摘要：結合鉆探技術及裝備在煤礦災害治理中的重要地位和煤礦智能化建設的新需求，梳理了我國煤礦井下自動化鉆進技術及裝備的發展歷程。闡述了井下遠程電控式手動操作、地面遠程電控式手動操作、地面遠程自動控制、全自動鉆進結合單臂鉆桿自動裝卸系統、全自動鉆進結合雙臂鉆桿自動裝卸系統階段等發展階段的技術突破與主要成果;指出了現有自動鉆機在工況感知、數據綜合分析、鉆進軌跡控制、集群協同施工以及配套裝置自動化等方面存在的不足;提出了鉆進狀態及工況智能感知技術、工況參數與環境參數融合利用技術、鉆孔軌跡自動測量與控制技術等需要攻克的新難題及初步研究思路，為煤礦鉆進技術及裝備由自動化向智能化發展提供參考。

　　關鍵詞：煤礦;鉆進技術及裝備;自動鉆機;遠程控制;自動化;智能化

　　煤炭既是我國的主體能源，又是重要的化工原料。即便在“碳中和、碳達峰”的新背景下，我國既有的煤炭資源相對充足，石油、天然氣相對不足的能源稟賦條件也意味著煤炭產業和消費改革不可能一蹴而就[1]，必須“立足國情、控制總量、兜住底線，有序減量替代，推進煤炭消費轉型升級”。

　　因此，在將來較長時間里，煤炭還將在我國能源消費中繼續發揮壓艙石的作用。我國煤礦以井工開采為主，井下復雜的地質條件容易產生瓦斯、水害、沖擊地壓等災害，給礦工的生命和煤礦財產造成嚴重的安全威脅。隨著開采深度和強度的不斷增加，各種煤礦災害發生的概率、強度和治理難度也有所提高[2-4]。鉆探仍是我國勘查、治理各種煤礦災害的重要手段，但是傳統鉆探裝備自動化程度低、勞動強度大、下井人員多，在煤礦其他各領域智能化技術快速發展的背景下已成為煤礦智能化建設的一大瓶頸。

　　煤礦井技術論文：煤礦井下探測機器人遠程控制系統的應用

　　因此，“科技強安行動”、《煤炭工業發展“十三五”規劃》、《煤礦機器人重點研發目錄》以及《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》等政策文件都將煤礦智能(自動)鉆探技術作為研究與應用的重點之一。經過近 50 年的潛心耕耘，我國煤礦井下鉆探技術與裝備經過了從引進吸收到自主創新的過程，在自動化方面取得了獨特的、顯著的成果。目前，我國的煤礦自動化鉆探技術及裝備已較為成熟，遠程控制、全自動鉆進、全自動裝卸鉆桿等技術及裝備整體達到國際領先水平[1-3,5]，形成了較完善的技術體系和產品系列，提升了國內煤礦鉆機自動化水平，保障了井下鉆探現場人員安全，促進了煤礦智能化發展。

　　1 自動化鉆進技術與裝備發展歷程

　　20 世紀 70 年代，隨著煤礦機械化技術的引進與應用，原有的鉆探設備已經難以滿足井下地質勘探與瓦斯抽采等生產需求，我國開啟了引進國外先進的坑道回轉鉆機的“拿來主義”之路。20 世紀 80年代，我國首次成功研發了全液壓回轉動力頭煤礦鉆機，開啟了煤礦井下鉆機的自主發展之路。20 世紀 90 年代開始，我國自主研發的煤礦井下鉆機逐步完善、穩定，已經廣泛應用于國內煤礦的各種工程孔施工，基本替代了進口裝備。

　　傳統的煤礦井下鉆機為災害治理和安全保障發揮了重要作用，但是隨著煤礦智能化建設的推進，其自動化程度較低、勞動強度大、下井人員多、存在明顯安全隱患等不足也逐步暴露。煤礦井下鉆機急需通過自動化升級擺脫“傻、大、粗”的固有形象，使操作人員不再位于井下危險區域操作鉆機，不再一味依靠人力來堆積鉆進進尺與效率，不再一味依靠人員經驗判斷工況狀態。因此，自動化成為煤礦井下鉆機技術與裝備發展的首要目標。

　　1.1 井下遠程電控式手動操作階段

　　2007 年，煤炭科學研究總院重慶研究院承擔了國家發改委項目，進行“防突遠距離控制鉆機研制及配套工藝”的研究，旨在通過開發鉆桿裝卸裝置、遠程視頻監控系統、遠距離控制系統、履帶行走裝置等關鍵技術，形成一套適用于突出煤層瓦斯防突鉆孔施工的遠距離控制技術與裝備。通過該項目的研究，形成了一套基于電液控制系統的履帶式防突液壓遠程控制鉆機。

　　開發了適用于煤礦井下鉆機的鉆桿裝卸機械化裝置、基于有線信號傳輸的遠程視頻監控與遠距離控制系統、履帶行走裝置等技術或系統，實現了井下鉆機的 150 m 電控遠程操作與視頻監控以及近水平、機械化裝卸鉆桿，對于提高瓦斯突出區域鉆孔施工的安全性具有重要意義，為后續井下自動化鉆進技術的開發提供了重要參考和啟發。以防突遠距離控制鉆機為基礎，煤炭科學研究總院重慶研究院通過科技部科研院所專項“突出煤層鉆孔遠距離控制技術與裝備”，優化了鉆桿裝卸裝置，首創了無級調速動力頭結合鉗式雙夾持器的中間裝卸鉆桿系統。

　　研發了鉆桿低損耗接卸扣技術，大幅減輕了接卸扣過程中鉆桿接頭的磨損;開發了聯動式電液控制系統，實現了動力頭、給進油缸與夾持器動作的聯動控制，突破了鉆進過程的半自動作業難題;進一步提高了防突液壓遠程控制鉆機的機械裝置及遠程控制系統的可靠性。井下遠程電控式手動操作階段的研究成果基本解決了煤礦井下鉆機電控化遠程控制與視頻監控的問題，并在鉆桿裝卸執行裝置、自動化鉆進技術等方面有所突破，為提高井下鉆機的安全性與自動化程度奠定了技術基礎。但是，受到當時網絡技術的限制，該階段的遠程控制技術采用有線網絡方案，局限在井下距離鉆機幾百米范圍內，鉆進適用工況范圍也僅為近水平傾角。

　　1.2 地面遠程電控式手動操作階段

　　井下遠程電控式手動操作類型的鉆機雖然在安全性上較傳統液壓鉆機有所提高，但是其控制距離仍然局限在井下，無法滿足減少下井人員的要求。因此，發展地面控制井下鉆機技術，將控制裝置轉移到地面成為了煤礦井下自動化技術發展的新方向。2008 年，煤炭科學研究總院重慶研究院承擔了國家科技重大專項課題“地面控制井下瓦斯抽采鉆機鉆進技術與裝備”，項目成果地面控制井下瓦斯抽采鉆機填補了多項技術空白：首創煤礦井下鉆機地面遠距離控制技術，實現了在幾十公里之外的地面控制井下鉆機施工，并可實時進行數據、視頻、語音的雙向通訊;首創用于煤礦鉆機鉆桿裝卸系統的自適應定位技術，提高了遠程控制的鉆桿定位準確性;首創煤礦井下鉆機防卡鉆技術，使鉆機可在具有嚴重卡鉆危險的情況下停止推進。

　　與井下遠程電控式手動操作階段的“防突液壓遠程控制鉆機”相比，地面控制井下瓦斯抽采鉆機在遠程控制技術方面有了飛躍式的進步，將操作人員轉移到了地面，安全性大幅提高，并且減少了下井人數。該階段的自適應鉆桿裝卸定位技術、防卡鉆技術以及負載敏感電液控制技術等成果成為了之后的鉆桿自動裝卸技術、自動鉆進技術以及智能防卡鉆算法的雛形，具有十分重要的意義。

　　1.3 地面遠程自動控制階段

　　為了在地面遠程控制的基礎上進一步減少下井工作人數，中煤科工集團重慶研究院有限公司依托“十二五”國家重大專項“松軟突出煤層螺旋鉆進技術與裝備的研究”，以鉆進過程自動化為核心，成功研制了“地面遠距離自動控制鉆機”[8-9]。

　　該鉆機采用了簡易機械手加滑動選列式鉆桿箱的雙運動組合，首次實現較大傾角范圍(0~45°)的全自動裝卸鉆桿;采用壓力、流量、位置、位移等多種傳感器進行液壓系統和執行機構狀態監測，結合自動控制程序，實現鉆進過程、鉆桿裝卸以及姿態調節的全自動執行;進一步完善了地面遠程控制技術，開發了多媒體地面控制站，豐富了視頻監控與參數監測手段，并實現遠控移機和錨固。與前述各階段單從控制距離入手減少下井人數不同，地面遠距離自動控制鉆機實現了鉆進過程、鉆桿裝卸等鉆孔主要工序的自動化，在現場試驗中基本實現了鉆孔過程的人工“零介入”，開辟了煤礦井下“減人增效”和自動化鉆進裝備的產業化的新方向。但是，地面遠距離自動控制鉆機的可靠性以及施工效率距現場需求有較大差距。

　　1.4 全自動鉆進結合單臂鉆桿自動裝卸系統階段

　　為加快推進煤礦鉆探工程的自動化，加快推進煤礦轉型升級，實現煤炭安全、高效、綠色開采，從 2014 年起，中煤科工集團重慶研究院有限公司以地面遠距離自動控制鉆機為原型，開展了一系列面向現場需求的、以提高可靠性和效率為主要目標的研究，在國內率先開發了“煤礦自動鉆機”產品。2015年，首臺采用單個關節式機械手鉆桿裝卸系統ZYWL-4000SY 型雙履帶自動鉆機(圖業成功推廣應用，也標志著國內煤礦自動化鉆探裝備進入產業化時代。

　　在地面遠程控制的基礎上，結合煤礦井下鉆孔施工實際情況，ZYWL-4000SY 型雙履帶配置了井下無線遙控裝置，實現井下的可視化遙控操作，并可與地面控制站隨時切換，實現了雙模式安全遠控。采用單個 3機械手加 開放框架式鉆桿箱的組 合，實現了-20°~+90°傾角鉆桿自動裝卸，首次實現了負傾角與大傾角工況下的鉆桿自動裝卸。該鉆桿自動裝卸系統更能適應鉆場惡劣環境，大幅提高了鉆桿卸效率及可靠性。以“十一五”防卡鉆技術采用加權賦值算法實現卡鉆概率量化現了智能防卡鉆。現場應用表明，自動鉆機單班只需成施工，減人 50%，總體效率較傳統鉆機提高以上。

　　1.5 全自動鉆進結合雙臂鉆桿自動裝卸系統

　　前一階段的產品雖然對煤礦井下增效、強安發揮了較好的促進作用，但是現場應用也暴露了鉆桿箱容量較小、較低、部分傳感器穩定性較差等缺點鉆機連續施工時間，也間接降低了施工效率。

　　促進自動鉆機技術升級的研究勢在必行2016 年起，中煤科工集團重慶研究院陸續設立多個科研創新項目，開展電液化、傳感器防護升級、關鍵結構部件優化、卸鉆桿并行流程等一系列技術升級研究年立項的重慶市重點產業共性關鍵技術創新專項“煤礦井下遙控智能鉆進技術及裝備研發動鉆機技術的全面升級以及穩定性、可靠性的大幅提升。同時，創新研發的大容量、雙機械手鉆桿裝卸系統大幅提高了自動鉆機的鉆進續航能力，步減少了鉆進過程中的人員介入團、淮北礦業集團應用配備動鉆機建立了“三臺實現了鉆孔過程 1 人值守，單班自動鉆機，實現鉆機班組減人近高超過 150%。

　　2 煤礦現場對鉆井技術的新需求

　　隨著多項煤礦智能化現場對于自動鉆機要求越來越高積月累的現場經驗，提出了各種現場急需問題：

　　1)現有自動鉆機在施工過程中可以采集自身狀態參數，但是還無法感知孔內地質構造、瓦斯參數、地壓參數等災害防治的重要環境。

　　2)自動鉆機采集的狀態參數只是為其本身調節鉆進狀態提供依據，未能與災害防治結果形成閉環。

　　3)目前國內的自動鉆機普遍鉆孔，鉆進軌跡無法實時測量，的定向鉆機軌跡可控，但是自動化程度急需軌跡可測、可控的自動礦災害精準防控。

　　3 自動化鉆進技術發展趨勢

　　自動化的高級階段必然向智能化發展。因此，根據現場提出的新需求、基礎技術的新發展，以及各種技術融合的新態勢，煤礦自動化鉆進技術將主要向智能感知、數據融合利用、鉆進軌跡控制、自動施工體系化等智能化方向發展。

　　3.1 鉆進狀態及工況智能感知技術

　　現有自動鉆機可以對其自身的關鍵參數進行實時采集，并據此分析卡鉆、抱鉆可能性，進行鉆進參數的自動調節。但是，自動鉆機要向智能化發展，實時感知孔內工況參數、鉆場環境參數，以及更加豐富的鉆機狀態參數是必須要攻克的技術難題。通過地質雷達或者參數反演的方法對孔內煤巖類型、地層特性等地質信息進行感知，為快速、準確調節鉆進參數提供更為可靠的依據[12-15]。

　　在鉆具上集成特定傳感器，對瓦斯參數、圍巖壓力參數，以及巖層含水量等參數進行感知，為鉆孔設計優化及災害精準防治提供主要依據。應用視覺識別、動態判識、傳感數據融合分析等技術，使自動鉆機具有現場環境感知功能，可對現場瓦斯濃度、粉塵濃度，以及意外人員闖入等情況進行感知，并進行緊急停機、報警告知及遠程呼叫等應急操作。同時，所監測的環境參數實時傳輸到煤礦安監系統，為現場隱患排查和安全規劃提供第一現場資料。

　　3.2 工況參數與環境參數

　　融合利用技術現有自動鉆機的工況參數僅用于自身鉆機參數的優化、調節，監測的瓦斯濃度也僅用于現場安全預警，未能應用于瓦斯抽采達標、沖擊地壓評估等災害防治評價系統，“鉆探”與“防治”處于一個相對脫節的狀態，造成了鉆探工程資源的浪費。近幾年，大數據、多源數據融合，以及區塊鏈等數據技術的發展為感知參數與災害防治評判的融合提供了技術基礎。

　　通過自動鉆機的網絡化遠程控制系統，將感知的工況及現場環境參數上傳;開發相應的參數反演模型、智能評估算法將感知參數與災害發生概率或級別進行匹配，并將相關評估結果同時推送至煤礦安監系統與其他智能化施工設備(采煤機、掘進機、支護設備等)，從而實現“鉆探感知參數”為煤礦安全工程所用。

　　3.3 鉆孔軌跡自動測量與控制技術

　　目前，國內外煤礦自動化鉆機均采用回轉鉆進原理，尚不具備軌跡測量與控制，即定向鉆進功能。而現有的定向鉆機自動化程度又普遍較低，定向鉆桿質量一般比回轉鉆機大得多，但是由于定向鉆機缺少鉆桿自動裝卸系統，因此鉆桿裝卸環節的勞動強度極大，安全性較差。此外，現有定向鉆機的軌跡調節與鉆進控制也缺乏相應的自動化技術，完全依靠人員經驗，不符合煤礦智能化發展的趨勢。

　　因此，多個國內大型煤炭企業提出了為自動鉆機賦予定向鉆進功能的迫切需求，以中煤科工集團重慶研究院有限公司和中煤科工集團西安研究院有限公司為代表的煤礦安全科技企業也主動承擔起了相關技術開發的責任。其中，鉆孔軌跡自動測量與控制技術是實現定向鉆進自動化的重中之重。在現有鉆孔軌跡測量技術的基礎上，優化條件判斷算法和數據傳輸方式，實現軌跡測量的快速判斷與傳輸，達到與自動鉆進匹配的快速、準確、自動測量[16-19]。同時，應用電液比例精確控制、自動反饋修正算法及強力轉矩傳感器等最新技術，實現工具面向角自動、準確調節，擺脫鉆孔軌跡控制對于人員經驗的依賴。

　　3.4 鉆孔作業線自動化體系建設

　　現有自動鉆機所使用的鉆具仍為傳統鉆具，使用壽命難以估算;未配套自動化的鉆渣處理或轉運裝置，鉆孔過程中現場必須配備人員進行孔口除渣與轉運;鉆機的故障診斷與排除必須依靠人員進入現場處理。因此，每臺自動鉆機仍需獨立配備值守人員方可保證鉆孔施工正常開展。對于煤礦災害防治而言，“有人值守”模式限制了現場安全水平和施工效率的進一步提高。即使將來以“智能鉆孔機器人技術”進一步提高移機轉場、開孔定位、鉆孔過程控制等環節的智能化水平，如果孔口除渣及鉆具維護等重要配套工序的自動化技術不能解決，“有人值守”的模式依舊難以改變。

　　4 結語

　　多年以來，我國煤礦井下自動化鉆進技術及裝備持續發展，取得了顯著的進步，獲得了一系列重大成果，實現了由模仿、學習到創新引領的可喜轉變，為煤礦安全生產、轉型升級和智能化建設做出了重要貢獻。隨著“少人則安，無人則安”理念以及煤礦智能化建設的不斷深入，煤礦對于自動化鉆進技術及裝備的需求必然有增無減，對于其技術水平的要求必然越來越高，相關技術的研發依然任重道遠。

　　從汽車、物流等行業的發展歷程可以看出，智能化、機器人化將是自動化技術發展的下一階段，也是促進煤礦安全生產和可持續發展的更優的解決方案。因此，在持續優化已有自動化鉆進技術及裝備的同時，著手開發下一代智能化技術所需的基礎理論、技術及關鍵元件，為煤礦安全生產的現在和未來保駕護航，成為煤礦鉆探人的新使命。

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　　作者：王清峰 1,2，陳 航 1,2，周 濤 3