遠程控制的井下瓦斯抽采鉆機

文/中煤科工集團重慶研究院 王清峰

“遠程控制的井下瓦斯抽采鉆機”，實現了地面遠程控制井下瓦斯抽采鉆孔施工，實現鉆進現場無人化，有效杜絕了煤與瓦斯突出傷人等事故的發生。2018年，該專利項目獲得了國家知識產權局和世界知識產權局組織授予的“第十九屆中國專利優秀獎”。

圖1 遠程控制工作原理示意圖

煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工，通常存在瓦斯噴孔、突出傷人事故等安全隱患；常規鉆機鉆孔施工，需要人工搬運鉆機和上下鉆桿，工人的勞動強度大，鉆孔效率低；常規鉆機操作人員多，鉆機旋轉、推進、系統故障等存在傷人危險。實現地面遠程控制井下瓦斯抽采鉆孔施工，可提高鉆機自動化水平，減輕工人勞動強度，提高鉆孔效率；減少井下作業人數，實現鉆進現場無人化，為煤礦井下無人化開采奠定技術基礎，保障礦井安全生產。

研發歷程

“遠程控制的井下瓦斯抽采鉆機”是中煤科工集團重慶研究院有限公司（簡稱重慶研究院）通過國家發改委2007年重大產業技術開發專項、“十一五”“十二五”國家科技重大專項課題以及企業多個自立科研項目的研究，所形成的技術成果。該項目經過調研、總體方案設計、詳細設計、樣機試制、出廠試驗、型式檢驗、井下工業性試驗以及現場應用等階段，研制了兩種型式的鉆機，其中，ZYWL-2000Y整體履帶式自動控制鉆機在重慶松藻煤電有限責任公司逢春煤礦進行了為期2個月的井下工業性試驗；ZYWL-4000SY雙履帶式自動控制鉆機在淮南礦業集團謝橋煤礦進行了約10個月的現場應用。

本項目所研制的遠程自動控制鉆機，是目前國內唯一能實現全自動施工的煤礦鉆機，和目前煤礦普遍使用的鉆機相比，遠距離控制和自動化施工是它最大的特點。該鉆機可進行“一鍵”全自動鉆進和退鉆，能實現自動移機、錨固與定位，推動了煤礦井下鉆孔施工的無人化進程，有效杜絕了煤與瓦斯突出傷人等事故的發生，保證煤礦生產安全。

2018年，經國家安全監管總局推薦，該專利項目獲得了由中國專利獎評審委員會評審，國家知識產權局和世界知識產權局組織授予的“第十九屆中國專利優秀獎”，為安全生產領域三個獲獎專利之一。

工作原理

煤礦井下遠距離自動控制鉆機以普通煤礦鉆機為基礎，根據需要配置相應的自動控制模塊，最終實現各種自動控制功能。通過各類檢測傳感器和攝像儀實時監測鉆機各環節工況參數、流程狀態、視頻圖像及場景聲音。通過綜合監控系統的寬帶網實現地面與井下數據、聲音、圖像的雙向實時傳輸。

利用礦井已有監控系統網絡，通過遠控站、綜合監控系統、主控站及液壓系統控制主機及各個執行機構動作，可實現：自動鉆進功能；0～90°傾角范圍自動上下鉆桿；自適應防卡鉆功能；自動記錄鉆進深度；模塊化結構，根據需要添加不同功能，如井下遙控、地面控制井下等功能。具備地面遠距離操作和現場遙控操作兩種遠程模式；具備單動和自動兩種控制模式，在自動模式時，可實現“一鍵”按下，自動進行鉆進或退鉆；具備鉆機運行狀態自檢與報警功能。

遠端控制站通過專用信號線控制鉆機主機端的控制器，遠控站可顯示鉆機狀態、聲音、視頻，具備地面監視井下施工畫面與聲音以及地面與井下語音通訊功能。地面遠控站發一指令，通過煤礦現有網絡傳給井下鉆機主控站，實現自動上下鉆桿，旋轉、推進等功能，可以完成施工鉆孔所有動作。可施工近水平孔。

關鍵技術及創新

關鍵技術

大傾角自動上下鉆桿技術：設計為機械手和儲存箱組合結構，通過高壓油驅動機械手上的液壓馬達和油缸等執行元件實現抓取鉆桿、輸送鉆桿和調整鉆桿傾角等動作；可實現0～90°傾角范圍內的鉆桿自動上下。

自動移機錨固定位技術：自動移機技術，攝像儀配合超聲測距儀的定位，實現遠距離控制鉆機移機；自動錨固技術，在油缸上安裝傳感器來測定錨固狀態，如果檢測壓力小于液壓系統設定錨固壓力值，則自動進行調節。

自動定位技術：開發出姿態儀，可以實時測量機架的方位角和傾角，并反饋給電控箱，控制程序控制履帶底盤上的液壓馬達及調斜油缸，來調節鉆機機架的方位角和傾角。

鉆孔參數采集、顯示及存儲技術：實現了自動計算鉆孔深度、采集開孔角度、鉆進壓力等參數功能；可以在顯示屏上實時顯示，并可以自動存儲；供驗孔及后期查閱。

創新點

國內首次將機械手應用于煤礦鉆機，通過機械手和配套的鉆桿箱，實現了鉆桿的自動上下，該機構取代人工操作，大大降低了操作者的勞動強度。

自主研發煤礦鉆機的自動鉆進控制程序，實現了煤礦鉆機鉆孔的自動化操作，為煤礦高效、安全生產提供了技術保障。

實現了煤礦鉆機的遠距離控制甚至地面控制井下鉆機施工鉆孔，保障了操作人員的安全，實現了施工現場無人化。

應用效果

圖2 遠程控制的自動鉆機

遠程控制的瓦斯抽采鉆機研制成功后，在重慶松藻逢春礦進行了現場工業性試驗，在淮南礦業謝橋礦進行了現場推廣應用，最大月進尺5 000余米，單機月進尺超過同工作面近似功率的傳統鉆機。現場試驗與推廣應用表明，遠程控制鉆機結構設計合理，視頻聲音監視系統畫面、聲音反饋清晰，地面及遙控操作系統穩定可靠、操作準確，自動移機、錨固、定位功能準確可靠，自動上下鉆桿動作準確穩定，自動鉆進及退鉆效率較高。

2016年11月16—18日，由中煤科工集團重慶研究院有限公司主辦、淮南礦業集團協辦的“遠控鉆機技術”交流會在淮南召開。有來自平煤神馬集團、神華神東煤炭集團、河南神火煤業集團、淮北礦業集團、鄭州煤炭工業集團、國投新集、新疆焦煤、陽煤集團等21家單位的72位專家、領導參會。通過現場考察與會議交流，與會專家一致認為：該裝備能實現一鍵自動鉆進，快速調整鉆孔方位和傾角，自動化程度高；能進行遠程控制，安全性能好；無需人工上下鉆桿，勞動強度小；可自動計算孔深并存儲，數據真實可靠。該裝備減少了現場操作人員數量，對于保障瓦斯抽放鉆孔施工人員的人身安全及減員增效，以及真正實現鉆孔施工無人化具有重大意義。

遠程控制井下瓦斯抽采鉆機的成功研制，為我國煤礦鉆進施工提供了先進的技術和裝備。推廣應用遠距離控制井下鉆孔施工，能夠有效杜絕施工過程中煤與瓦斯鉆孔突出傷人事故的發生，減少人員傷亡，保證煤礦安全生產。