摘要：为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，而钻机行业竞争日益激烈，钻机作业环境也日趋复杂，针对效串高、性能可章、安全风险小的自动化钻机研发已迫在届睫。对于自动化程度的提升，可减少人工操作，从本质上防范和遏制重特大事故，对于煤矿安全发展起积极推动作用。本文分析了煤矿井下自动化钻机研发关键技术。
关键词:自动化钻进;机械手;电液控制
根据不同的使用环境，自动化钻机需要不同的总体结构设计，而决定自动化钻机总体结构的主要因素是钻机的关键零部件和整个钻井工艺。钻机关键零部件的设计取决于钻机上下游产业的技术支持力度；钻井工艺需要对整个钻井工艺进行综合分析和优化。
一、自动化钻机总体概念设计
自动化钻机总体概念设计，排除市场和生产的干扰，作为研发和储备技术的一种手段，这个设计过程牵涉到几个学科和专业，需要在钻机设计行业或者在钻机使用方面经验丰富，大机械和自动化控制专业性强的团队。自动化钻机研发核心内容包括钻机安装，设备操作和控制，钻机井口工具及钻具排放，钻机泥浆循环和净化系统，钻机动力源系统，井控和固控系统、钻机动力驱动和控制以及各个系统、设备、工具、环境检测等部分。自动化钻机总体概念设计主要有以下几点：首先依据钻井工艺提出常规钻机从开钻到完井所有的工序、步骤、人力、工具、设备结构和环境地质参数等，然后列出整个钻井到完井所用到的钻井设备、工具、各个系统等。根据所有钻井设备、工具、各个系统使用性能统一或者分类设备动力源以及控制，其次优化钻井工艺和整合各个钻井设备，进行一体化设计，模拟、建模数个自动化钻机方案，最后对每个方案，从自动化钻机的自身性能、自动化程度、模块化和标准化等几个方面进行裁量，取舍和优化。
二、自动化钻机总体结构
钻机整体布局设计是根据使用要求合理地布置钻机结构件、传感器、数据信号采集处理器、配套电源等。整体布局设计应最大可能地利用空间，在减小钻机整体尺寸的同时便于钻机各系统的维护。钻机结构件的设计需在保证实现功能的基础上尽量结构紧凑，并给控制系统的硬件部分留出合适的安装位置，便于钻机各部件的布置。自动化钻机整体布局如图1所示，采用整体式履带结构，主机作为钻机的执行机构，为了方便检修设置在履带车体的前方;操纵台设置在履带车体的后方，便于采用液动控制时观察孔口;防爆控制箱和电磁启动器分别布置在车体平台的两列，便于接电和检修;电动机泵组安装在车体中间凹槽结构中，便于胶管连接;同时设计遥控操纵台，解决钻机关键执行部件的无线遥控操作需要，操作者视线不受现场环境的影响。
图1自动化钻机整体结构
1.回转器设计。煤矿井下一般采用回转器后方加卸钻杆方式，即钻机回转器采用中间通孔式结构，将钻杆从回转器中间穿入，在回转器上的卡盘与钻机前方的夹持器作用下实现钻杆装卸。自动化钻机应具备自动加卸钻杆功能。为实现自动加卸钻杆，应保证施工完一根钻杆后，安装另外一根钻杆时，钻杆丝扣处于同一固定位置。由于从回转器后方安装钻杆的方式，无法保证每根钻杆施工完成后钻杆的丝扣处于同一固定位置，因此自动化钻机设计采用中间加杆方式进行钻杆装卸。其回转器设计采用主动钻杆式结构，无卡盘和配油套，钻机回转时无泄漏，效率高。回转器采用两级齿轮减速结构，液压马达为A6V160型液控变量斜轴式柱塞马达，通过液压控制调节马达排量，实现回转器的无极变速。主动钻杆通过销轴和螺钉与主轴前端连接在一起，将主轴的转矩传递给钻杆。
主动钻杆前端为73 mm外平钻杆公螺纹锥扣，可与机械手、夹持器互相配合，实现长度750 mm，外径73 mm的外平钻杆的自动加卸，从而降低工人的劳动强度，提高钻进效率。为了实现自动加卸钻杆，在回转器主轴后方安装有光栅传感器，用于测量回转器的速度。
2．夹持卸扣装置设计。采用中间加杆方式进行钻杆装卸时，需要同时拧紧或拆卸钻杆两端的2个丝扣，现有钻机单夹持器设计无法满足双丝扣同时拧紧或拆卸的需要，因此开发了夹持卸扣装置。夹持器固定在给进装置机身的前端，用于夹持孔内钻具，还可配合卸扣器实现机械拧卸钻杆。夹持器为剪刀增力式结构，采用油缸控制夹紧松开工作方式。夹持器侧面开口，可使机械手将钻杆通过开口放入夹持中心，夹紧钻杆，配合回转器回转与给进，可完成回转器前端主动钻杆与夹持器内钻杆的上扣连接。
3.给进装置设计。给进装置应能精准控制开孔姿态和钻进状态，主要由给进油缸、倾角传感器、机身、托板、连接架、接近开关组件、后顶装置等部分组成。给进油缸选用单根单杆双作用油缸，油缸内装有位移传感器，可精确读取油缸位置。给进油缸活塞杆与托板固定，缸体上的耳环与机身固定，油缸往复运动即可带动拖板沿机身导轨移动，从而带动回转器移动。机身与连接架通过螺栓固定连接，连接架与左右调角装置回转支撑相连，通过液驱回转支撑转动，可控制给进装置进行调角。机身下方安装有倾角传感器，可实时显示机身角度。机身左侧安装有接近开关组件，用于判定机械手位置是否与机身水平，从而进行加卸钻杆操作。机身后方装有后顶装置，用于机身姿态调整好后与巷道侧帮进行稳固，提升钻机钻进过程中机身的稳定性。
4.自动上下钻杆装置设计。自动上下钻杆装置是实现钻杆自动加卸的执行机构，由钻杆托架、机械手总成、回转支撑等部分组成。钻杆托板是用来存放钻杆的，配套用73 mm外平钻杆单次最大存放容量为7根。通过调节托板两侧连杆位置，可实现托板向下倾斜，在自动卸钻时，可使钻杆自由下落［13－14］。机械手总成通过右侧回转支撑与左调角装置相连，该机械手由四联电磁手动换向阀控制，可实现钻杆的连续加卸。
5.多功能电液控制系统设计。钻机电液控制系统设计用于控制钻机钻进动作、其他辅助动作以及伺服系统动作，以实现钻机正常钻进功能以及其他必要的辅助功能，如自动上杆等。电液控制系统根据其作用又可分为主液压控制系统和伺服电液控制系统2个部分。主液压控制系统用于控制钻机完成移动、稳固、回转、钻进等主要钻进动作，以及自动上下钻杆装置等辅助装备的正常动作，以保证钻机基本钻进等功能的实现。伺服电液控制系统则用于接收钻机电控系统的实时信号，辅助完成钻机状态调整，伺服液压控制系统应尽量整合在主液压控制系统中，通过增加小型液压回路的方式完成伺服功能的实现，以降低钻机液压控制系统的复杂度，提高可靠性。
6.钻机控制系统设计。钻机控制系统设计包括钻机状态参数实时显示软件、钻孔轨迹实时显示软件和钻机实时控制系统设计。钻机状态参数实时软件从数据采集器接收钻机状态数据，通过计算实时显示钻机状态，如钻机回转压力、转速、钻机方位角、倾角等。钻孔轨迹实时显示软件接收钻头处信号发生器传回的信息，通过信号分析处理，计算合成钻孔轨迹图像并实时显示。
针对煤矿井下机械化、自动化、智能化钻进施工需要，研制了煤矿井下自动化钻机，解决了机械结构、电液驱动控制和参数监测控制等多因素融合设计难题，利用回转器、夹持卸扣装置、给进装置和自动上下杆装置等关键执行机构实现了钻机基本功能，利用电液控制系统实现了少人或无人远程操作，采用钻机控制系统实时监测和反馈控制钻进参数，实现了自动钻进。地面实钻试验情况表明，该自动化钻机具有钻进控制智能化、辅助功能动作自动化的优点，工作稳定可靠，显著降低了工人劳动强度，提高了钻进效率和钻进安全性，为“机械化换人、自动化减人”奠定了基础。
参考文献：
[1]王京.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望[J].工矿自动化，2018，44(2)：5–12.
[2]姚宏.煤矿井下钻探装备技术现状及展望[J].煤田地质与勘探，2019，47(1)：1–5.