矿山领域机器人典型应用场景名单 | ⑤支架搬运+钻孔钻进+钻锚场景

制造及应用单位：

陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿、沈阳天安科技股份有限公司

案例介绍：

一、研究背景

为解决我国煤炭开采过程中存在的安全风险高、 开采成本大和煤炭采出率低 3 大瓶颈和突出问题， 何满潮院士于2008年提出无煤柱自成巷力学理论， 继而在现场进行了应用实践，形成了无煤柱自成巷 开采体系，较传统的开采工艺简单、易行、安全。但受限于煤矿井下运输及安装巷道狭窄、灯光昏暗、 路况条件较差等不良因素的影响，尾巷的支护存在 工序复杂、液压支架的移动操作繁琐、安全系数低 等问题。为满足“建设智慧矿山和智能化开采”的需要， 实现沿空留巷段安全高效作业，黄陵一号煤矿开展了沿空留巷支护装备及搬运机器人研究与实践，通 过研制单元支架及代替传统单体+铰接梁支护方式， 研制了以单轨吊独立乳化液泵站为动力来源，以激 光雷达、自动控制为基础的矿用井下巷道液压支架 搬运机器人替代人工进行支架搬运作业；解决了单 元式支架拆除、安装、支护过程中自动“拔”和 “插”液压进回液管路的难题；定制的端头特殊支护 支架既能推动机头又可以有效保护顶板锚索支护 设施。

二、设备关键参数

通过对黄陵一号煤矿1009及1010工作面沿空留 巷支护工艺关键参数分析，设计了ZQ1700/16/32型 单柱垛式单元支架对尾巷进行加强支护，采用单轨 吊配机械手搬运机器人进行循环搬架支护作业。垛 式支架搬运机器人及ZQ1700/16/32型单柱垛式单元 支架设备参数见表2、表3。

三、应用实践 

（1）垛式单元支架巷尾加强支护 

1009辅运巷尾主体采用ZQ1700/16/32型垛式单元支架支护，根据 1009 及 1010 工作面 10 m/d 的采 煤速度，留巷支护长度 300 m，每班需移动单柱跺 式支架为13~18架 （取决于靠煤壁侧支架的密度）， 垛式单元支架 1 排 2 架，每排支架间距 2 400 mm， 切缝侧支架排距 1 200 mm，距切缝侧巷帮 800 mm 处支设，实体侧支架排距2 400 mm，距实体侧巷帮 1 200 mm。垛式单元支架随工作面推进前移直至最 后一排，期间始终保持尾巷主体支护长度 300 m。尾巷内支架布置如图7所示。 

图7　尾巷内支架布置

（2）垛式支架搬运机器人结构及作业流程 

结构组成：垛式支架搬运机器人由支架搬运装 置、驱动系统、液压动力系统、乳化液动力系统、 电气控制系统、电缆卷线装置等组成，采用单轨吊 的行走方式，为垛式支架提供动力源并完成供液时管路自动对接，具备对垛式支架的取架、运架、摆 架、防倒功能。垛式支架搬运机器人系统整体结构 如图8所示。 

图8　垛式支架搬运机器人系统整体结构

支架搬运装置由承载主体、撑顶装置、回转装 置、推移装置、提升装置、机械臂等组成，同时集 成了激光雷达测距仪、接近开关、位移传感器、倾 角传感器、监控摄像机等多种监测仪器。支架搬运 装置主要结构如图9所示。 

图9　支架搬运装置主要结构

搬运作业流程：工作时，通过设置在搬运装置 顶部两侧的激光测距仪的信号反馈，控制系统指挥 单轨吊推动搬运装置运行到最后一架支架处停止， 随后撑顶千斤顶推出接顶使机器手固定，机械臂旋 转90°后水平推进至支架下方、机械臂垂直提升、安 装在机械臂的进回液管喷射高压水射流清洁支架顶梁接头及自身接头表面，两接头对接，支架放液同 时收缩，机械臂下降后水平收回再回转90°，撑顶千 斤顶收回，单轨吊推动搬运装置将支架运至最前端， 放架、安装，单轨吊拉动机械手退回至最后一架支 架处，完成一个支架搬运循环。搬运机器人搬运工 作实景如图10所示。

图10　搬运机器人搬运工作实景

单架移动距离按 300 m 计算，考虑巷道顶底板 起伏等因素，单轨吊移动速度取1.0 m/s计算，则支架移动往返时间为10 min；取架时间为6 min；支架 充/放液时间为3 min。取送1架单柱跺式支架用时约 为19 min，18架共需342 min，完全满足现有采煤工 作面采煤进度的需要。

（3）端头特殊支护装备 

1009 工作面靠近运输巷道侧原配置 4 台 ZYT  7800/17/32D端头支架 （支架宽度1 500 mm），设备 占1009运输巷道宽度达66.7%以上，支架宽度超过锚索间距 （1 000 mm） 移架时会破坏支护锚索，影 响留巷效果。为此，取消机尾2台ZYT7800/17/32D 端头支架，在第159架处布置1台、第160架处布置 前后连接的2台ZT3200/20/38J特殊支架 （支架底座 1 200 mm，顶梁 650 mm），确保不破坏支护锚索。ZT3200/20/38J型特殊支架如图11所示。

图11 ZT3200/20/38J型特殊支架

四、创新成效 

（1） 垛式单元支架替代单体支柱+铰接梁支护 尾巷，满足无煤柱自成巷开采对尾巷非稳定区的支 护需求，相较于传统支护方式可节约单体支柱、铰 接梁、柱鞋、钢丝绳等材料近75%的投入。 

（2） ZQL2×3200/18/35 型巷道超前支护液压支 架作为端头特殊支护支架代替传统159#端头液压支 架，可在保证推动机头的情况下，有效保护顶板的 锚索支护，锚索失效率降低40%。 

（3） 以单轨吊独立乳化液泵站为动力来源的智 能支架搬运机器人，采用带自锁功能的快插接头替 代U型卡快插接头，替代人工进行支护设备的拆除、 搬运、安装，大幅减轻了无煤柱自成巷开采的留巷 段支护作业强度，每班减少4人。 

（4） 构建了煤矿沿空留巷尾巷支护智能化操控 系统，支架搬运机器人可实现自动识别支架的精确 位置，通过机械手臂搬运、定位运输、自动化安装，实现了现场环境感知、规范化数据集成、实时可视 化展现并通过网络实现视频监控、远程监控，实现 了无煤柱自成巷开采模式下尾巷支护及搬运的智能、 安全、高效作业。

制造及应用单位：

山西西山煤电股份有限公司西铭矿、光力科技股份有限公司

案例介绍：

为进一步加快智能化矿井建设步伐，西铭矿引进首台ZYWL-6000Y数字化智能钻机，该型号钻机在西山煤电也是首次引进。

ZYWL-6000Y数字化智能钻机是一款履带式全液压自动化钻机，由钻机主体、遥控器、无线分站、手机APP、上位机管理软件等组成。该钻机适用于井下空间宽高不小于3m的工作面，仅通过一个操作手柄，实现一键自动钻进和钻机数据的自动采集与全面监测，并可根据煤岩、钻进等参数智能优化钻进策略，大幅减少钻孔作业的人工参与度，有效降低作业人员劳动强度，提高现场操作安全性。

据了解，过去无论是打钻角度还是钻孔距离都因设备、技术受限，调整时需要花费一定的时间和人力成本，这款钻机在寻找倾角和打钻长度上只需一键操作，就可通过倾角传感器和进给机构升降，实现水平方位180°及倾角-45°-90°的钻孔施工覆盖，并可实现600余米的深度钻孔。同时，该钻机可通过50米内的远距离操控，由原来的4人配合完成减少到1人远程遥控操作，即可实现上、卸、推智能一体化，有效实现了减员、增安、提效。

该钻机的投入使用将在为矿井瓦斯治理提供全过程、全周期智慧管理平台的基础上，通过减少作业人员，降低劳动强度，实现矿井高效率全自动钻进。

2024年4月15日，山焦西山西铭矿针对新引进的光力科技ZYWL-6000Y数字化智能钻机，组织相关人员开展专项培训

光力科技提供的智能化打钻解决方案，通过井下钻孔瓦斯抽采，实现煤层瓦斯的开采和高效利用，助力煤矿瓦斯防治工程变得简单。

智能打钻系统由钻机主体、遥控器、无线分站、手机APP、上位机管理软件组成，通过上位机的钻孔管理软件，实现钻孔的自动设计、任务管理，配套打钻视频系统实现全过程的远程监控。主要用于煤矿井下瓦斯治理、水害防治、防突卸压等安全施工钻孔及地质勘探钻孔。减轻井下打钻人员的劳动强度，保障井下打钻人员的人身安全，可远距离进行操作，远离危险场景，提高打钻效率。

数字化智能钻机系统优势

1自动作业安全高效  

自动作业安全高效可全自动、半自动控制及单步手动控制，控制方式灵活多样，有效减少钻探作业人员和劳动强度，遥控距离50 m，作业人员远离危险环境。

2钻杆箱容量

钻杆箱配D(73-800)mm标准钻杆120根，单箱可实现孔深小于96 m的全自动作业。

3施钻角度范围大

钻机可进行水平方位180”及倾角(-45~90)”钻孔施工覆盖，并有倾角传感器进行辅助精准倾角定位。

4智能化管理

钻机具备数据黑匣子功能，可实时对设备运行参数、钻孔钻进参数进行记录，动态优化钻进参数，通过效率、功耗双优化，实现智能、安全高效的钻进，是一款低碳、环保的绿色钻机。

5远程操作

在网络环境下，可远程监测设备的运行状态及钻孔参数，具备远程启停功能，保障施工人员的安全。

6打钻全过程信息与业务深度融合

可与钻孔轨迹、打钻视频、便携计量等业务深度融合，实现钻孔轨迹的自动上图、质量评价、抽采空白带分析、智能补孔设计，为煤矿瓦斯治理提供全过程、全周期的智慧管理平台。

现场试用

ZYWL-6000Y煤矿用履带式全液压钻机在河南某矿进行工业实验，已完成钻孔工程量近万米，整机性能稳定。其主要功能设计和操作便捷性获得现场人员的高度认可。

ZYWL-6000Y煤矿用履带式全液压钻机

在矿上进行工业实验

制造及应用单位：

冀凯河北机电科技有限公司

案例介绍：

冀凯股份研发的定向钻探装备分为两大系列，主要用于煤矿井下顺煤层的瓦斯高效抽采、探排水钻孔施工，也可用于探地质构造、探煤层厚度、煤层注水等各类定向钻孔施工。

第一系列为煤矿用履带式全液压定向钻机，开孔倾角-10°～+20°，适用钻孔深度800m内的深孔定向施工。

技术特点∶

1、独立行走，灵活布局

钻机、泥浆泵车配备独立电控系统、泵站，钻场和巷道内灵活布局。

2、轨迹预设，实时显示

随钻测量钻孔参数，实时显示实钻轨迹。

3、测量探管孔外供电

避免探管电池续航影响，钻孔效率高，施工成本低。

4、一机多用、多种钻进方式

适用定向钻进、回转钻进、复合钻进多种钻孔施工工艺。

第二系列为煤矿用全方位定向钻机，体积小，开孔倾角± 90°，适用于中小断面巷道全方位定向钻孔施工，钻孔深度400m。

技术特点∶

1、全方位钻孔

液压自动调角，水平360°，竖直±90°，任意位置自锁。

2、钻车定向升级

普通钻车加装定向系统，具备定向钻进功能。

3、无需开设钻场

钻机宽度1200mm，满足狭窄空间内布置定向钻孔。

4、一机多用、多种钻进方式

适用定向钻进、回转钻进、复合钻进多种钻孔施工工艺。

通过广泛调研客户的实际需求，结合远程解危卸压要求，现已研发CMS1-2200/45YL、CMS1-4000/55FZ、CMS1-4500/55FZ、CMS1-6500/75FZ等多款正反转智能钻车。

钻探机器人

冀凯股份研发的智能钻探装备“钻探机器人”分为两大系列：第一系列为防突防冲智能钻车（全自动防冲智能钻车），针对煤矿冲击地压治理而专业研发；第二系列为矿用深孔智能钻车，钻孔深度100-300米，适用于全方位探排水孔和顺煤层卸压孔钻孔，两大系列智能钻车均属于电机驱动，电液智能控制，钻车配有远程控制系统和音视频监控系统，操作人员可在距离300米的硐室或地面集控中心远程操作，实现一键全自动钻孔、钻机参数和钻孔数据实时采集并存储。

七大技术特点

01一键自动钻孔

钻孔时只需按下控制键，钻机即可全自动钻进及退钻，整个过程无需人工干预。

02螺旋杆自排粉

煤层钻孔配套螺旋钻杆自排粉，提高钻孔成孔率。

03反转防卡功能

牙嵌正反转防卡钻杆，实现卡钻时反转不丢钻，降低钻孔成本；采用圆锥螺纹+牙嵌，内部增设锁定与解锁芯轴，正向机械锁紧和反向限位，正、反传递转矩可靠性100%。

04煤粉自收量化

柔性螺旋煤粉收集，使用便捷，输送高效，杜绝煤粉堆积；自动监测煤粉收集量，为矿方分析地质条件提供准确数据。

05自适应效率高

实时采集、分析压力、转速及位移等参数，对比设定转矩值，预判调整马达排量，自动控制钻机进行旋转洗孔、退钻等动作，降低卡钻事故的发生概率，提高打钻效率。

06实时采集存储

钻孔过程自动记录钻孔压力、转速、给进速度等动态参数及钻孔深度、钻孔时间等关键参数；支持多孔数据储存和报表输出，用于智能化验收。

07远程遥控传输

煤矿井下硐室/地面集控中心远程操作，音视频同步传输，人员远离危险区域。

何家地煤矿1815水平运输大巷处于K5煤层底板，全岩巷，巷道底板与目标采空区高差28.15m。本地区地质构造复杂，泥岩层，裂隙带交错复杂多变，回转钻进易卡钻、抱钻，成孔性极差。据前期施工探放水效果一直不理想，经公司专业团队实地考察、与矿方技术人员交流、研讨，最终确定采用ZYWL-6500D煤矿用履带式全液压定向钻机，近水平长距离定向施工。

钻场布局

定向施工4个孔，累计钻进深度约2000米，单孔最深516米，钻进过程实时调整钻进方向、优化钻孔轨迹，终孔位置相对目标位置上下偏差0.15m，左右偏差0.2m，通过滑动定向钻进+复合钻进交替，增加洗孔频率、时长等方式，历时28天，如期圆满完成整个施工，总放水量大于260立方米/小时，放水效果显著，取得云贵地区复杂地层精准定向探放水钻孔新突破。

钻进施工

施工成果

全自动防冲智能钻车现场打钻

观摩全自动防冲智能钻车

制造及应用单位：

中煤科工西安研究院（集团）有限公司

案例介绍：

中国煤科西安研究院煤矿井下智能钻探系统为矿井灾害防治带来了智能、安全、高效的钻孔施工解决方案，该系统由ZDY4500LFK型煤矿井下智能钻机、视距遥控系统、地面监控中心、井下集控中心、管理软件等组成，可通过智能化全自动钻孔施工和管理，实现煤层瓦斯突出、水害、冲击地压等井下灾害超前治理，大幅减少井下作业人员数量，提高人均施工效率，有效保障现场人员作业安全，大幅降低粉尘、噪声等带来的职业健康危害。

图1 煤矿井下智能钻探系统

自2021年起，神东煤炭集团先后引进5套ZDY4500LFK型煤矿井下智能钻机系统，取代常规钻机进行探放水钻孔施工。该系统助力企业由3人操纵1台钻机提升为2人操纵2台钻机，减少了井下作业工人数量。钻机性能先进，施工过程无需人工干预，钻孔全自动施工效率达28米/小时，大幅提高了井下作业安全性，实现了煤矿井下探放水钻孔施工智能化。

图2 神东煤炭集团探放水钻孔施工现场

2022年12月，该系统在淮南矿业集团应用于施工碎软煤层顺层钻孔。“一键自动扫孔” “自动防卡钻”等诸多先进功能和150米大容量模块化自动杆仓很好的满足了本煤层钻孔施工要求，施工过程无需二次填补杆仓。碎软煤层本煤层钻孔施工台效达到2600米/月，单班最大钻进孔深106米，钻孔成孔率93%，再一次验证了该系统的适用性和可靠性，为碎软煤层本煤层钻孔全自动施工提供了新的智能化解决方案。

图3 淮南矿业集团瓦斯抽采钻孔施工现场情况

智能钻探系统推广以来，研发人员针对瓦斯抽采钻孔、探放水钻孔、冲击地压卸压钻孔施工特点，升级了全自动控制程序。经过持续的软硬件优化升级，该系统已具备设备关键部件寿命长，遥控器性能更先进，管理程序升级更加便捷，无故障运行稳定、全自动施工效率高等诸多明显优势。目前，西安研究院煤矿井下智能钻探系统已在多个煤炭企业规模化成功应用，为煤矿钻孔施工智能化带来了新“利器”。

ZDY4500LFK型煤矿井下智能钻机主要用于瓦斯抽采、冲击地压防治、探放水、地质构造探测等多种钻孔的全自动施工。该型钻机一次携带200根钻杆，可不间断施工150米，并具备自主导航功能，可自主行驶至作业面。根据钻孔设计信息，钻机可完成全自动稳固和智能调姿。其中的分布式电液控制系统实现了关键传感器的工作状态监测和故障自诊断，先进的集中控制及交互系统实现地面、井下对钻机集群的集中管理。该型钻机还具有自适应钻进功能，可大大提高钻进效率和孔内安全性。该装备的成功应用可提高钻孔施工自动化水平，降低工人劳动强度，提高人均钻孔施工效率，起到减人增效的作用。

目前，ZDY4500LFK型智能钻机已在神东公司、陕煤化工集团、晋煤集团、河南能源、淮河能源等多个矿区规模化成功应用，得到了客户的普遍好评，推进了“智能矿井和智慧矿区”建设进程。

中国煤科西安研究院ZDY25000LDK钻机重点针对煤矿井下大直径超长定向钻孔施工设计，能够运用于井下超前探测、精准地质探查和灾害防治，为“以孔代巷”采动卸压瓦斯抽采和盘区瓦斯区域预抽提供了装备保障。ZDY25000LDK钻机额定扭矩25000Nm，给进/起拔力达350kN，使煤层钻进效率提高25%，岩层钻进效率提高32%，能够配套随钻多参数测量仪器，在钻进过程中实时动态监测，随钻识别地层变化并精确调控钻孔轨迹，减少分支孔数量，实现沿目标地层长距离延伸及精确中靶，并集成换杆机械手、防爆控制柜、无线遥控器等新机构，配套实时监测系统与地面搭建的远程信息交互平台实现多维度多场景同频互动，使钻探全过程实现信息化，并为透明工作面构建提供了基础数据，具有自动化、信息化、打得准、能力大等显著优点。去年，该技术装备入选了《科创中国先导技术榜单》和《矿产资源节约和综合利用先进适用技术目录》。

新一代煤矿井下智能钻机ZDY6500LFK 

中国煤科西安研究院ZDY6500LFK型智能钻机是“煤矿井下智能钻探平台”的新一代主机，主要用于矿井瓦斯抽采、冲击地压防治、探放水等多种钻孔的智能化施工。钻机配备大角度全方位自动装卸系统、电液控制系统、智能远程监控系统及遥控器系统，集成了西安研究院自主研发的开孔定向仪，能够实现开孔位置全自动姿态调节；具有智能防卡钻技术与自适应钻进功能，能够降低卡钻风险，提高施工可靠性，通过视距无线遥控、井下集控、地面远控等多种控制方式，实现钻孔施工数据的多方管理和井下施工现场的实时监控，配合智能钻机机群作业，实现“单台一人操作，一机群一人巡检”的工作模式，有效提高人均台效，提高施工效率，具备一键式位姿调节、一键智能钻孔施工、自适应钻进、状态监测与故障诊断等功能。此外，智能钻机的关键核心技术均具备自主知识产权，具有故障辅助诊断、传感器工作状态监测、控制系统OTA升级、关键参数实时存取等功能，可选配丰富的安全保障系统，能够为煤矿智能化建设提供一套性能先进、技术可靠的智能钻孔解决方案。

制造及应用单位：

鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司、江阴长力科技有限公司

案例介绍：

龙王沟煤矿已成功应用智能化掘锚一体机煤巷快速掘进装备，实现设备遥控器操作、全断面截割、键盘式操控锚杆机、自动喷雾除尘等功能，实现掘、支、锚、运、破一体化连续平行作业，实现掘进工作面安全、高效、快速掘进。

1.掘进系统：具有坡度追踪、全断面截割等功能，具备完善的传感器、执行器及控制器，能实现单系统或单设备的远程自动控制、工况在线监测、故障诊断功能。

2.支护系统：具有自动确定锚护位置等，实现工况在线监测及故障诊断、锚固质量自检验等功能。

3.锚杆系统：配备机载顶部锚杆机和帮部锚杆机，顶锚杆机实现键盘式操控锚杆机，可显示扭距、钻进方位、钻箱位置等参数，具备顶板临时支护功能，实现锚杆作业流程自动化。

4.运输设备：转载机组具备过载保护功能，带式输送机机尾具备自移和张力自动控制功能。

5.除尘喷雾系统：配备新型湿式除尘风机系统，具备较强的除尘、降尘能力，有效降低现场作业环境粉尘浓度。

6.具备掘进工作面环境(粉尘、瓦斯、水等)智能监测功能，并具备监测环境数据智能分析。

2022年，国内首台智能矿用液压退锚机器人CYT-1000/63/80Y在中国大唐国源矿业公司龙王沟煤矿61607工作面成功应用。该机器人的应用，颠覆了传统的退锚作业方式，实现了退锚作业智能化，极大提升了作业效率，降低了职工劳动强度，助力该矿超前支护段巷道实现了智能退锚作业。

CYT-1000/63/80Y型液压退锚机器人由行走机构、举升机构、剖切机构、顶撑机构、液压系统、冷却喷水系统、电气系统等七大部分构成，整套设备采用液压马达驱动，通过减速机构驱动链轮带动履带实现设备在巷道内行走；利用两个摆动缸配合旋转可使剖切机构到达工作位置，在对准所要剖切的锚具后，操作油缸的伸缩，带动刀具向内侧行进，达到剖切锚具的目的。同时退锚机器人所有动作均可以实现远距离遥控操作，无需攀爬登高，1人即可独立操作，节约了人力成本，实现了“安全高效”、“机械化减人”的目标。 

之前退锚作业时，工人需要手拿肩扛30多斤的退锚器，爬到3米多高的梯子上作业。退一个锚具就需要30多分钟，费时费力，还存在高空坠落和器具掉落伤人风险。现在，作业人员只需通过遥控器操作，就可轻松完成顶撑支护、升臂旋转、角度定位、加压剖切、收臂复位等退锚动作，10分钟就可完成顶板锚具、托盘等器具的拆卸和回收，退锚效率大幅提升。

目前液压退锚机器人使用效果良好，单班退锚杆6根，单班节约人工2人，该设备的投用完全颠覆传统退锚作业工艺，解决了煤矿综采工作面退锚的实际痛点，达到“减人增效，安全生产”的目的。

目前，该机器人已在回采工作面超前支护段巷道应用。通过常态化使用，实现了采空区顶板随工作面推进及时垮落，减小了悬顶面积，有效防止顶板事故及采空区瓦斯集聚。