我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)進展與展望

姚寧平，姚亞峰，2，方鵬，田宏亮，郝世俊，梁春苗，2，張幼振

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013）

0 引言

煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)在煤礦瓦斯抽采、地質(zhì)勘探、探放水、防滅火等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對于煤礦安全生產(chǎn)起到重要的保障作用。然而受煤礦巷道的空間尺寸、特殊的地層條件、井下防爆要求和井下濕熱環(huán)境等的限制，導(dǎo)致裝備技術(shù)發(fā)展不平衡、裝備耐用性差、新技術(shù)應(yīng)用滯后［1-5］。多年來，國內(nèi)相關(guān)科研院所和企業(yè)，秉承創(chuàng)新發(fā)展、服務(wù)行業(yè)的理念，通過不斷的技術(shù)革新，為煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展進步做出了重要貢獻。隨著新技術(shù)的融合和煤礦大力推進智能化建設(shè)，給煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)帶來了革命性的發(fā)展機遇。

1 國外煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展起步較早，其中主要以美國、瑞典、澳大利亞、德國等西方國家生產(chǎn)的鉆機為代表［6-7］，可以滿足煤礦井下多種鉆探施工需要。隨著西方國家逐步關(guān)閉井工煤礦，煤礦的能源開采以地面抽采煤層氣和露天開采煤礦為主，坑道鉆探裝備技術(shù)的研究重點逐步轉(zhuǎn)向金屬礦山，并向遠程控制、自動化和智能化鉆探方向發(fā)展。目前如瑞典Epiroc（原Atlas Copco）公司的Diamec系列坑道巖心鉆機、美國Boart Longyear公司的LM?系列坑道巖心鉆機、瑞典Sandvik公司的DB系列巖心鉆機、澳大利亞Valley Longwall公司的VLD系列煤礦坑道定向鉆機、美國Fletcher公司的坑道錨桿鉆機等得到了廣泛應(yīng)用。

Epiroc公司的Diamec PHC系列鉆機采用分體式結(jié)構(gòu)布局，各部件之間用液壓膠管連接，在坑道中擺布靈活，采用全液壓先導(dǎo)控制，具有能效高、安全性好的特點。由于Epiroc公司近年來在產(chǎn)品的自動化、智能化和信息處理方面進行了長期研究，并取得了突出成績，形成了品種齊全、技術(shù)水平最高的坑道鉆機產(chǎn)品。Diamec Smart系列鉆機（圖1）采用先進的控制系統(tǒng)，具有自動加卸鉆桿等功能，通過特有的鉆桿加卸系統(tǒng)，可以使操作人員在安全距離外進行鉆機操控，所有孔內(nèi)鉆具的下放和提升工作都可以通過鉆機自動完成。該系列鉆機配備的遠程控制系統(tǒng)可以進行遠程控制鉆機，并可以快速設(shè)定和監(jiān)測鉆進參數(shù)，即使在危險區(qū)域，操作人員也可以在安全區(qū)域進行遠距離操作，而且1名操作人員可同時控制3臺鉆機，顯著提高了生產(chǎn)效率。

圖1 Diamec Smart 6鉆機Fig.1 Diamec Smart 6 drill rig

Boart Longyear公司的LM?系列鉆機（圖2）采用分體式布局，方便狹小空間布置。采用負載敏感液壓技術(shù)，可以實現(xiàn)最大效率化和減小系統(tǒng)發(fā)熱。采用電液比例控制方式，可以獲得精確的鉆進速度和回轉(zhuǎn)速度控制，還可以配備DCI鉆進系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人看管的自動鉆進，提高鉆進效率。Sandvik公司的DB120鉆機（圖3），具備自動調(diào)幅調(diào)角系統(tǒng)、自動加卸鉆桿系統(tǒng)、經(jīng)過煤安認(rèn)證的電液控制系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)等，具有遠程遙控施工、連續(xù)鉆進施工、安全可靠等特點。

圖2 LM?110鉆機Fig.2 LM?110 drill rig

圖3 DB120鉆機Fig.3 DB120 drill rig

2 我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展初期

我國煤礦坑道鉆探自20世紀(jì)70年代末以來，隨著改革開放的步伐，經(jīng)歷了從與其他行業(yè)合作生產(chǎn)到煤炭行業(yè)自主研發(fā)、裝備從無到有、技術(shù)從弱到強的發(fā)展歷程［8-12］。在發(fā)展過程中，以中煤科工集團西安研究院有限公司為主要代表的煤礦鉆探裝備研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，始終引領(lǐng)著煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展方向。

至2004年，形成了以多種型號全液壓分體式鉆機為代表的鉆機產(chǎn)品，鉆進工藝上采用回轉(zhuǎn)鉆進，通過穩(wěn)定組合鉆具配備單點測斜儀實現(xiàn)鉆孔軌跡控制。全液壓分體式鉆機采用主機、泵站、操縱臺分體布置，各部分通過液壓膠管連接，利用操縱臺上的液壓手把操作鉆機的動作，輸出轉(zhuǎn)矩范圍為400～12000 N·m。穩(wěn)定組合鉆具鉆孔軌跡控制方法是在鉆頭和常規(guī)鉆桿之間安裝不同尺寸和數(shù)量組合的穩(wěn)定器和短鉆桿，實現(xiàn)一定程度的鉆孔造斜，并結(jié)合單點測斜儀對鉆孔軌跡進行控制。該階段利用分體式鉆機配套穩(wěn)定組合鉆具軌跡控制方法，創(chuàng)造了國內(nèi)最大深度達865 m的順煤層鉆孔。穩(wěn)定組合鉆具軌跡控制無法實現(xiàn)隨鉆測量，在改變造斜方向時還需要提鉆更換穩(wěn)定組合鉆具，因此對鉆孔的軌跡控制精度差，鉆孔效率也低。隨著煤礦現(xiàn)代化建設(shè)步伐的持續(xù)邁進，目前分體式鉆機的市場占比正逐年下降，主要用于現(xiàn)代化程度低、巷道條件較差的中小型煤礦。

3 我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的蓬勃發(fā)展期

從2005年開始，我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)全面發(fā)展，逐步開發(fā)了普通履帶式鉆機、履帶式定向鉆機及隨鉆測量定向鉆進、松軟煤層回轉(zhuǎn)鉆進及氣動螺桿馬達隨鉆測量定向鉆進等先進鉆探裝備與技術(shù)［13-17］。普通履帶式鉆機成功解決了鉆機井下行走、移位等問題，具有更大的開孔參數(shù)調(diào)節(jié)范圍，已經(jīng)形成了以ZDY、ZYWL、CMS系列為主的多種主流產(chǎn)品與系列（主要參數(shù)見表1）。

表1 常用履帶式鉆機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of common crawler drilling rigs

隨著煤礦開采效率的提升和礦井埋深的增加，為了適應(yīng)巷道條件和防突要求，煤礦用戶對個性化定制鉆機的需求越來越大。鉆機設(shè)計以個性化的用戶需求為導(dǎo)向，通過模塊化、平臺化的設(shè)計思路快速適應(yīng)用戶的個性化改造、改型，并逐漸形成系列化產(chǎn)品。該設(shè)計思路是針對鉆機的組成結(jié)構(gòu)將履帶式鉆機分為履帶車體、變幅裝置、主機、穩(wěn)固裝置、泵站系統(tǒng)、操作裝置等幾部分，針對不同部分分別開發(fā)模塊化部件，借助于不同結(jié)構(gòu)的變幅裝置和履帶車體，形成具有一定擴展能力的平臺化產(chǎn)品，通過在平臺上安裝主機等其他模塊化部件，最終形成結(jié)構(gòu)參數(shù)各異的個性化定制鉆機。

履帶式定向鉆機方面，目前已實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，取代了進口產(chǎn)品，并在鉆機性能、隨鉆測量技術(shù)及配套鉆具等方面，超過同類進口產(chǎn)品，成套技術(shù)與裝備在全國各大礦區(qū)得到普遍應(yīng)用。在定向鉆進工藝技術(shù)方面，適用于中硬煤層和穩(wěn)定頂板巖層的定向鉆進技術(shù)與裝備日趨成熟，能力不斷提升，促進了我國煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進的孔深記錄不斷被刷新。2019年，中煤科工集團西安研究院有限公司利用自主研制的ZDY15000LD型履帶式定向鉆機、超長孔定向鉆進減阻工藝和復(fù)合鉆進等軌跡控制技術(shù)，完成了井下順煤層孔深3353 m的定向鉆孔，再創(chuàng)煤礦井下鉆孔深度的世界紀(jì)錄。

松軟煤層鉆進技術(shù)則由于不同礦區(qū)的煤層差異很大，形成了中風(fēng)壓寬翼片螺旋鉆進技術(shù)、大螺旋高轉(zhuǎn)速鉆進技術(shù)、三棱鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)并存的局面，其中中風(fēng)壓鉆進在松軟煤層礦區(qū)應(yīng)用較廣泛，最大孔深超過250 m。近年來，為了進一步提高松軟煤層的瓦斯抽采鉆孔深度，開發(fā)了氣動螺桿馬達定向鉆進技術(shù)［18］（圖4），針對存在較多斷層、破碎帶的地層，還開發(fā)了氣動螺桿馬達雙管護孔定向鉆進技術(shù)，可實現(xiàn)對鉆進地層的邊護孔邊鉆進。氣動螺桿馬達定向鉆進技術(shù)目前在淮南、淮北、貴州等地得到了廣泛應(yīng)用，鉆孔深度也超過了400 m，實現(xiàn)了煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)與裝備的新突破。

圖4 氣動螺桿馬達定向鉆進系統(tǒng)Fig.4 Pneumatic PDM directional drilling system

4 我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的智能化發(fā)展新階段

2015年之后，隨著“機械化換人、自動化減人”和煤礦智能化發(fā)展的目標(biāo)提出，越來越多的煤礦提出了減輕施工人員勞動強度、減少人員數(shù)量、提高施工效率的需求，這也使得煤礦坑道鉆探裝備在電液控制自動化、智能化方面加快了發(fā)展步伐，煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)進入了新的發(fā)展階段［19-25］。

4.1 自動加桿的電液控制自動化鉆機

煤礦坑道鉆機施工多采用人工加卸鉆桿，存在勞動強度大、安全性差等問題。履帶行走時，操作人員利用操縱裝置上的液壓手柄操作，在一些巷道窄、坡度大、鉆場空間小的場合，存在安全隱患。鉆機的施工以操作人員的經(jīng)驗為準(zhǔn)，操作流程標(biāo)準(zhǔn)化程度低，存在操作失誤多、易掉鉆、損傷鉆桿絲扣等問題。鉆機的鉆進參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏、故障判斷與維修效率低。因此，針對煤礦智能化及市場需求，近幾年來，國內(nèi)陸續(xù)開發(fā)了具備自動加卸鉆桿、一鍵自動鉆進、遠距離遙控操作、鉆進參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測與信息交互等功能的電液控制自動化鉆機，如ZDY4300LK、ZYWL-4000SY型鉆機等。該類鉆機采用電液控制技術(shù)，集成有防爆型PLC控制器、傳感器、遙控器等，利用自帶的機械手從鉆桿倉中抓取鉆桿，實現(xiàn)自動加卸鉆桿，并可一鍵操作自動鉆進。自動鉆進功能能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)鉆進參數(shù)，無需人工干預(yù)進行連續(xù)鉆進，鉆機運行時還可通過參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測各鉆進參數(shù)運行狀況并給予異常報警。

這種電液控制自動化鉆機推廣應(yīng)用中也存在一些問題：鉆桿倉中一次儲存鉆桿數(shù)量太少，需要經(jīng)常向鉆桿倉中補充鉆桿；自動鉆進功能遇到地層變化、負載突變時應(yīng)對能力有限，需要人工干預(yù)；遙控器電池壽命低、井下環(huán)境遙控距離有限等。

4.2 順煤層智能隨鉆測量定向鉆進裝備技術(shù)

“十三五”期間，圍繞國家科技重大專項，開展了“煤礦井下智能化鉆探裝備及高效快速鉆進技術(shù)”的研究，通過對防爆電液控制、參數(shù)實時監(jiān)測、無線遙控技術(shù)開展研究，解決了大功率定向鉆進裝備自動化加卸鉆桿問題，提升了鉆機運行參數(shù)監(jiān)測和事故預(yù)防處理的智能化水平。研制了輸出轉(zhuǎn)矩25000 N·m的智能化定向鉆機，輸出最大流量800 L/min、最高壓力12 MPa的大流量泥漿泵車，以及礦用地質(zhì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進系統(tǒng)及配套鉆具，形成了煤礦井下防爆智能化大功率定向鉆進裝備（圖5）與高效快速鉆進技術(shù)，為國內(nèi)煤礦區(qū)井下順煤層煤層氣抽采定向鉆孔、采動區(qū)及采空區(qū)煤層氣抽采定向鉆孔鉆探施工提供技術(shù)與裝備支撐。

圖5 智能化大功率定向鉆機及隨鉆測量裝置Fig.5 Intelligent high-power directional drill rig and MWD tools

4.3 瓦斯抽采鉆孔機器人開發(fā)

2018年開始，基于國家重點研發(fā)計劃“井下瓦斯防治鉆孔與封孔機器人”項目開發(fā)了瓦斯抽采鉆孔機器人。為了提高鉆孔效率和減少人員數(shù)量，開發(fā)了容量達150 m的固定式鉆桿倉，滿足穿層瓦斯抽采鉆孔的連續(xù)自動鉆孔需求；開發(fā)了防爆伺服電機控制的六自由度機械手，可實現(xiàn)不間斷自動加卸鉆桿；集成基于煤礦井下工作環(huán)境的視覺伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了自適應(yīng)加卸鉆桿，保障加桿過程迅速、精準(zhǔn)。開發(fā)的瓦斯抽采鉆孔機器人還具備開孔自動位姿調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)開孔的參數(shù)化控制；具有自動鉆進系統(tǒng)，適應(yīng)智能鉆探的需要；具有故障監(jiān)測與信息交互系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的及時報警和信息的及時跟蹤；配套自動封孔裝置，實現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔、完孔的自動化。

5 展望

隨著我國煤礦企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實施，智能化礦井建設(shè)將成為煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必由之路，煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)也必將向著智能化的方向快速發(fā)展。當(dāng)然，受當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及一些尚未完全突破的技術(shù)、核心元器件的制約，煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展不可能一蹴而就，應(yīng)當(dāng)在一些技術(shù)與裝備方面重點研發(fā)，加快推進我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的智能化水平。

5.1 鉆機智能控制水平的提升

目前自動化鉆機已具備自動加卸鉆桿、程序控制自動鉆進、遠程無線操控、狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測與故障預(yù)警等功能，但仍需進一步突破核心技術(shù)來提升鉆機的智能控制水平，適應(yīng)煤礦智能化建設(shè)的提速。通過開發(fā)防爆電力直驅(qū)技術(shù)、智能傳感技術(shù)和智能決策控制技術(shù)實現(xiàn)鉆進動作的精準(zhǔn)控制，通過開發(fā)巷道環(huán)境識別技術(shù)、鉆探裝備姿態(tài)測控技術(shù)實現(xiàn)裝備的自主導(dǎo)航定位，通過開發(fā)鉆進過程自適應(yīng)和人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)鉆進過程的自適應(yīng)與人機交互鉆進，通過開發(fā)人機安全系統(tǒng)保障人工輔助條件下智能化鉆機的安全施工。

5.2 機電液系統(tǒng)的故障智能診斷與預(yù)測

隨著電液控制鉆機功能的增加和智能化技術(shù)的推進，鉆機操作、維護人員需要同時面對機械、液壓、電控方面的故障問題，這對于鉆機的故障診斷和預(yù)測技術(shù)提出了更高的要求，目前在這方面的技術(shù)多停留在鉆進和工作參數(shù)監(jiān)測，能實現(xiàn)故障的簡單診斷。由于鉆機是一個機、電、液協(xié)同工作的裝備，其故障源較多。因此，要針對鉆機的機、電、液系統(tǒng)，通過不用種類的傳感器采集數(shù)據(jù)、采用多源數(shù)據(jù)融合的智能運算算法實現(xiàn)對狀態(tài)參數(shù)及設(shè)備故障智能分析和自我診斷，并及時預(yù)測鉆機可能存在的故障源，為操作、維護人員提供技術(shù)支撐。

5.3 基于5G技術(shù)的井上遠程操作鉆機和信息交互

煤礦坑道鉆探的目標(biāo)是實現(xiàn)井上遠程遙控的無人鉆探模式。但要實現(xiàn)井上遠程操控，單靠目前的視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪Ｊ竭€遠不夠，無法實現(xiàn)問題快速處理，也存在視頻監(jiān)控不到位、輔助施工人員安全性差等問題。隨著5G技術(shù)在多個行業(yè)的應(yīng)用，我國煤礦近幾年也加快了5G建設(shè)。通過加快煤礦5G信息化建設(shè)的速度、加速基于5G技術(shù)的井下鉆探裝備遠程交互技術(shù)與平臺研發(fā)具有重要意義。

5.4 新型智能鉆具及孔底測量儀器開發(fā)

現(xiàn)有定向鉆具測量儀器安裝在鉆頭后面5～7 m，測量數(shù)據(jù)滯后于鉆頭處的實際數(shù)據(jù)，在薄煤層定向鉆進過程中鉆孔軌跡控制難度大，鉆孔極易穿出煤層，開發(fā)礦用近鉆頭測量技術(shù)，突破強振動下傾角和工具面角的高精度動態(tài)測量技術(shù)，提高鉆孔軌跡測量精度；開發(fā)方位電阻率測量短節(jié)，實現(xiàn)對地層煤、巖性識別，為鉆進過程中提供地層邊界的方位及距離信息，提高目標(biāo)地層鉆遇率；開發(fā)智能鉆桿，通過在鉆桿內(nèi)設(shè)置高速、低耗的耐高壓高速傳輸電纜解決傳統(tǒng)信息傳輸方式容量小、傳輸速度慢的問題，實現(xiàn)多參數(shù)隨鉆測量信息上傳、控制指令下達和孔底供電等功能。