ZDY4500LFK 全自動鉆機開發(fā)與應(yīng)用

董洪波，范 強，李 坤，馬 斌

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

2020 年3 月八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出到2025 年，大型煤礦和災(zāi)害嚴重煤礦基本實現(xiàn)智能化，形成煤礦智能化建設(shè)技術(shù)規(guī)范與標準體系，實現(xiàn)開拓設(shè)計、地質(zhì)保障、采掘（剝）、洗選物流等系統(tǒng)的智能化決策和自動化協(xié)同運行，到2035 年各類煤礦基本實現(xiàn)智能化的發(fā)展藍圖[1-2]。透明地質(zhì)保障系統(tǒng)的成功構(gòu)建是實現(xiàn)智能化采掘的基礎(chǔ)[3-4]，鉆機作為透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建的重要裝備之一，其施工安全性、勞動強度及可靠性高低對透明地質(zhì)保障系統(tǒng)是否能夠快速、高效、精準構(gòu)建有很大的影響[5-6]。

常規(guī)分體式煤礦坑道鉆機和履帶式鉆機沒有自動加卸鉆桿功能，而且需要人工近距離手動操作，存在操作復(fù)雜、工作效率低、勞動強度大等問題[7-9]。自2016 年以來，中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱“西安研究院”）、中煤科工集團重慶研究院有限公司（以下簡稱“重慶研究院”）相繼開發(fā)了ZDY4300LK、ZYWL-4000Y 等型號自動化鉆機，且已開展工業(yè)性推廣，但在應(yīng)用中部分機型可靠性較低、自動化程度有待提高[10-11]，操作方式均為近距離遙控操作，不能將鉆孔施工人員從有瓦斯突出、水害等威脅的礦井下解放出來。為此，筆者研發(fā)了ZDY4500LFK全自動鉆機（以下簡稱“全自動鉆機”）及其配套地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)，提出了鉆機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、監(jiān)測和控制系統(tǒng)的功能組成和實施方案，根據(jù)鉆機在淮河能源西部煤電集團唐家會煤礦（以下簡稱“唐家會煤礦”）透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用中遇到的問題，提出了技術(shù)性解決方案，可為同行研究與開發(fā)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

為了滿足更多的煤礦巷道尺寸要求，鉆機單體尺寸應(yīng)盡可能小，因此全自動鉆機采用分體式布局，分為泵車和鉆車。如圖1 所示，泵車搭載電機泵組、油箱、冷卻器等，為鉆車提供動力。如圖2 所示，鉆車主要由4 大部件組成：主機、送桿機械手、轉(zhuǎn)運器、和補桿裝置。主機沿鉆進軸線進行全自動鉆進和起鉆作業(yè)[12]。送桿機械手通過擺動實現(xiàn)鉆桿在主機鉆進軸線和轉(zhuǎn)運器之間的輸送[13]。轉(zhuǎn)運器調(diào)整鉆桿沿鉆進軸線和桿倉的對正精度。補桿裝置實現(xiàn)沿桿倉垂直方向鉆桿的抓取和沿桿倉水平方向鉆桿的輸送。補桿裝置桿倉為模塊化平臺設(shè)計[14]，分別可搭載容量為45、100、200 根鉆桿的3 種桿倉。鉆機電液控制系統(tǒng)控制上述4 大部件協(xié)同鉆孔，整個鉆孔過程無需人工加卸鉆桿，一次性最多可全自動加卸200 根鉆桿。

圖1 泵車系統(tǒng)主要組成Fig.1 Main system composition of the pump truck

圖2 鉆車主要系統(tǒng)組成Fig.2 Main system composition of the drilling rig

唐家會煤礦透明地質(zhì)保障系統(tǒng)構(gòu)建鉆孔施工中鉆機功能要求是：匹配遠距離遙控操作、施工-30°以內(nèi)的負角度鉆孔等工藝要求。因此，設(shè)計鉆機的主要性能參數(shù)見表1。

表1 鉆機主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of the drilling rig

2 監(jiān)測和控制系統(tǒng)組成及方案

全自動鉆機地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、遠控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)3 大部分組成[15-16]。鉆機主控系統(tǒng)主要包括以PLC 為核心的控制器、擴展IO 模塊、電磁閥組、傳感器組等。控制器實現(xiàn)鉆機本體的數(shù)據(jù)采集和電磁閥組的控制。遠控系統(tǒng)由以單片機為核心的控制臺與遠程監(jiān)測服務(wù)器組成，控制臺面板上設(shè)計有與鉆機功能對應(yīng)的開關(guān)量撥檔開關(guān)和模擬量電控手柄，通過開關(guān)和手柄給全自動鉆機發(fā)出控制指令，遠程監(jiān)測服務(wù)器安裝有鉆機遠程參數(shù)和視頻監(jiān)測軟件，進行整個鉆機運行狀態(tài)、參數(shù)及故障的監(jiān)測。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)由CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN 的2 種轉(zhuǎn)換模塊、環(huán)網(wǎng)交換機及井下萬兆環(huán)網(wǎng)組成。

地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)，總線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信和視頻監(jiān)測等技術(shù)實現(xiàn)了地面控制井下全自動鉆機[17]。監(jiān)測系統(tǒng)組成和方案如圖3 所示，主控系統(tǒng)通過總線、RS485、模擬量及開關(guān)量采集接口將壓力、位移、溫度、液位及甲烷檢測儀等傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進行采集、解析和轉(zhuǎn)換后，將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN 信號，再由CAN 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊通過數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，最后通過井下環(huán)網(wǎng)交換機和萬兆環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣?wù)器。為了監(jiān)視鉆機動力頭、機身位置、機械手動作、鉆場施工工況等信息，施工現(xiàn)場布置4 路攝像儀，攝像儀直接接入井下環(huán)網(wǎng)交換機，將鉆機現(xiàn)場信息傳到地面服務(wù)器上，實現(xiàn)地面監(jiān)測。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)組成和工作原理Fig.3 Composition and working principle of the monitoring system

控制系統(tǒng)組成和方案如圖4 所示，根據(jù)地面監(jiān)測系統(tǒng)反饋的鉆機運行時的參數(shù)及視頻，撥動遠控系統(tǒng)控制臺的開關(guān)或手柄，開關(guān)和手柄信號經(jīng)過調(diào)理后進入單片機，單片機進行信號解析和轉(zhuǎn)換后通過地面環(huán)網(wǎng)和井下萬兆環(huán)網(wǎng)交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?，最后通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN 轉(zhuǎn)換器將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為總線數(shù)據(jù)，傳輸給主控系統(tǒng)控制器，控制器輸出驅(qū)動電流驅(qū)動電磁閥換向，從而來實現(xiàn)鉆機全自動施工作業(yè)。

圖4 控制系統(tǒng)組成和工作原理Fig.4 Composition and working principle of the control system

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 補桿裝置桿倉列定位技術(shù)

由桿倉和機械手組成的補桿裝置二維示意圖如圖5 所示，沿X軸、Y軸桿倉列數(shù)和層數(shù)分別為4、5，沿X軸正向第2、3 列分別放置5 根鉆桿。由于鉆桿直徑為73 mm，補桿裝置桿倉列寬設(shè)計為76 mm。如圖5 虛線手爪所示，手爪固定端厚度為13 mm，所以桿倉之間隔板厚度設(shè)計為16 mm，即要求手爪抓桿定位控制精度在3 mm 以內(nèi)，如圖5 局部放大圖所示。為實現(xiàn)補桿裝置機械手滑移到桿倉每一列的精準定位，即定位精度在3 mm 以內(nèi)，沿圖5X正方向布置了一種位移傳感器來采集桿倉每列精準定位值。

圖5 補桿裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of reinforcing rod device

由傳感器實驗測試后，標定沿X軸正方向4 列精準定位值分別為Z1、Z2、Z3、Z4，傳感器實時采集值為P，由于傳感器沿X軸正方向采集值減小，因此當機械手抓取第二列鉆桿時滿足|P-Z2|<3 條件，便可實現(xiàn)第二列精確定位，即為圖5 中實線手爪抓桿情況。若不滿足|P-Z2|<3 條件，如圖5 中虛線手爪所示，出現(xiàn)手爪抓桿時與第三列鉆桿干涉的現(xiàn)象。針對此現(xiàn)象，設(shè)計了桿倉列定位PID 算法[18-19]，以Z2為設(shè)定目標值，進入PID 調(diào)節(jié)程序，通過提前設(shè)置好的比例、積分、微分系數(shù)，控制器發(fā)出指令，使補桿裝置以一定的速度在Z2處來回調(diào)節(jié)，直至滿足|P-Z2|<3 條件，即實現(xiàn)了補桿機械手第二列的準確定位，列定位控制流程如圖6所示。

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

3.2 自動接卸扣技術(shù)

全自動鉆機鉆進和起鉆過程中的加、卸鉆桿必須通過主機的主動鉆桿與孔內(nèi)鉆桿的接、卸扣來完成。鉆進過程中每新加 1 根鉆桿，主動鉆桿分別經(jīng)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(jīng)過1 次接扣和卸扣過程。在唐家會煤礦施工孔深146 m 的鉆孔，根據(jù)單根鉆桿有效長度750 mm 計算得出共需要195 根鉆桿，由以上所述可知從開始鉆進至起鉆完成，主動鉆桿總共需要接扣、卸扣780 次，然而每根鉆桿接、卸扣僅1 次，因此主動鉆桿絲扣磨損程度遠遠超過鉆桿的絲扣。主動鉆桿絲扣磨損程度越大，會導(dǎo)致主動鉆桿與鉆桿絲扣咬合不緊，進而導(dǎo)致全自動施工部分環(huán)節(jié)出錯，即導(dǎo)致整個全自動施工不能正常進行。因此，減輕自動化鉆機主動鉆桿絲扣的磨損程度，成為提高全自動鉆機可靠性的保障之一。

通過分析鉆機液壓控制系統(tǒng)，卸扣時動力頭邊回轉(zhuǎn)邊后退，因此可以將控制慢速鉆進的電磁換閥的閥芯機能由O 型更換為Y 型，便可通過回轉(zhuǎn)時給進油缸的浮動，減少絲扣的磨損。當動力頭回轉(zhuǎn)卸扣時，給進油缸的油可通過電磁換向閥的中位回油箱，即實現(xiàn)了浮動卸扣功能，減少了卸鉆時對主動鉆桿絲扣的磨損。

接扣時由于施工不同的傾角鉆孔，必須給動力頭施加一定的給進力F1，即動力頭邊正轉(zhuǎn)邊推進上扣，然而回轉(zhuǎn)接扣時沿鉆桿軸線會產(chǎn)生一定的推進力F2，F(xiàn)1與F2沿鉆桿軸線產(chǎn)生較大的合力F加速了主動鉆桿絲扣的磨損。為了解決這個問題，如圖7 所示，在負載敏感泵1 的控制回路增加了電磁比例溢流閥2，在換向比例閥3 控制馬達5 回轉(zhuǎn)接扣時，通過控制程序使溢流閥2 開啟，將合力F限制在較低的范圍，來達到減少主動鉆桿絲扣磨損的目的。電磁比例溢流閥2也可以在鉆機施工不同傾角大小的鉆孔時，通過遙控器比例手輪匹配推進油缸3 不同的給進力，因此可以在不同傾角均實現(xiàn)減少主動鉆桿絲扣磨損的目的。同時，為了提高主動鉆桿螺紋抗磨損性能，對其螺紋部分進行碳氮共滲的工藝處理，增強了抗磨損性能。

圖7 接扣限壓原理圖Fig.7 Schematic diagram of buckle voltage limiting

4 試驗與應(yīng)用

4.1 監(jiān)測與控制系統(tǒng)試驗

為了驗證地面監(jiān)測與控制系統(tǒng)的性能，2021 年9 月在唐家會煤礦進行了一個傾角為45°、孔深146 m的探放水孔試驗。監(jiān)測與控制系統(tǒng)如圖8 所示，地面1 人根據(jù)服務(wù)器顯示器的監(jiān)測畫面，通過操作控制臺進行鉆機操作，井下1 人進行鉆機輔助工作（鉆機行走、穩(wěn)固、桿倉2 次添加鉆桿等）。試驗結(jié)果表明：鉆機性能參數(shù)、視頻準確性和實時性滿足鉆機監(jiān)測要求，地面控制系統(tǒng)控制指令發(fā)出后鉆機動作未出現(xiàn)明顯延時，符合鉆機遠程控制的需求，即在鉆機不出現(xiàn)故障、不進行輔助工作時，地面1 人，井下1 人可完成全自動鉆孔施工。

圖8 全自動鉆機地面監(jiān)測與控制系統(tǒng)Fig.8 Full automatic drilling rig ground control system

由于在唐家會煤礦施工時頂板淋水較嚴重，導(dǎo)致鉆機除鉆進施工外的輔助工作較多，因此，該礦透明地質(zhì)保障系統(tǒng)鉆孔施工時，鉆機控制方式是以可視距離內(nèi)的無線遙控操作為主。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2021 年9 月，在唐家會煤礦施工第一個傾角為45°、孔深146 m 的探放水鉆孔時，偶發(fā)補桿裝置機械手在第二列定位不準的現(xiàn)象，分析原因可能是壓力波動或強電干擾導(dǎo)致的電磁閥手把的延遲復(fù)位。針對此現(xiàn)象，提出了桿倉列定位控制技術(shù)，在采用該技術(shù)后的鉆孔施工中，未出現(xiàn)列定位不準的現(xiàn)象。

2021 年9 月完成上述鉆孔時，主動鉆桿絲扣磨掉近三分之二。針對此問題，提出了自動接卸扣技術(shù)，后續(xù)通過現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)：電控比例限壓閥8 MPa 時，在唐家會煤礦61301 回風巷口施工完成第二個傾角45°、孔深146 m 的鉆孔時，絲扣較之前磨損程度大大減小。

4.3 全自動鉆孔施工應(yīng)用

唐家會煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受頂板砂巖水及底板奧灰水的雙重威脅。為滿足61301 工作面快速掘進對超前地質(zhì)情況探測的精度、速度的要求，西安研究院利用隨掘地震探測及智能鉆探驗證的“兩探”方案，為掘錨一體機的快速掘進提供地質(zhì)依據(jù)，同時能快速修正地質(zhì)模型，構(gòu)建透明地質(zhì)保障系統(tǒng)。2021 年10 月12 日隨掘地震探測出61301 回風巷口頂板有砂巖水威脅，唐家會煤礦地測通防部根據(jù)探測結(jié)果在61301 工作面設(shè)計了兩個傾角32°、方位分別為215°、245°，孔深 146 m 的疏放水孔1-1 號、1-2 號，如圖9 所示。要求采用全自動鉆機驗證和疏放61301 工作面頂板砂巖水，設(shè)計施工流程為：首先采用?94 mm 鉆頭開孔鉆進12 m 后起鉆，換?153 mm 鉆頭擴孔鉆進至之前的12 m 處，然后下?108 mm 套管至11 m 處進行注漿固管和安裝閘閥；最后進行?108 mm 套管承壓試驗，試驗合格后，方可采用?94 mm 鉆頭鉆進至終孔。

圖9 疏放水鉆孔設(shè)計平面圖Fig.9 Plane design drawing of drainage borehole plan

2021 年 10 月20 日早班開始鉆孔施工，2 名工人完成鉆機穩(wěn)固、接水管等輔助工作后，由其中一名工人在可視距離內(nèi)操控無線遙控器，進行全自動鉆孔，早班完成擴孔12 m 和注漿、固管工作。凝固24 h 后，10 月21 日早班施工該孔到60 m 時出水，出水量約1 m3/h，鉆進施工現(xiàn)場如圖10 所示。繼續(xù)施工到早班結(jié)束時，完成了1-1 號孔的鉆進，中班換其他2 名工人僅用6 h 完成了全自動起鉆，比該礦普通鉆機施工速度提高了2 倍。應(yīng)用結(jié)果表明：全自動鉆機高效、成功地驗證和疏放了隨掘地震探測出的頂板砂巖水。唐家會煤礦鉆機施工工人也由以前的3～4 人減至2 人，同時大幅減輕了勞動強度。

圖10 鉆進施工現(xiàn)場Fig.10 Drilling construction site drawing

5 結(jié) 論

a.全自動鉆機的研制及其配套地面監(jiān)測和控制系統(tǒng)的開發(fā)，提高了鉆孔施工的自動化程度，減少了井下施工人員的數(shù)量，減輕了工人的勞動強度、提升了施工的安全性。桿倉列定位、自動接卸扣技術(shù)的研究，提升了該鉆機的穩(wěn)定性和可靠性；

b.全自動鉆機在唐家會煤礦的應(yīng)用表明：該鉆機可以作為透明地質(zhì)保障系統(tǒng)安全、高效、精準構(gòu)建的鉆孔施工裝備；

c.為了進一步提升全自動鉆機自動化程度，后續(xù)還應(yīng)該加快開展鉆進參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，自動開孔、自主行走等關(guān)鍵技術(shù)研究，從而推動煤礦井下坑道鉆機向智能化目標快速發(fā)展。