ZYWL-4000SY 型遙控鉆機設計及關鍵技術研究

張始齋，王慶文

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；山東省煤田地質規(guī)劃勘察研究院，山東 泰安 271000）

0 引 言

煤礦井下通過鉆孔抽采瓦斯是瓦斯災害治理的主要手段之一，主要采用回轉鉆進的方式進行打孔作業(yè)。 施工過程中，由于煤礦井下鉆機的自動化程度較低，特別在鉆桿裝卸方面，要配備專職人員進行鉆桿裝卸，其操作復雜，工作效率低，勞動強度大［1］。 普通鉆機在施工過程中，距孔口距離不超過2 m，在遭遇煤與瓦斯突出事件時，人員很難及時撤離，存在安全隱患［2-4］。 工人操作過程全憑經驗判斷，智能化程度極低，成為傳統(tǒng)煤礦向“智慧礦山”發(fā)展的一大瓶頸，采用遙控鉆機施工是瓦斯抽采、治理工作的趨勢［5-6］。 從安全、能源、環(huán)保3 個方面考慮，需要加大深部煤層煤與瓦斯共采力度［7］。 文獻［8-10］對智能礦山架構建設提供了研發(fā)思路，分析了智能礦井亟需解決的關鍵問題。 提到煤礦井下無人值守遠程監(jiān)控技術及系統(tǒng)對煤礦安全生產發(fā)揮著重大作用，而遙控鉆機的研發(fā)為煤礦井下鉆進施工的遠程操作提供了基礎［11-12］。

國內在煤礦遙控鉆機方面研究甚少，2015 年以來，僅有少數廠家開始對鉆進壓力、轉速等鉆進參數的自動調節(jié)進行研究，對遙控鉆進成套裝備進行研究的企業(yè)或機構很少。 目前，石家莊博安煤礦機械制造有限公司已完成樣機生產，實現用遙控方式代替操作臺，但上下鉆桿仍需必須通過人工方式裝卸。中國煤炭科工集團西安研究院完成了智能化自動鉆機樣機試制，基本可實現一鍵自動化打鉆、卸鉆操作。 國外對遙控鉆機的廠家同樣較少，且主要應用于巖巷鉆孔，如阿特拉斯·科普柯集團研制的Simba M4C 頂錘式電腦采礦鑿巖臺車，配備有自動送鉆系統(tǒng)，但由于該設備主要用于巖巷掘進，且體積過大，不適合煤礦井下瓦斯抽放孔的施工。 而其他國外知名廠家，如瑞典山特維克公司的鉆機和美國寶長年公司的鉆機只是配備了換桿裝置和鉆桿輸送裝置等機械化輔助設備，這些設備需要人工操作，并未真正實現鉆進裝備整體的自動化、智能化。

筆者設計研發(fā)了ZYWL-4000SY 型遙控鉆機，介紹了遙控鉆機的總體設計方案及主要參數，并針對煤礦井下遙控鉆機施工過程遇到的問題，在液壓系統(tǒng)、機械設計等方面提出了解決思路。

1 遙控鉆機總體設計方案及主要參數

ZYWL-4000SY 遙控鉆機采用雙履帶方案，將鉆機搭載于2 個履帶車上，其中，主車搭載鉆機主機，包括液壓主操作臺、機械手、鉆桿箱、動力頭、機架、電控箱等部件；副車搭載動力總成、油箱等，為鉆機提供動力（圖1）。 鉆機主要性能參數如下：

圖1 遙控鉆機的整體設計方案Fig.1 Overall design scheme of remote control drilling rig

鉆機關鍵零部件均采用模塊化設計理念，為以后遙控鉆機產品系列化打下基礎。 為提高鉆機旋轉及推進速度的控制精度，液壓主操作臺中多路閥采用丹佛斯系列的路閥，達到設計要求。

2 液壓系統(tǒng)及自適應鉆進技術

2.1 鉆機液壓系統(tǒng)

ZYWL-4000SY 遙控鉆機液壓工作原理如圖2 所示。 電動機帶動負載敏感串泵1 為鉆機所有動作提供高壓液壓油，其中，大泵為主車行走10、動力頭旋轉3、動力頭快速給進提供液壓油；小泵為副車行走9、動力頭慢速給進、機械手6、鉆桿箱8 等提供液壓油。

為防止打鉆施工過程中鉆機發(fā)生移位，通過二位三通換向閥12 將行走與打鉆管路進行切換，打鉆過程中，杜絕液壓油經過履帶車行走馬達。 其中，動力頭旋轉，動力頭快速及慢速給進采用比例閥控制，其他動作均為開關量控制。

液壓系統(tǒng)中負載敏感多路閥2 中閥芯開度通過電控箱輸出電流模擬量控制，并要求其線性度好，重復精度高，達到精確調節(jié)馬達轉速和動力頭推進速度的目的。 壓力油進入負載敏感多路閥后產生1.5 MPa 左右的先導壓力油源，此壓力作為反饋信號控制負載敏感泵流量及壓力的輸出，滿足執(zhí)行機構壓力油的需求，在執(zhí)行機構待機時，負載敏感串泵無流量輸出，達到節(jié)能的目的［13-16］。

2.2 自適應鉆進技術

2.2.1 防卡鉆技術

鉆機在煤礦井下施工過程中，受地壓和氣體壓力等因素的影響，會發(fā)生卡鉆現象［17-19］。 該遙控鉆機具備自動鉆進功能，在出現卡鉆征兆時，鉆機將自動進行防卡鉆操作。

圖2 遙控鉆機液壓工作原理Fig.2 Hydraulic working principle of remote control drilling rig

鉆機在鉆進過程中，動力頭旋轉壓力變化是對孔內地質狀況的直接反映。 由于井下煤巖層存在各向異性，在鉆進過程中動力頭壓力始終是波動的，為表征t 時刻動力頭壓力，在t-1 至t 間隔0.05 s 等分20 份，獲得20 個樣本參數，剔除1 個最大值和1 個最小值后，剩余數值做算術平均后當作t 時動力頭旋轉壓力Pt。 t＋1 時動力頭旋轉壓力Pt＋1的計算方法與Pt類似。 動力頭旋轉壓力在t＋1 與t 時均值的變化量用δ Pt為

式中：Pt＋1、Pt分別為t＋1、t 時刻的動力頭旋轉壓力。

正常鉆進時δ Pt變化范圍在3 MPa 以內，經現場多次試驗驗證，當δ Pt超過8 MPa 時，鉆機有較大概率發(fā)生卡鉆。 防卡鉆工作流程如圖3 所示。

圖3 防卡鉆工作流程Fig.3 Work flow of anti sticking drill

遇到卡鉆征兆時，主要有以下3 種處理方式：①馬上停鉆，等待瓦斯壓力釋放；②動力頭繼續(xù)旋轉，停止推進，進行排渣操作；③動力頭繼續(xù)旋轉，動力頭前后移動，提高排渣速度。 該遙控鉆機可以精確記錄動力頭發(fā)生卡鉆征兆的位置，因此采用第3種處理方法，減緩推進速度，繼續(xù)推進20 cm，動力頭前后移動，執(zhí)行排渣操作，處理時間須超過1 min，同時動力頭旋轉壓力降低至正常值后，恢復正常鉆進。 采用防卡鉆技術后，卡鉆頻率由原來10 孔發(fā)生1～2 次降到50 孔發(fā)生1～2 次，提高了鉆進效率。

2.2.2 接扣、卸扣技術

遙控鉆機機械手只能從動力頭和雙夾持器之間上下鉆桿，打鉆和卸鉆過程中對應上下鉆桿必須通過主動鉆桿完成。 假設鉆孔深度為100 m，由表1可知鉆桿長度800 mm，因此，總共需要125 根鉆桿。打鉆過程中每新增1 根鉆桿，主動鉆桿分別經過1次接扣和卸扣過程；同樣，起鉆過程中，每卸下1 根鉆桿，主動鉆桿也需要經過1 次接扣和卸扣過程。所以從開始鉆進至卸鉆完成，主動鉆桿總共需要接扣卸扣500 次，其螺紋磨損速度遠高于普通鉆桿。

該鉆機主動鉆桿螺紋按MT／T 521—2006《煤礦坑道鉆探用常規(guī)鉆桿》設計。 動力頭與鉆桿接扣或卸扣時需要動力頭旋轉速度與給進速度必須匹配，否則必然會加速連接螺紋的磨損。 動力頭推進速度可以由位移傳感器獲得的位移計算，通過調整推進電磁閥的電流大小，可以獲得動力頭合適的給進速度，并將其作為常數；動力頭轉速由轉速傳感器獲得，通過動力頭轉速調整來匹配推進速度，達到無異響旋合或松扣的目標。 實際運行過程中，由于系統(tǒng)液壓油的壓力存在波動，動力頭旋轉速度非恒定，為解決這個問題，在旋轉與給進液壓油的回路中增加溢流閥（圖2）。溢流閥組由電磁閥控制，僅在接扣、卸扣時開啟，在旋轉與給進速度不匹配時，推進或者旋轉溢流，減少對螺紋的磨損。 動力頭空轉時，旋轉驅動壓力約3 MPa，溢流壓力設置為9 MPa，反轉卸扣壓力25 MPa，保證能夠正常卸扣。

同時，為了提高主動鉆桿螺紋抗磨損性能，對其螺紋部分進行氮化處理，增強了抗磨損性能。 經過對接扣卸扣程序及主動鉆桿熱處理工藝方面的改進后，主動鉆桿使用周期由原來500 ～800 m 達到3 000 m，基本滿足現場施工需求。

3 關鍵零部件設計

該遙控鉆機打鉆時，通過機械手從鉆桿箱中抓取鉆桿送至圖1 中雙夾持器7 軸線位置，與主動鉆桿6 對齊，為接扣做好準備；卸鉆時，將雙夾持器7 上鉆桿放回鉆桿箱，即可實現自動打鉆和卸鉆［20-21］。

3.1 機械手的設計

如圖4 所示，機械手主要由旋轉臂1、回轉減速器2、液壓馬達3 等零部件組成。 此種方式機械手結構通過回轉減速器2 調節(jié)機械手傾角，理論上可以實現0°～360°無級調節(jié)。 由于提升架、機架、履帶車之間的位置關系，機架傾角調整范圍是-20°～90°，機械手滿足該傾角調整范圍。

圖4 機械手設計Fig.4 Design of manipulator

此機械手有4 個自由度，分別是：①通過回轉減速器實現機械手-20°～90°傾角的變化；②通過液壓馬達實現機械手水平、垂直反轉；③通過伸縮油缸帶動機械手伸出縮回；④通過夾緊油缸帶動卡瓦夾緊鉆桿。 為減小機械手外形尺寸，采用內外伸縮筒組合的形式。 翻轉動作依靠機械式限位和限位傳感器結合的方式標定極限位置，提高了定位精度。 傾角調節(jié)采用4 組傳感器進行角度的測量：①垂直位置傳感器，用于判斷傾角范圍是否達到90°；②水平位置傳感器，用于判斷傾角是否回到0°；③機架角度同步傳感器，安裝在機架上，用于判斷機械手傾角與機架傾角是否相同；④機械手極限位置保護傳感器，防止機械手傾角調整時超限，起到保護機械手的作用。

3.2 鉆桿箱的設計

鉆桿箱主要由左右安裝座、鉆桿箱體、調斜油缸等零部件組成（圖5）。 鉆桿箱最大容量為10 根鉆桿。 在調斜油缸1 作用下，鉆桿箱體5 可以實現-15°～90°調節(jié)。 傾角為-15°時，機械手取回的鉆桿在重力作用下滾動至箱底，為后續(xù)取回的鉆桿留出位置；傾角為15°時，鉆桿在重力作用下滾動至左右安裝座位置，保證機械手有鉆桿可抓；傾角90°時為運輸狀態(tài)，此時主履帶車寬度最小，便于井下打運。

圖5 鉆桿箱設計Fig.5 Design of drilling pipe box

活動板組件3 的主要作用是控制鉆桿箱內部寬度大小。 在打鉆過程中，傾角調整至15°，寬度調整油缸4 帶動活動板組件右移，此時鉆桿箱寬度達到最小808 mm，與鉆桿全長相比有8 mm 余量，保證鉆桿可在鉆桿箱中自由滾動。 此余量導致通過機械手抓取鉆桿放至雙夾持器時，會在鉆桿軸線方向上產生±4 mm 誤差，但此值并不會導致鉆桿與夾持器及主動鉆桿產生干涉，在許可范圍之內，不影響使用。 卸鉆過程中，鉆桿箱傾角調整至-15°，寬度調整油缸4 帶動活動板組件左移，此時鉆桿箱寬度達到最大853 mm，保證動力頭在卸鉆過程中，機械手抓取卸下的鉆桿放回至鉆桿箱時有足夠軸向空間不與鉆桿箱干涉，提高了鉆機系統(tǒng)的容錯率。

4 工程應用及效果分析

4.1 謝橋煤礦應用效果

淮南礦業(yè)集團謝橋煤礦鉆探工區(qū)于2015 年10月份采購了第1 臺遙控鉆機，進行穿層鉆孔施工，單月最高進尺達3 056 m，但是由于第1 代遙控鉆機機械手等關鍵部件可靠性尚不完善，工人雖然經過電控、液壓、機械方面的知識培訓，但并未真正理解，于2016 年6 月返廠升級大修，2016 年11 月運至礦上繼續(xù)施工。 其后又分別于2017 年3 月和2018 年5月各采購1 臺遙控鉆機，目前，3 臺遙控鉆機均在21216 底抽巷進行穿層瓦斯抽放鉆孔施工。

據礦方統(tǒng)計：遙控鉆機綜合臺效為-3 725 m，同功率的常規(guī)鉆機約3 698 m，由于自動鉆機自動化程度高，勞動強度小，可將每臺鉆機班組人員由20 人減少至12 人，減員效果十分顯著。 自動上下鉆桿系統(tǒng)有效降低了現場勞動強度。 遙控系統(tǒng)反應靈敏，響應及時，操作距離達50 m，能滿足現場使用要求，提高了現場安全性。

4.2 平煤八礦應用效果

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦鉆探工區(qū)15-21030 風巷進行全煤鉆孔施工，其地質及施工參數為：普氏系數0.2，瓦斯壓力2.4 MPa，煤層厚度3.0～3.6 m，平均厚度3.2 m，開孔高度1.2 m，鉆孔傾角-14°。 遙控鉆機現場施工情況如圖6 所示。

圖6 遙控鉆機應用現場Fig.6 Application site of remote control drilling rig

遙控鉆機使用情況：2018 年3 月27 日下井，2018年3 月—2020 年3 月共施工成孔1 153 個，累計進尺102 000 m，日進尺最高達312 m。 其中，2018 年5 月單月進尺達5 406 m。 2019 年6—9 月升井大修1 次，施工期間，遙控鉆機未出現重大故障。

改用遙控鉆機后，每班下井人數由3 人降為2人，并且工人勞動強度大幅下降。 采用防卡鉆技術后，卡鉆概率大幅下降，卡鉆由原來8 孔會出現1次，改善為30 孔左右才出現1 次。

5 結 論

1）通過對自適應鉆進技術的研究，自動檢測鉆進壓力、推進速度等參數，并對卡鉆概率進行評估，可對意外情況進行處理，提高了鉆機的智能化水平。

2）遙控鉆機通過機械手與鉆桿箱之間的配合，可自動上下鉆桿，鉆桿自動回收至鉆桿箱的功能。

3）遙控鉆機通過對人工打鉆過程的仿真模擬，通過液壓、機械、電控等途徑實現一鍵打鉆、一鍵卸鉆功能及全自動施工，有效降低工人勞動強度，達到減人增效的目的。

4）遙控鉆機同時涉及機械、液壓、電控等方面的知識，相對普通鉆機，系統(tǒng)比較復雜，在鉆機出現故障時，有必要增加程序顯示功能，將故障原因通過代碼或直接顯示等方式告知操作人員，以便于對鉆機及時維修。