煤矿井下自动化钻进技术及装备的发展历程与展望

王清峰，陈 航，周 涛

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；3.兖煤菏泽能化有限公司，山东 菏泽 274000)

煤炭既是我国的主体能源，又是重要的化工原料。我国既有的煤炭资源相比石油、天然气较充足，即便在“碳中和、碳达峰”的新背景下，煤炭产业和消费改革也不可能一蹴而就[1]，必须“立足国情、控制总量、兜住底线，有序减量替代，推进煤炭消费转型升级”。因此，在将来较长时间里，煤炭还将在我国能源消费中继续发挥压舱石的作用。

我国煤矿以井工开采为主，井下复杂的地质条件容易产生瓦斯、水害、冲击地压等灾害，给矿工的生命和煤矿财产造成严重的安全威胁。并且随着开采深度和强度的不断增加，各种煤矿灾害发生的概率、强度和治理难度也在不断提高[2-4]。与此同时，钻探仍是我国勘查、治理各种煤矿灾害的重要手段，但是传统钻探装备自动化程度低、劳动强度大、下井人员多，在煤矿其他各领域智能化技术快速发展的背景下已成为煤矿智能化建设的一大瓶颈。因此，《煤炭工业发展“十三五”规划》《煤矿机器人重点研发目录》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等政策文件都将煤矿智能(自动)钻探技术作为研究与应用的重点之一。

经过近50年的潜心耕耘，我国煤矿井下钻探技术与装备经历了从引进吸收到自主创新的过程，在自动化方面取得了独特、显著的成果。目前，我国的煤矿自动化钻探技术及装备已较为成熟，远程控制、全自动钻进、全自动装卸钻杆等技术及装备整体达到国际领先水平[1-3,5]，形成了较完善的技术体系和产品系列，保障了井下钻探现场人员安全，促进了煤矿智能化发展。

1 自动化钻进技术与装备发展历程

20世纪70年代，随着煤矿机械化技术的引进与应用，原有的钻探设备已经难以满足井下地质勘探与瓦斯抽采等生产需求，我国开始引进国外先进的坑道回转钻机；20世纪80年代，首次成功研发了全液压回转动力头煤矿钻机，开启了煤矿井下钻机的自主发展之路；20世纪90年代开始，我国自主研发的煤矿井下钻机逐步完善、稳定，并广泛应用于国内煤矿的各种工程孔施工，基本替代了进口装备。传统的煤矿井下钻机为灾害治理和安全保障发挥了重要作用，但是随着煤矿智能化建设的推进，其自动化程度较低、劳动强度大、下井人员多、存在明显安全隐患等不足也逐步暴露。煤矿井下钻机急需自动化升级，使操作人员操作钻机时不再暴露于井下危险区域，不再一味依靠人力来堆积钻进进尺与效率，不再单纯依靠人员经验判断工况状态。因此，自动化成为煤矿井下钻机技术与装备发展的首要目标。

1.1 井下远程电控式手动操作阶段

2007年，煤炭科学研究总院重庆研究院承担了国家发改委项目，开展“防突远距离控制钻机研制及配套工艺”的研究，旨在通过开发钻杆装卸装置、远程视频监控系统、远距离控制系统、履带行走装置等关键技术，形成一套适用于突出煤层瓦斯防突钻孔施工的远距离控制技术与装备。通过该项目，研制成了一套基于电液控制系统的履带式防突液压远程控制钻机(见图1)，开发出了适用于煤矿井下钻机的钻杆装卸机械化装置、基于有线信号传输的远程视频监控与远距离控制系统、履带行走装置等技术或系统，实现了井下钻机的150 m电控远程操作与视频监控，以及近水平、机械化装卸钻杆，对于提高瓦斯突出区域钻孔施工的安全性具有重要意义，为后续井下自动化钻进技术的研发提供了重要参考[6-7]。

图1 履带式防突液压远程控制钻机

以防突远距离控制钻机为基础，通过科技部科研院所专项“突出煤层钻孔远距离控制技术与装备”获得了丰硕的成果：优化了钻杆装卸装置，首创了无级调速动力头结合钳式双夹持器的中间装卸钻杆系统；研发了钻杆低损耗接卸扣技术，大幅减轻了接卸扣过程中钻杆接头的磨损；开发了联动式电液控制系统，实现了动力头、给进油缸与夹持器动作的联动控制，突破了钻进过程的半自动作业难题；进一步提高了防突液压远程控制钻机的机械装置及远程控制系统的可靠性。

井下远程电控式手动操作阶段的研究成果基本解决了煤矿井下钻机电控化远程控制与视频监控的问题，并在钻杆装卸执行装置、自动化钻进技术等方面有所突破，为提高井下钻机的安全性与自动化程度奠定了技术基础。但是，受到当时网络技术的限制，该阶段的远程控制技术采用有线网络，范围局限在井下距离钻机几百米内，钻进适用工况范围也仅为近水平倾角。

1.2 地面远程电控式手动操作阶段

井下远程电控式手动操作类钻机虽然在安全性方面较传统液压钻机有所提高，但是其控制距离仍然局限在井下，无法满足减少下井人员的需求。因此，发展地面控制井下钻机技术，将控制装置转移到地面成为了煤矿井下自动化技术发展的新方向。

2008年，煤炭科学研究总院重庆研究院承担了国家科技重大专项课题“地面控制井下瓦斯抽采钻机钻进技术与装备”，项目成果“地面控制井下瓦斯抽采钻机”(见图2)填补了多项技术空白：首创煤矿井下钻机地面远距离控制技术，实现了在几十公里之外的地面控制井下钻机施工，并可实时进行数据、视频、语音的双向通讯；首创用于煤矿钻机钻杆装卸系统的自适应定位技术，提高了远程控制的钻杆定位准确性；首创煤矿井下钻机防卡钻技术，使钻机可在具有严重卡钻危险的情况下停止钻进。

图2 地面控制井下瓦斯抽采钻机

与井下远程电控式手动操作阶段的“防突液压远程控制钻机”相比，“地面控制井下瓦斯抽采钻机”在远程控制技术方面有了飞跃式的进步：将操作人员转移到了地面，安全性大幅提高，并且减少了下井作业人数。该阶段的自适应钻杆装卸定位技术、防卡钻技术及负载敏感电液控制技术等成果成为了后续钻杆自动装卸技术、自动钻进技术及智能防卡钻算法的雏形，具有十分重要的意义。

1.3 地面远程自动控制阶段

为了在地面远程控制的基础上进一步减少下井作业人数，中煤科工集团重庆研究院有限公司依托“十二五”国家重大专项“松软突出煤层螺旋钻进技术与装备的研究”，以钻进过程自动化为核心，成功研制出“地面远距离自动控制钻机”[8-9]。

该钻机采用了“简易机械手”加“滑动选列式钻杆箱”双运动组合，首次实现较大倾角范围(0°～45°)的全自动装卸钻杆；采用压力、流量、位置、位移等多种传感器对液压系统和执行机构状态进行监测，结合自动控制程序，实现了钻进过程、钻杆装卸及姿态调节的全自动执行；进一步完善了地面远程控制技术，开发了多媒体地面控制站(见图3)，丰富了视频监控与参数监测手段，并实现远控移机和锚固。

图3 多媒体地面控制站

与前述各阶段单从控制距离入手以减少下井人数不同，地面远距离自动控制钻机实现了钻进过程、钻杆装卸等钻孔主要工序的自动化，在现场试验中基本实现了钻孔过程的人工“零介入”，开辟了煤矿井下“减人增效”和自动化钻进装备产业化的新方向。但是，地面远距离自动控制钻机的可靠性，以及施工效率与现场需求有较大差距。

1.4 全自动钻进结合单臂钻杆自动装卸系统阶段

为推进煤矿钻探工程的自动化，加快推进煤矿转型升级，实现煤炭安全、高效、绿色开采，从2014年起，中煤科工集团重庆研究院有限公司以地面远距离自动控制钻机为原型，开展了一系列面向现场需求、以提高钻机可靠性和效率为主要目标的研究，在国内率先开发了“煤矿自动钻机”系列产品。2015年，首台采用单个关节式机械手钻杆装卸系统的ZYWL-4000SY型双履带自动钻机(见图4)在淮南矿业的成功推广应用，也标志着国内煤矿自动化钻探装备进入产业化时代。

图4 ZYWL-4000SY双履带自动钻机主机

在地面远程控制的基础上，结合煤矿井下钻孔施工实际情况，ZYWL-4000SY型双履带自动钻机配置了井下无线遥控装置，实现了井下50 m内的可视化遥控操作，并可与地面控制站随时切换,实现了双模式安全远控。采用单个3自由度门框式机械手加开放框架式钻杆箱的组合，实现了-20°～+90°倾角钻杆自动装卸，首次实现了负倾角与大倾角工况下的钻杆自动装卸。该钻杆自动装卸系统更能适应钻场恶劣环境，大幅提高了钻杆自动装卸效率及可靠性。以“十一五”防卡钻技术为基础，采用加权赋值算法实现卡钻概率量化计算，初步实现了智能防卡钻。

现场应用表明，使用该自动钻机单班只需2人即可完成施工，减人50%，总体效率较传统钻机提高20%以上。

1.5 全自动钻进结合双臂钻杆自动装卸系统

前一阶段的产品虽然对煤矿井下钻探工程减人、增效、强安发挥了较好的促进作用，但是在现场批量应用中也暴露了钻杆箱容量较小、钻杆装卸效率不高、部分传感器稳定性较差等不足，这些不仅影响了自动钻机连续施工时间，也间接降低了施工效率。因此，促进自动钻机技术升级的研究势在必行。

自2016年起，陆续开展了电液控制系统优化、传感器防护升级、关键结构部件优化、自动装卸钻杆并行流程等一系列技术升级研究，结合2017年立项的重庆市重点产业共性关键技术创新专项“煤矿井下遥控智能钻进技术及装备研发”，实现了自动钻机技术的全面升级，以及稳定性、可靠性的大幅提升。同时，创新研发的大容量、双机械手钻杆装卸系统大幅提高了自动钻机的钻进续航能力，进一步减少了钻进过程中的人员介入[10-11]。淮南矿业、淮北矿业应用配备该套系统的ZYWL-4000Y全方位型自动钻机(见图5)建立了“三台一组”自动钻机生产线，实现了钻孔过程1人值守，单班4人即可运行3台自动钻机，钻机班组减人近60%，人均效率提高超过150%。

图5 ZYWL-4000Y全方位型自动钻机

全方位型自动钻机与前一阶段形成的常规型自动钻机优势互补，适用于不同巷道条件，从而形成了自动钻机两大系列产品，已在国内30多个煤矿推广应用100多台套。

2 煤矿现场对钻进技术的新需求

随着多项煤矿智能化政策的发布与落实，煤矿现场对自动钻机要求越来越高，一线人员通过日积月累的现场经验，提出了各种现场急需解决的新问题：

1)现有自动钻机在施工过程中可以采集自身状态参数，但是还无法感知孔内地质构造、瓦斯参数、地压参数等灾害防治的重要环境参数；

2)自动钻机采集的状态参数只是为其自身调节钻进状态提供依据，未能与灾害防治结果形成闭环；

3)目前国内的自动钻机普遍采用回转钻进方式钻孔，钻进轨迹无法实时测量，也不可控，而现有的定向钻机轨迹可控，但是自动化程度较低，现场急需轨迹可测、可控的自动定向钻进装备，以实现煤矿灾害精准防控；

4)现有自动钻机的移机和孔口除渣等辅助工序对人工的依赖度仍然较高，而这些辅助工序耗费时间多，劳动强度大，钻机操作安全性较差，急需提高其自动化程度；

5)现有自动钻机的施工模式为“单兵作战”，钻机与钻机之间、钻机与其他装备之间不能够共享各自采集到的信息，限制了煤矿灾害防治整体水平的提高。

3 自动化钻进技术发展趋势

自动化的高级阶段必然向智能化发展，根据现场提出的新需求、基础技术的新发展及各种技术融合的新态势，煤矿自动化钻进技术将主要向智能感知、数据融合利用、钻进轨迹控制、自动施工体系化等智能化方向发展。

3.1 钻进状态及工况智能感知技术

现有自动钻机可以对其自身的关键参数进行实时采集，据此分析卡钻、抱钻的可能性，并进行钻进参数的自动调节。但是，自动钻机要向智能化发展，能够实时感知孔内工况参数、钻场环境参数，以及更加丰富的钻机状态参数是必须要攻克的技术难题。

通过地质雷达或者参数反演的方法对孔内煤岩类型、地层特性等地质信息进行感知，为快速、准确地调节钻进参数提供更为可靠的依据[12-15]。在钻具上集成特定传感器，对瓦斯参数、围岩压力参数及岩层含水量等参数进行感知，为钻孔设计优化及灾害精准防治提供主要依据。应用视觉识别、动态判识、传感数据融合分析等技术，使自动钻机具有现场环境感知功能，可对现场瓦斯浓度、粉尘浓度，以及意外人员闯入等情况进行感知，并进行紧急停机、报警告知及远程呼叫等应急操作。同时，所监测的环境参数实时传输到煤矿安全监控系统，为隐患排查和安全规划提供第一手现场资料。

3.2 工况参数与环境参数融合利用技术

现有自动钻机的工况参数仅用于自身钻机参数的优化、调节，监测的瓦斯浓度也仅用于现场安全预警，未能应用于瓦斯抽采达标、冲击地压评估等灾害防治评价系统，“钻探”与“防治”处于一个相对脱节的状态，造成了钻探工程资源的浪费。

近几年，大数据、多源数据融合,以及区块链等数据技术的发展为感知参数与灾害防治评判的融合提供了技术基础。通过自动钻机的网络化远程控制系统，将感知的工况及现场环境参数上传；开发相应的参数反演模型、智能评估算法，将感知参数与灾害发生概率或级别进行匹配，并将相关评估结果同时推送至煤矿安全监控系统与其他智能化施工设备(采煤机、掘进机、支护设备等)，从而实现“钻探感知参数”为煤矿安全工程所用。

3.3 钻孔轨迹自动测量与控制技术

目前，国内外煤矿自动化钻机均采用回转钻进原理，尚不具备轨迹测量与控制，即定向钻进功能。而现有的定向钻机自动化程度又普遍较低，定向钻杆质量一般比回转钻机大得多，但是由于定向钻机缺少钻杆自动装卸系统，因此钻杆装卸环节的劳动量极大，安全性较差。此外，现有定向钻机的轨迹调节与钻进控制也缺乏相应的自动化技术，完全依靠人员经验，不符合煤矿智能化发展的趋势。

因此，多家国内大型煤炭企业提出了为自动钻机赋予定向钻进功能的迫切需求，以中煤科工集团重庆研究院有限公司和中煤科工集团西安研究院有限公司为代表的煤矿安全科技企业也主动承担起了相关技术开发的责任。其中，钻孔轨迹自动测量与控制技术是实现定向钻进自动化的重中之重。在现有钻孔轨迹测量技术的基础上，优化条件判断算法和数据传输方式，实现轨迹测量的快速判断与传输，满足与自动钻进匹配的快速、准确、自动测量[16-19]的要求。同时，应用电液比例精确控制、自动反馈修正算法，以及强力转矩传感器等最新技术，实现工具面向角自动、准确调节，摆脱钻孔轨迹控制对人员经验的依赖。

3.4 钻孔作业线自动化体系建设

现有自动钻机所使用的钻具仍为传统钻具，使用寿命难以估算；未配套自动化的钻渣处理或转运装置，钻孔过程中现场必须配备人员进行孔口除渣与转运；钻机的故障诊断与排除必须依靠人员进入现场处理。因此，每台自动钻机仍需独立配备值守人员，方可保证钻孔施工正常开展。

对于煤矿灾害防治而言，“有人值守”模式限制了现场安全水平和施工效率的进一步提高。即使将来以“智能钻孔机器人技术”进一步提高移机转场、开孔定位、钻孔过程控制等环节的智能化水平，如果孔口除渣及钻具维护等重要配套工序的自动化技术不能解决，“有人值守”的模式依旧难以改变。因此，研究钻具、钻渣处理及故障诊断等钻进配套工序的自动化技术，实现钻孔前、中、后全流程的自动化，建设钻孔作业线自动化体系，可使“有人值守”模式向“有人巡检”模式发展，进一步减少钻孔现场人员需求。

开发适用于钻孔恶劣工况的钻杆信息微型存储芯片与读写装置，研究钻具寿命管理与预警算法，实现钻具关键信息追溯，以及钻具寿命智能化预警；研究集成式集渣器、钻渣固液分离机、自动化转运装置等设备，实现钻渣从孔口到归集处的自动、清洁、高效处理，改善钻孔现场环境，减轻除渣工序的劳动强度；基于自动钻机传感器系统，研究故障监测系统，并建立故障诊断及处理专家数据库，实现自动化设备的故障自动诊断、处理及预警，减少典型故障对人工判识的依赖，降低维保难度，提高维保效率。

4 结语

多年以来，我国煤矿井下自动化钻进技术及装备持续发展，取得了显著的进步，获得了一系列重大成果，实现了由模仿、学习到创新引领的可喜转变，为煤矿安全生产、转型升级和智能化建设做出了重要贡献。随着“少人则安，无人则安”理念，以及煤矿智能化建设的不断深入，煤矿对自动化钻进技术及装备的需求必然有增无减，对其技术水平的要求必然越来越高，相关技术的研发依然任重道远。智能化、机器人化将是自动化技术发展的下一阶段，也是促进煤矿安全生产和可持续发展的更优的解决方案。因此，在持续优化已有自动化钻进技术及装备的同时，着手开发下一代智能化技术所需的基础理论、技术及关键元件，为煤矿安全生产的现在和未来保驾护航，成为煤矿钻探人的新使命。