针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题，总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状，指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此，凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术，并给出了解决思路和方法，研究成果对于创新研发高性能、高效率、高可靠、高智能的煤矿防冲钻孔机器人，确保煤矿安全、高效、绿色生产具有十分重要的意义。
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煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术
防冲钻孔机器人作业过程中，钻具需要根据预制 孔或已钻孔位置自主规划当前卸压孔位置，并引导钻具进行自主钻孔。因此，防冲钻孔机器人卸压孔位识别的准确性直接影响了井下卸压区域的卸压效果。 本部分首先设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练 模式的改进 SinGAN 模型，实现了卸压孔图像样本的扩充;随后，引入多层特征融合优化的 Faster-RCNN， 设计了基于改进 SqueezeNet 轻量级网络架构的孔位 识别模型，以实现卸压孔位的准确快速识别，基本流程如图 1 所示。
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根据防冲钻孔机器人钻孔卸压作业特征，钻孔机 器人钻具需完成钻具倾角、方位角和横滚角的调节任 务。其中，方位角为钻具与防冲钻孔机器人前进方向 的夹角，倾角为钻具与水平面的夹角，横滚角为钻具 与铅垂线的夹角。根据防冲钻孔机器人钻具的空间 位置和卸压孔的空间位置，并结合防冲钻孔机器人的姿态，确定防冲钻孔机器人钻具需要调节的高度值、 方位角值和倾角值。防冲钻孔机器人按照输入值调 节钻具的高度、方位角和倾角使得钻具中的钻杆能够 对准卸压孔，实现防冲钻孔机器人的精准打孔，达到 有效卸压目的，提高防冲钻孔机器人的工作效率。因 此，准确感知钻具姿态是实现钻孔机器人全自主钻进 的重要内容。
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随钻测量系统主要包括无线电磁传输系统和数据测量系统，即通过数据测量系统实时获取孔底地质参数、钻进参数以及几何参数等，利用无线电磁传输系统实时传输至井口数据支持中心，为钻进工艺参数和钻孔轨迹智能调控策略制定提供依据。
钻孔机器人卸压钻具运行状态智能识别包含钻进信号特征提取、关键零部件健康状态评估、故障诊断、卡钻状态监测等关键技术，是钻孔机器人智能、可 靠、高效运行的基础。
防冲钻孔机器人钻进系统一般由钻进电控系统、液压马达回转系统和给进系统组成，钻进电控系统包含电源模块、信号隔离器、PLC 控制模块、电磁阀/比 例阀驱动功率放大器、信号接收模块、钻进电控开关、 钻进转速、钻进位移和压力传感器等。当传感器检测到钻进系统的转速、压力与位移等钻进动作信号后， 发送至钻进电控系统，由其控制策略产生相应的钻进回转速度和给进力，输出至液压马达回转系统和给进系统而让其执行相应的钻进作业，实现钻孔卸压作业效果。钻进系统液压原理示意如图 21 所示。
针对高地应力矿井全自主钻孔卸压作业的行业 需求，笔者通过总结分析国内外钻孔卸压技术和装备 的研究现状，凝练出了影响钻进系统性能的“孔位精 准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、 钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关 键技术，进而设计了基于改进 SinGAN 的卸压孔图像 样本扩充方法，构建了基于改进 SqueezeNet 轻量级网 络架构的卸压孔精确识别模型;设计了多个 IMU 的 空间阵列布局方式，研究了基于 BP 神经网络的钻具 姿态误差补偿方案;搭建了煤矿井下随钻测量无线电 磁传输系统架构，研究了孔底地质参数、几何参数和 工程参数的测量原理和实现过程;提出了钻进系统关 键零部件健康状态评估和故障诊断技术，构建了考虑 煤岩性状的钻进系统精确控制方案，探讨了基于转矩 和位置的钻进系统最优控制原理。上述相关研究方 案的实现可以显著提高冲击低压治理的智能化水平， 确保煤矿的安全、高效、绿色生产。
图 1 卸压孔精确识别流程
图 2 模型训练过程中生成器及其学习率的变化
图 3 卸压孔图像生成框架
图 4 SqueezeNet 网络结构优化
图 5 自上而下多层特征融合改进方法
图 6 钻具姿态感知系统架构
图 7 IGD 算法原理
图 8 IGD-UKF 算法原理
图 9 多个 IMU 的阵列布局方式
图 10 BP 神经网络结构模型
图 11 煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统
图 12 复杂噪声微弱电磁波信号自适应调制技术
图 13 随钻高速双向电磁传输技术原理
图 14 伽马测井系统工作原理
图 15 煤矿井下钻孔轨迹三维可视化模型
图 16 钻进信号的多特征提取原理
图 17 健康状态评估技术示意
图 18 剩余寿命预测网络架构
图 19 多源异构信息融合的钻机故障诊断示意
图 20 卡钻预测模型示意
王忠宾，男，1972年3月生，安徽宿州人，国家“万人计划”科技创新领军人才，从事采掘装备智能化与特种环境机器人等方面的教学与科研工作。现任中国矿业大学机电工程学院院长、江苏省综采综掘智能化装备工程技术研究中心主任、江苏省高校优秀科技创新团队带头人。主持国家重点研发计划项目1项、国家发改委“智能制造装备专项”课题1项、国家自然科学基金项目2项、国家973计划子课题1项、霍英东基金优选资助项目1项以及企业委托项目30余项；以第一/通讯作者发表SCI/EI收录论文36篇；授权中国发明专利41件；获国家技术发明二等奖1项（R2）、教育部科技进步二等奖1项（R1）、江苏省科学技术二等奖2项（均R1）、山东省科学技术二等奖1项（R3）。获江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、国家矿山监察局智能化专家、全国煤矿智能化卓越专家等荣誉。
智能化开采装备、特种环境机器人
主要成果
致力于煤矿智能化开采技术及成套装备的研究，取得多项创新性成果，解决了采煤成套装备的自主感控性弱、协同性差、运维可靠性低等技术难题，引领了我国高端采煤装备的技术进步；在复杂环境机器人技术方面，获得了多项专利，研发了煤矿井下复杂环境智能感知技术及机器人精确定位系统，为煤矿高效、安全生产提供了有力的技术保障。
研究方向
智能化采煤装备、煤矿机器人
来源：
王忠宾,司垒,魏东等.煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术[J/OL].煤炭学报,1-19[2024-03-06].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.1379.
