ZYWL-15000DSY型煤矿井下自动化定向钻机的研制及应用

王杰; 孟祥辉; 闫保永

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505942

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (21) :9072-9081 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505942

矿冶工程

ZYWL-15000DSY型煤矿井下自动化定向钻机的研制及应用

王杰 ¹^,² ,
孟祥辉 ¹^,² ,
闫保永 ¹^,²^,^*

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Development and Application of ZYWL-15000DSY Type Automated Directional Drilling Rig for Coal Mine

WANG Jie ¹^,² ,
MENG Xiang-hui ¹^,² ,
YAN Bao-yong ¹^,²^,^*

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摘要

煤矿智能化建设对煤机装备的研发提出了“机械化换人、自动化减人”的具体要求。为满足定向钻机自动化升级需求,分析了传统钻机在安全、效率和信息化方面存在的问题,重点研究了钻机的电液控制方式及三项自动化技术。首先,设计了矿用防爆电液控制系统,由数据采集感知单元、液压控制单元、无线遥控单元和控制器局域网(controller area network,CAN)单元组成,实现了钻机全部动作的视距遥控操作。其次,开发了钻杆自动装卸、工具面向角自动调整和水路系统自适应调节功能,通过双机械手二次转运方式解决了钻杆抓取与姿态调整问题,采用双闭环控制实现了工具面向角的精确调整与自动修正,并基于经验模型实现了泥浆泵流量与钻孔参数的自适应匹配。在此基础上,研制了ZYWL-15000DSY型大功率自动化定向钻机,并在山西寺河煤矿开展试验应用,累计钻孔深度超过11 000 m。应用表明:钻机可一次装载钻杆54根(总长度81 m),满足单班作业需求;在自动模式下,单根钻杆的自动装卸时间约90 s;配套电磁波无线测量系统时,顺煤层定向钻孔效率可达13 m/h。该技术及装备的应用有效降低了工人劳动强度,提高了作业安全性,初步实现了减人增效的应用目标。

Abstract

The intelligent construction of coal mines has put forward the requirements of “mechanization of personnel replacement and automation of personnel reduction” for the research and development of coal mining equipment. In order to meet the automation upgrade requirements of directional drilling rigs, the problems of traditional drilling rigs were analyzed in terms of safety, efficiency, and informatization, and the research of drilling rig electro-hydraulic control methods and three automation technologies were focused on. Firstly, a mining explosion-proof electro-hydraulic control system was designed, consisting of a data acquisition and perception unit, a hydraulic control unit, a wireless remote-control unit, and a controller area network (CAN) unit, which enables line of sight remote control of all movements of the drilling rig. Secondly, automatic loading and unloading of drill rods, automatic adjustment of tool orientation angle, and adaptive adjustment of waterway system have been developed. The problem of drill rod grasping and attitude adjustment has been solved through the secondary transportation of dual robotic arms. The precise adjustment and automatic correction of tool orientation angle have been achieved through dual closed-loop control, and the adaptive matching of mud pump water volume and drilling parameters has been achieved based on empirical models. On this basis, the ZYWL-15000DSY high-power automated directional drilling rig was developed and tested in Sihe coal mine, Shanxi Province, with a cumulative drilling depth of over 11 000 m. The application shows that the drilling rig can load 54 drill rods (with a total length of 81 m) at once, meeting the requirements of single shift operations. In automatic mode, the automatic loading and unloading time of a single drill rod is about 90 s. When equipped with an electromagnetic wave wireless measurement system, the directional drilling efficiency along the coal seam can reach 13 m/h. The application of this technology and equipment effectively reduces the labor intensity of workers, improves work safety, and initially achieves the goal of reducing manpower and increasing efficiency.

Graphical abstract

关键词

定向钻机 / 自动化 / 电液控制 / 钻杆装卸 / 工具面向角调整 / 水路自适应调节

Key words

directional drilling rig / automation / electro hydraulic control / drilling rod loading and unloading / tool orientation angle adjustment / adaptive regulation of waterways

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王杰, 孟祥辉, 闫保永. ZYWL-15000DSY型煤矿井下自动化定向钻机的研制及应用[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(21): 9072-9081 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505942

WANG Jie, MENG Xiang-hui, YAN Bao-yong. Development and Application of ZYWL-15000DSY Type Automated Directional Drilling Rig for Coal Mine[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(21): 9072-9081 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505942

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煤矿井下定向钻进技术是一种高效的钻探方法,相比常规回转钻进,具有钻孔轨迹可控、地层适应性强、钻进距离远、覆盖范围广的显著优势,广泛应用于煤矿瓦斯抽采、探放水及地质构造探查等各类钻孔工程中^[1-3]。定向钻进技术的应用离不开装备的研制及发展,自2003年中国成功施工首个千米定向钻孔以来,定向钻机虽已实现国产化,但仍处于全液压钻机阶段,机械化、自动化、信息化水平较低,难以适应煤矿智能化发展要求^[4-6]。具体表现为:钻杆装卸主要依靠人工,劳动强度大、危险系数高,尤其在施工大直径钻孔时更为突出;钻进参数调整与钻孔轨迹控制过程受人为因素的影响较大,对司钻人员的技术水平和操作经验要求较高;钻机缺乏有效的数据采集与通信功能,钻进参数与轨迹信息无法实现数字化记录与远程交互。

针对上述问题,中外相关研究机构已开展了相应技术及装备的研发工作。在钻杆自动装卸方面,中煤科工集团重庆研究院有限公司经过数十年的探索,已形成较为成熟的技术体系与产品系列。该公司于2015年率先研制出采用单机械手钻杆装卸系统的ZYWL-4000SY型自动钻机并投入实际应用;此后又创新开发了具备大容量、双机械手钻杆装卸系统的ZYWL-4000Y型全自动钻机,显著提升了钻机的连续钻进能力,并实现了远程控制与全自动钻进等高级自动化功能^[7]。中煤科工集团西安研究院有限公司在“十三五”规划期间研制了ZDY25000LDK型自动化定向钻机,该机型配备液压吊装机构与液压驱动机械手,实现了现场大直径钻具的机械吊装以及单列钻杆的自动装卸^[8-9];随后,该公司进一步开发了ZY45LK型自动化连续换杆车,可与大功率自动化定向钻机配套使用,以解决机载钻杆数量有限、重复装填劳动强度大、作业效率低的问题^[10]。在钻进参数与钻孔轨迹控制方面,中煤科工集团西安研究院有限公司在第一代自动化定向钻机基础上进行了迭代升级,新增了工具面向角遥控调节、程序升级及远程监控等功能,可通过实时比对当前工具面向角与遥控指令的差异实现自动调整^[11]。在钻机数据采集及应用方面,太原理工大学与山西金鼎高宝钻探有限责任公司合作,开发了15000型矿用智能化水平定向钻机专家系统,该系统基于钻机监测数据与专家经验知识,实现了钻机数据监测、故障诊断及健康状态评估等功能^[12]。中煤科工集团西安研究院有限公司开发了钻进参数监测系统^[13-14],能够实时诊断多种孔内工况与钻机故障并进行报警;中煤科工集团重庆研究院有限公司则开发了基于Socket通信的定向钻进数据互联系统,简化了数据传输流程,实现了钻孔轨迹数据从井下至地面的实时传输,并在西山煤电有限责任公司南岭煤业成功应用^[15]。同一时期,国外自动钻机技术已发展到较高的自动化阶段,并具备一定的智能化水平,主要应用于石油钻井、地质勘探以及金属矿山的地下勘探与生产钻孔^[16-17]。然而,由于中国煤矿井下环境的特殊性及地质条件的复杂性,国外自动化钻探技术与装备难以直接应用于国内煤矿领域。

综上所述,自动化定向钻机的研究工作还处于起步阶段,研究成果和应用案例相对较少,定向钻机的全流程自动化还需要更多的探索和研究。因此,现基于矿用防爆型电液控制技术,实现定向钻机主要施工过程的自动化,研制机电液一体化的新型大功率定向钻机,从而满足“减人增效”的发展要求。

1 总体方案设计

1.1 自动化需求分析

在煤矿井下的复杂环境中,遥控操作和自动化控制对于提高钻机的作业效率和安全性具有重要意义,是钻机智能化发展的基础。因此,首先采用防爆型电液控制技术,对钻机液压系统进行电液化升级,使钻机的输出动作及参数能够按照输入电信号的变化精确调节;同时,钻进过程中的各项参数能够进行数据采集和记录。然后以钻机电控系统为基础,实现钻进过程中关键工序的连续控制,开发自动化定向钻机所需的三项关键技术。

针对定向钻机施工大直径钻孔过程中的钻杆装卸时间长、劳动强度大、危险系数高的问题,采用钻杆自动装卸技术,实现钻杆仓一次装载,按需自动装卸,从而将操作人员从重复的体力劳动中解放出来,达到自动化减人的目的。

针对定向钻进轨迹控制过程中,工具面向角人工调节误差大、孔内外不同步的问题,采用工具面向角自动调整技术,由人工输入调整角度,程序对输出角度进行控制,并在调整时自动计算工具面向角补偿值,从而避免人为因素的影响,提高轨迹控制效果。

针对定向钻进过程中,泥浆泵水路系统参数需手动适应钻进工况的问题,采用水路自适应调节技术,对泥浆泵的启停控制、流量调节,水路阀门切换等过程进行程序控制,使泥浆泵流量和推进速度之间自动匹配,保证钻进过程的效率最高。

1.2 主要技术参数确定

从煤机装备的系列化开发角度考虑,宜先实现外形尺寸较大的大功率定向钻机的自动化升级,再向下进行技术移植和产品开发。因此,以常规型大功率定向钻机的技术参数为基础,综合考虑钻杆装卸方式、钻杆长度及规格,单班作业所需最大钻杆数量等要求,兼顾钻杆装卸效率及随钻测量系统的数据测量和传输效率,最终确定了ZYWL-15000DSY型自动化定向钻机的主要技术参数,如表1所示。

1.3 总体方案设计

根据定向钻机的自动化需求和功能参数要求,完成了总体方案设计。在整体布局方面,为解决大功率定向钻机宽度尺寸大和煤矿井下巷道空间限制多的矛盾,采用分体式布局方式,将钻机划分为主机和泥浆泵车两部分,可有效减少钻机宽度尺寸,更加适合井下狭小空间的使用。在控制方式上,主机和泵车均具有独立的系统和功能,两者之间采用通信电缆及液压先导控制阀进行调控,所有操作均在钻机主机的遥控器上完成。在结构设计方面,如果将大量的钻杆摆放在主机上将增加钻机的外形尺寸,不利于钻机转场和运输,所以采用外置式布局,将钻杆箱安装在钻机履带车上靠近机架的一侧且始终保持水平,钻杆摆放方向与机架方向平行;其他部件则按照结构要求依次布置,最终得到钻机的总体布局,如图1所示。

2 防爆型电液控制系统设计

2.1 液压系统控制方式及功能划分

煤矿井下钻机广泛使用防爆型电液比例或开关控制技术^[18-19]。其中,电液比例控制可以对液压系统的压力、流量和方向进行连续的、比例的调节,与传统的手动控制和电液开关控制相比,能够显著提高钻机的控制精度和响应速度,使其能够更加准确地按照预定轨迹和速度进行钻进;而电液开关控制则具有成本低廉、抗污染能力强、可靠性高的优点,主要用于无速度控制要求的一般功能。因此,按照控制方式和功能不同,将钻机液压系统划分为两个大类和5个子系统,分别是钻进、钻进辅助、功能切换、行走锚固和钻杆转运子系统,每个系统对应不同的钻机功能,全部动作均实现电液控制,如图2所示。

钻机的自动化功能实现以子系统为基础,由多个功能按一定的顺序或逻辑配合完成。其中,工具面向角自动调整技术主要由钻进系统的动力头回转功能完成;水路系统自适应调节则需要泥浆泵旋转和水路球阀两个动作参与完成;而钻杆自动装卸技术作为最重要的关键技术,则需要多个子系统和功能共同参与。

2.2 电控系统原理及组成

电控系统作为自动定向钻机的控制核心,主要用于采集钻机运行时的液压系统参数及钻进参数、实现视距遥控操作和自动功能;同时,也要与钻机随钻测量系统进行数据交换,以获取钻孔轨迹参数及工具面向角调整参数。因此,电控系统在硬件设计时不仅要考虑其功能性,更要考虑其安全性和可靠性,以保障钻机的正常稳定运行。

根据钻机的控制需求,将电控系统划分为数据采集感知单元、液压控制单元、无线遥控单元和控制器局域网单元4个部分,如图3所示。控制单元采用控制器局域网(controller area network,CAN)总线分布式结构,主控制器、副控制器、上位机、遥控接收器均连接在同一根总线上,为并联模式。主控制器负责液压控制单元中所有电磁阀的输出控制;副控制器采集感知单元中各传感器的测量数据;遥控接收器与遥控发射器组成无线遥控单元,完成控制信号与通信数据的传递;上位机作为人机交互界面,除展示钻机的运行状态外,还通过RJ45网络接口与随钻测量系统中的数据采集器进行通信。整个电控系统原理清晰、结构简单,主副控制器均采用专用型微控制器,易于实现控制的数字化和模块化,满足后期功能扩展和硬件升级需要。

为满足煤矿井下防爆环境的安全要求,控制单元采用隔爆兼本质安全型防爆型式,将主副控制器、工控机及各类非防爆型电器辅件均安装在电控箱的隔爆箱体内,整个电控箱的工作电压为交流127 V。遥控单元全部采用本质安全型防爆形式,发射器为便携式设计,采用7.4 V矿用聚合物锂电池供电。

2.3 遥控器功能和布局设计

钻机的传统手动操作方式存在一定的安全隐患,而无线遥控技术是实现钻机视距控制的可靠解决方案,因此,结合钻机功能需求和用户操作习惯,兼顾遥控操作和自动控制两种模式,通过合理应用人机工程学原理,设计了自动定向钻机遥控器,从而提高其操作效率和安全性。

按钮布局充分考虑了操作习惯、使用频次、握持手感等因素,在面板正中间布置模式选择按钮,用于钻机操控模式的切换,每种模式下可用的开关及手柄用不同颜色或括号来区分,只有自动模式下方可使用遥控器侧边的按钮进行相应的自动化功能触发,其他模式下则使用相对应的手柄或开关进行遥控操作,可有效防止误操作带来的安全问题。面板上方和中间布置常用功能和重要功能,该区域左右两侧分别设置两个单轴线性摇杆,用于钻机的行走、动力头旋转及推进等比例动作的控制;两个电位器则布置在模式切换旋钮两侧,用于速度控制要求较高动作的精确微调;位于中间靠上位置的5个定位开关,主要用于操作钻进辅助动作。面板下方区域布置了多个自复位开关,用于钻机锚固、机械手单动等非常用操作。遥控器实物及面板布局如图4所示。

3 关键技术研究

3.1 基于二次转运方案的钻杆自动装卸技术

现阶段,煤矿井下自动钻机的钻杆装卸过程普遍采用“点到点”的钻杆输送模式,即钻杆起始位置和终点位置相对固定,由机械手进行抓取和转运,再由动力头和夹持器配合,完成钻杆的拧紧或松开,最后搭配机载钻杆箱,即可实现钻杆的连续补充^[20-21]。因此,在装卸钻杆时,为了满足钻杆的所有运动需求,要求机械手至少具有3个自由度,且包括平移和旋转两种运动方式,这样的机械手在结构设计和控制难度方面都将大幅增加。

为了解决以上问题,设计了双机械手二次转运方案,如图5所示。采用增加机械手数量的方式来减少单个机械手的自由度和运动方式。其中,副机械手安装在钻杆箱上,负责将钻杆从钻杆箱移动到中间过渡装置上,而中间过渡装置则安装在履带车上,用于将钻杆转动至与机架平行;主机械手则固定在机架侧面,负责将钻杆抓取到夹持器中,随机架一起运动。

根据二次转运方案确定了完整的钻杆转运路径,如图6所示。在取出钻杆时,按照从内到外、从上到下的顺序依次抓取每根钻杆,先由副机械手抓取钻杆,沿y轴方向上升一段距离Δy₁,然后沿x轴方向移动一段距离Δx₁到达中间过渡装置的正上方,最后沿y轴方向下降一段距离Δy₂将钻杆放置到中间过渡装置的中心;该流程结束后,副机械手沿原路径返回到起点,等待下次流程开始。随后由中间过渡装置沿x轴旋转一个机架角度α,从而完成钻杆与机架的角度同步。最后一步由主机械手抓取钻杆,依次沿y_r轴和x_r轴方向上升Δy_r1、平移Δx_r1、下降Δy_r2后放入后夹持器中,流程结束后复位到起点位置,等待下一次循环。

最后,对钻杆装卸的具体流程进行了设计,如图7所示。整个装载过程包括钻杆转运和螺纹拧紧两个工序,每个工序包含若干流程,部分流程之间没有关联,因此,在钻杆螺纹拧紧过程中,加入部分并行流程,让副机械手抓取钻杆到中间过渡装置的这段流程同时进行,从而保证中间过渡装置上始终都有钻杆存在。这样,在每次流程开始时,主机械手直接从中间过渡装置上抓取钻杆,从而节省时间,提升效率;同时,在流程中加入两个判断标志位,一个钻杆转运标志用于判断当前钻杆是否转运成功,从而向中间过渡装置中补充钻杆,另一个上钻杆标志则用于判断钻杆螺纹是否拧紧完成,继而结束整个钻杆装载流程。而钻杆卸载过程则按照相反的顺序进行,唯一的区别是增加了前夹持器摆动过程,保证钻杆的前端螺纹优先松开,故此处不再赘述。

3.2 工具面向角自动调整技术

煤矿井下定向钻进工艺主要以螺杆马达作为定向工具,其本身带有1.25°的弯头,是实现钻孔倾斜的基础。而钻孔轨迹的控制则需要每钻进一定距离后对工具面向角(螺杆马达弯头在圆周方向的位置)进行一次方位调整,调整由钻机动力头带动孔内外的所有钻具进行旋转,因此,要求动力头除具有转矩和转速输出外,还应具有角度回转和定位功能。

为了实现工具面向角的自动调整,建立了动力头回转角度的高精度测量与双闭环控制系统,其组成及控制原理如图8所示。一方面,由电液比例阀和阀芯位移传感器组成的内闭环可保证阀芯位移和输出流量稳定,使动力头的输出转速不受环境因素和油液参数变化的影响;另一方面,由动力头、钻机控制器和角度编码器组成的外闭环可实现动力头回转角度的精确控制。

在工具面向角调整过程中,孔内钻具的长度、孔壁对钻杆的摩擦力,钻头切削扭矩等因素都会影响到最终的调整效果。首先,在动力头带动钻杆旋转时,钻杆会与孔壁和岩屑之间不断地接触产生摩擦阻力,从而使得弯头处的旋转角度小于动力头的旋转角度,导致工具面向角调整无法到位。其次,在钻进过程中,动力头和钻杆柱不回转,由螺杆马达的转子驱动钻头旋转破岩,相应的反扭矩则通过螺杆马达的定子传递到壳体及相连的钻杆上,继而导致工具面向角发生变化^[22-24],具体过程如图9所示。

针对工具面向角和动力头旋转角度的不同步现象,通常采用前后推拉钻杆的方式充分释放钻杆所受的周向摩擦阻力,从而保证工具面向角接近目标方位。对于螺杆马达反扭矩的影响,则在工具面向角调整时增加一个反扭角,起到一定的抵消作用,该过程由程序自动计算和补偿。其中,反扭矩用螺杆马达输出扭矩近似替代,反扭角的计算则采用公式法,参考石油钻井领域中使用的一套计算公式^[25]。

3.3 水路系统自适应调节技术

定向钻机水路系统主要用于驱动螺杆马达,同时兼具钻孔清洗、润滑冷却钻具的作用,还可作为测量系统的信号传输介质,通常由泥浆泵、水路球阀、流量和压力监测装置等组成。在定向钻进过程中,需要根据钻进工况对泥浆泵进行启停控制、流量调节、水压监测等操作。因此,设计了水路自适应调节系统,由钻机控制器根据设定的钻孔参数和初始参数,计算出最佳的泥浆泵流量和建议的推进速度(钻速),然后通过液压控制单元切换液控球阀的水路方向、调节泥浆泵转速,按照计算的流量进行输出;同时由涡轮流量计和压力传感器实时监测水路系统流量和压力,从而实现泥浆泵流量的闭环控制;当钻速发生改变时,控制单元根据实际速度重新计算和调整泥浆泵流量,保证水路系统处于最佳工作状态。整个系统的组成和调节原理如图10所示。

水路自适应调节的关键是确定合适的泥浆泵流量和钻速。由于煤矿井下的定向钻进多为近水平钻孔,在参数计算方面没有形成成熟的理论体系,所以现场施工时大多靠经验来估算其取值范围。因此,使用经验数据建立了泥浆泵流量和钻孔直径、钻速之间的计算公式。

(1)泥浆泵流量与钻孔直径的匹配关系。通常根据钻孔的环空截面积和返水速度来计算所需的泥浆泵流量,并考虑一定的漏失量;若假设漏失量为5%,则其计算公式为

(1)Q_p=$\frac{60{v}_{\mathrm{q}}\pi ({D}^{2}-{d}^{2})}{4\mathrm{ }000{\eta }_{q}}$=4.96v_q(D²-d²)×10^-2

式(1)中:Q_p为泥浆泵流量,L/min;v_q为返水速度,m/s;η_q为泥浆输送效率,取值0.95;D为钻孔直径,mm;d为钻杆直径,mm。

(2)泥浆泵流量与钻速的匹配关系。钻速和泥浆泵流量之间的匹配在于确定返水中“钻屑”含量的体积百分比^[26-27],工程实践中一般以6%作为 “钻屑”体积含量的建议值。由此可得到钻速的计算公式为

(2)v_d=$\frac{4\mathrm{ }000{Q}_{\mathrm{p}}{\eta }_{\mathrm{q}}{\eta }_{\mathrm{v}}}{(1-{\eta }_{\mathrm{v}})\mathrm{\pi }{D}^{2}}$=$\frac{77.2{Q}_{\mathrm{p}}}{{D}^{2}}$

式(2)中:v_d为定向钻进的钻速,m/min;η_v为“钻屑”的体积百分比。

从式(1)可以看出,当钻孔和钻杆直径确定后,泥浆泵流量与返水速度正相关,返水速度过小导致排渣不畅,过大将导致环空压力增加,一般取值在0.8~1.2 m/s。从式(2)可以得到泥浆泵流量和钻速的匹配关系,钻速越大,所需的水量也越多,但水量的调节范围受返水速度的约束,在一定范围内变化。

4 现场应用

基于自动化关键技术研制了ZYWL-15000DSY型大功率自动化定向钻机,并在晋能控股装备制造集团寺河煤矿(简称“寺河矿”)进行了现场应用。寺河矿主采煤层为3号煤,平均厚度6.3 m,平均瓦斯含量为19.73 m³/t,属高瓦斯和突出矿井。主要采用地面钻井抽采先行,井下顺层长钻孔区域抽采为主,穿层钻孔、采空区抽采为辅的三级瓦斯治理方法。井下现有定向钻机多数使用年限较长,面临更新换代,亟须引进自动化定向钻机。

从2024年1月开始,钻机先后在西三北翼模块二巷和西井北辅绕道一巷进行了顺煤层定向钻孔试验。在试验过程中,全程使用遥控器操作,钻杆装卸、工具面向角调整和泥浆泵水量控制功能则由钻机自动控制,如图11和图12所示。截至2024年10月,共完成8个定向钻孔主孔和分支孔施工,累计总进尺超过11 000 m,最大主孔深度超过500 m,具体的钻孔施工情况如表2所示。

同时,对钻机的工作效率进行了测试,在自动模式下,单根钻杆的自动装卸时间约为90 s,随钻测量系统的每次测量和传输的时间约需30 s,单班最大施工效率为13 m/h,能够满足顺煤层定向钻孔的施工要求,初步实现了自动化减人的应用目标。

5 结论

(1)基于矿用隔爆兼本质安全型电控箱设计了定向钻机用防爆型电液控制系统,通过人机工程学遥控器实现了视距范围内的钻机遥控操作和自动化功能控制;同时,具有CAN总线和以太网两种通信方式,满足钻机参数和钻孔轨迹参数的统一采集和数据上传需求。

(2)设计了双机械手二次转运方案,解决了从钻杆箱抓取钻杆后的姿态调整问题,实现了大直径定向钻杆的自动化装卸;通过中间过渡装置解决了钻杆过渡和机架角度同步问题,并减少了单个机械手的运动自由度和复杂度;通过钻杆转运路径分析和流程优化,进一步提升了钻杆装卸效率,达到现场使用要求。

(3)建立了由编码器和阀芯位移传感器组成的动力头回转角度高精度测量与双闭环控制系统,使其输出转速不受环境因素和油液参数变化的影响,提高了回转角度的调整和控制精度。基于动力头闭环控制系统开发了工具面向角自动调整技术,通过程序预测或手动输入方式确认调整角度,电控系统控制动力头旋转和定位,实现螺杆马达工具面向角的自动调整;同时,充分考虑了调整过程中的孔壁摩擦力和钻进过程中的反扭矩影响,并在控制程序中进行自动补偿。

(4)开发了钻机水路自适应调节系统,整个系统由矿用隔爆型电液比例先导阀、液控球阀、涡轮流量计、压力传感器等组成,实现了水路参数监测、泥浆泵流量远程调节和水路方向切换等自动化功能。基于经验公式建立了泥浆泵水路系统自适应调节模型,实现了泥浆泵流量与钻孔参数和推进速度之间的自动匹配。

(5)研制的ZYWL-15000DSY型自动化定向钻机在晋能控股装备制造集团寺河煤矿进行了示范应用,成功将人力从钻杆装卸的重复劳动中解放了出来,初步实现了定向钻进过程的自动化,为煤矿瓦斯抽采定向钻孔的安全、高效施工提供了新的装备支撑。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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