠性和加接与拆卸钻杆效率，降低了工人劳动强度，提高了安全性，提升了钻机适应不同地质条件的能力。该钻机的成功研制及应用，为煤矿钻探尤其是碎软煤层顺层钻孔提供了新装备、新工艺。该钻机的相关关键技术，可为煤矿同类产品的研制提供一定参考。