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(tuán)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(jìn)步做出了重要貢獻(xiàn)。隨著新技術(shù)的融合和煤礦大力推進(jìn)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(jī)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(jī)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(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向金屬礦山，并向遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)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(jī)、美國Boart Longyear公司的LM?系列坑道巖心鉆機(jī)、瑞典Sandvik公司的DB系列巖心鉆機(jī)、澳大利亞Valley Longwall公司的VLD系列煤礦坑道定向鉆機(jī)、美國Fletcher公司的坑道錨桿鉆機(jī)等得到了廣泛應(yīng)用。

Epiroc公司的Diamec PHC系列鉆機(jī)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(diǎn)。由于Epiroc公司近年來在產(chǎn)品的自動(dòng)化、智能化和信息處理方面進(jìn)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(jī)產(chǎn)品。Diamec Smart系列鉆機(jī)（圖1）采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)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(jìn)行鉆機(jī)操控，所有孔內(nèi)鉆具的下放和提升工作都可以通過鉆機(jī)自動(dòng)完成。該系列鉆機(jī)配備的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)，并可以快速設(shè)定和監(jiān)測鉆進(jìn)參數(shù)，即使在危險(xiǎn)區(qū)域，操作人員也可以在安全區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，而且1名操作人員可同時(shí)控制3臺鉆機(jī)，顯著提高了生產(chǎn)效率。

圖1 Diamec Smart 6鉆機(jī)Fig.1 Diamec Smart 6 drill rig

Boart Longyear公司的LM?系列鉆機(jī)（圖2）采用分體式布局，方便狹小空間布置。采用負(fù)載敏感液壓技術(shù)，可以實(shí)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(jìn)速度和回轉(zhuǎn)速度控制，還可以配備DCI鉆進(jìn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人看管的自動(dòng)鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。Sandvik公司的DB120鉆機(jī)（圖3），具備自動(dòng)調(diào)幅調(diào)角系統(tǒng)、自動(dòng)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(yuǎn)程遙控施工、連續(xù)鉆進(jìn)施工、安全可靠等特點(diǎn)。

圖2 LM?110鉆機(jī)Fig.2 LM?110 drill rig

圖3 DB120鉆機(jī)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(qiáng)的發(fā)展歷程［8-12］。在發(fā)展過程中，以中煤科工集團(tuán)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(jī)為代表的鉆機(jī)產(chǎn)品，鉆進(jìn)工藝上采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，通過穩(wěn)定組合鉆具配備單點(diǎn)測斜儀實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡控制。全液壓分體式鉆機(jī)采用主機(jī)、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(jī)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)一定程度的鉆孔造斜，并結(jié)合單點(diǎn)測斜儀對鉆孔軌跡進(jìn)行控制。該階段利用分體式鉆機(jī)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(dá)865 m的順煤層鉆孔。穩(wěn)定組合鉆具軌跡控制無法實(shí)現(xiàn)隨鉆測量，在改變造斜方向時(shí)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(jìn)，目前分體式鉆機(jī)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(jī)、履帶式定向鉆機(jī)及隨鉆測量定向鉆進(jìn)、松軟煤層回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及氣動(dòng)螺桿馬達(dá)隨鉆測量定向鉆進(jìn)等先進(jìn)鉆探裝備與技術(shù)［13-17］。普通履帶式鉆機(jī)成功解決了鉆機(jī)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(jī)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(gè)性化定制鉆機(jī)的需求越來越大。鉆機(jī)設(shè)計(jì)以個(gè)性化的用戶需求為導(dǎo)向，通過模塊化、平臺化的設(shè)計(jì)思路快速適應(yīng)用戶的個(gè)性化改造、改型，并逐漸形成系列化產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)思路是針對鉆機(jī)的組成結(jié)構(gòu)將履帶式鉆機(jī)分為履帶車體、變幅裝置、主機(jī)、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(kuò)展能力的平臺化產(chǎn)品，通過在平臺上安裝主機(jī)等其他模塊化部件，最終形成結(jié)構(gòu)參數(shù)各異的個(gè)性化定制鉆機(jī)。

履帶式定向鉆機(jī)方面，目前已實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，取代了進(jìn)口產(chǎn)品，并在鉆機(jī)性能、隨鉆測量技術(shù)及配套鉆具等方面，超過同類進(jìn)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(jìn)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(jìn)技術(shù)與裝備日趨成熟，能力不斷提升，促進(jìn)了我國煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)的孔深記錄不斷被刷新。2019年，中煤科工集團(tuán)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(jī)、超長孔定向鉆進(jìn)減阻工藝和復(fù)合鉆進(jìn)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(jìn)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(jìn)技術(shù)、大螺旋高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)技術(shù)、三棱鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)并存的局面，其中中風(fēng)壓鉆進(jìn)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(jìn)一步提高松軟煤層的瓦斯抽采鉆孔深度，開發(fā)了氣動(dòng)螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)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(dòng)螺桿馬達(dá)雙管護(hù)孔定向鉆進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對鉆進(jìn)地層的邊護(hù)孔邊鉆進(jìn)。氣動(dòng)螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)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(shí)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(dòng)螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)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(jī)械化換人、自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)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(jìn)入了新的發(fā)展階段［19-25］。

4.1 自動(dòng)加桿的電液控制自動(dòng)化鉆機(jī)

煤礦坑道鉆機(jī)施工多采用人工加卸鉆桿，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差等問題。履帶行走時(shí)，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(jī)的施工以操作人員的經(jīng)驗(yàn)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(jī)的鉆進(jìn)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(dòng)加卸鉆桿、一鍵自動(dòng)鉆進(jìn)、遠(yuǎn)距離遙控操作、鉆進(jìn)參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測與信息交互等功能的電液控制自動(dòng)化鉆機(jī)，如ZDY4300LK、ZYWL-4000SY型鉆機(jī)等。該類鉆機(jī)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(jī)械手從鉆桿倉中抓取鉆桿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加卸鉆桿，并可一鍵操作自動(dòng)鉆進(jìn)。自動(dòng)鉆進(jìn)功能能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，無需人工干預(yù)進(jìn)行連續(xù)鉆進(jìn)，鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)還可通過參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測各鉆進(jìn)參數(shù)運(yùn)行狀況并給予異常報(bào)警。

這種電液控制自動(dòng)化鉆機(jī)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(bǔ)充鉆桿；自動(dòng)鉆進(jìn)功能遇到地層變化、負(fù)載突變時(shí)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(jìn)裝備技術(shù)

“十三五”期間，圍繞國家科技重大專項(xiàng)，開展了“煤礦井下智能化鉆探裝備及高效快速鉆進(jìn)技術(shù)”的研究，通過對防爆電液控制、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、無線遙控技術(shù)開展研究，解決了大功率定向鉆進(jìn)裝備自動(dòng)化加卸鉆桿問題，提升了鉆機(jī)運(yùn)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(jī)，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(jìn)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(jìn)裝備（圖5）與高效快速鉆進(jìn)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(dòng)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(jī)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(jī)器人開發(fā)

2018年開始，基于國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“井下瓦斯防治鉆孔與封孔機(jī)器人”項(xiàng)目開發(fā)了瓦斯抽采鉆孔機(jī)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(dá)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(dòng)鉆孔需求；開發(fā)了防爆伺服電機(jī)控制的六自由度機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)不間斷自動(dòng)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(shí)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(jī)器人還具備開孔自動(dòng)位姿調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)開孔的參數(shù)化控制；具有自動(dòng)鉆進(jìn)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(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)報(bào)警和信息的及時(shí)跟蹤；配套自動(dòng)封孔裝置，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔、完孔的自動(dòng)化。

5 展望

隨著我國煤礦企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)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(diǎn)研發(fā)，加快推進(jìn)我國煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)的智能化水平。

5.1 鉆機(jī)智能控制水平的提升

目前自動(dòng)化鉆機(jī)已具備自動(dòng)加卸鉆桿、程序控制自動(dòng)鉆進(jìn)、遠(yuǎn)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(jìn)一步突破核心技術(shù)來提升鉆機(jī)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(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)裝備的自主導(dǎo)航定位，通過開發(fā)鉆進(jìn)過程自適應(yīng)和人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程的自適應(yīng)與人機(jī)交互鉆進(jìn)，通過開發(fā)人機(jī)安全系統(tǒng)保障人工輔助條件下智能化鉆機(jī)的安全施工。

5.2 機(jī)電液系統(tǒng)的故障智能診斷與預(yù)測

隨著電液控制鉆機(jī)功能的增加和智能化技術(shù)的推進(jìn)，鉆機(jī)操作、維護(hù)人員需要同時(shí)面對機(jī)械、液壓、電控方面的故障問題，這對于鉆機(jī)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(jìn)和工作參數(shù)監(jiān)測，能實(shí)現(xiàn)故障的簡單診斷。由于鉆機(jī)是一個(gè)機(jī)、電、液協(xié)同工作的裝備，其故障源較多。因此，要針對鉆機(jī)的機(jī)、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(yùn)算算法實(shí)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(shí)預(yù)測鉆機(jī)可能存在的故障源，為操作、維護(hù)人員提供技術(shù)支撐。

5.3 基于5G技術(shù)的井上遠(yuǎn)程操作鉆機(jī)和信息交互

煤礦坑道鉆探的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)井上遠(yuǎn)程遙控的無人鉆探模式。但要實(shí)現(xiàn)井上遠(yuǎn)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(yuǎn)不夠，無法實(shí)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(gè)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(yuǎn)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(shí)際數(shù)據(jù)，在薄煤層定向鉆進(jìn)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(qiáng)振動(dòng)下傾角和工具面角的高精度動(dòng)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(shí)現(xiàn)對地層煤、巖性識別，為鉆進(jìn)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(shí)現(xiàn)多參數(shù)隨鉆測量信息上傳、控制指令下達(dá)和孔底供電等功能。