CN108643830A - 薄煤层大倾角窄体定向钻机及钻进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钻机及钻进方法,属于煤矿井下薄煤层瓦斯抽采钻孔的技术领域,具体涉及一种薄煤层大倾角窄体定向钻机及钻进方法。包括:车体,具备至少一个履带车体总成;主机,悬挂于所述履带车体总成的一端,包括一可沿滑轨伸缩的机身,以及驱动所述机身前进的平移油缸;并且,在非工作态时,所述主机轴心方向垂直于所述车体轴心方向。本发明开孔高度调节范围广,倾角调节范围大,适应窄巷道行走和施工。

Description

薄煤层大倾角窄体定向钻机及钻进方法
技术领域
本发明涉及一种钻机及钻进方法,属于煤矿井下薄煤层瓦斯抽采钻孔的技术领域,具体涉及一种薄煤层大倾角窄体定向钻机及钻进方法。
背景技术
在我国的煤炭资源中,薄煤层的含量丰富,且分布区域广泛。但其开采程度及利用效率却非常低。甚至许多矿井对厚度小于1.2m的薄煤层,弃之不采,资源损失十分严重。造成这一不良现象的原因是这类矿井的煤层薄、倾角大、工作面起伏大、巷道窄,常规钻机钻孔施工轨迹不可控,导致煤层中的有效孔深较浅,瓦斯抽采难度大,采煤工作无法顺利展开。煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术是近年来应用十分成功的施工工艺,可以实现长钻孔定向钻进和对钻孔轨迹的精确控制,确保了钻孔在煤层的有效延伸,在瓦斯抽采、探放水、顶底板注浆等领域得到了广泛应用。但煤矿用履带式全液压定向钻机本身车体较宽、倾角调节范围小、开孔高度调节范围十分有限,且只能沿车体方向施工,所需巷道宽度较大;在薄煤层大倾角矿区进行钻孔施工的主要目的是横穿工作面掩护下一巷道掘进,因此侧帮孔施工为钻机主要工作方式。对施工钻机的要求:1)窄体车身(车身宽度≤1.1m),2)倾角调节与开孔高度调节范围大,3)钻孔轨迹可控,4)侧帮孔施工。因此,目前广泛应用的煤矿用履带式全液压定向钻机不能全部满足上述要求,其使用受到诸多限制。
煤矿用履带式全液压定向钻机的结构如图1所示。钻机机身52通过调角稳固立柱53和调角立柱58连接在履带车体51,其中调角稳固立柱53与履带车体51通过螺栓固定连接;调角立柱58与履带车体51通过销轴铰接,可在一定幅度内进行前后摆动,进行倾角调节。钻机机身52通过前夹头组件60和后夹头组件55分别连接在前横梁61和后横梁56上。后调节油缸57和前调节油缸62的下端均连接在履带车体51上,上端分别与后横梁56、前横梁61相连。开孔高度和倾角的调节均通过前调节油缸62、后调节油缸57、前夹头组件60、后夹头组件55以及前抱瓦59、后抱瓦54配合完成。
参考图1可知,该定向钻机具有以下缺点:
(1)煤矿用履带式全液压定向钻机的开孔高度调节十分有限。(2)通过前调节油缸62和后调节油缸57的伸缩动作使机身52沿调角立柱58和调角稳固立柱53运动实现倾角调节,调节范围仅为-30°—30°。(3)车体宽度为1.5m左右,采用平铺式结构布置零部件,在窄巷道中行走不便;(4)在钻孔施工时都是沿履带车体方向,需要很大空间,而窄巷道无法满足;
鉴于此,本发明的设计者通过对薄煤层大倾角矿区施工现场的深入考察,综合长期从事相关产业的经验和成果,研究设计出适应性强的薄煤层大倾角窄体定向钻机,克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,专门设计钻机开孔高度及倾角的调节机构,优化布局钻机的履带车体,并配备无线随钻测量装备,适应煤层薄、倾角大、工作面起伏大、巷道窄的特点,实现薄煤层的定向钻进,垂直巷道进行跨皮带侧帮钻孔施工。
本发明所采用的技术方案是,
一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,包括:
车体,具备至少一个履带车体总成;
主机,悬挂于所述履带车体总成的一端,包括一可沿滑轨伸缩的机身,以及驱动所述机身前进的平移油缸;并且,在非工作态时,所述主机轴心方向垂直于所述车体轴心方向。
其中,所述机身设置于一垂直于所述履带车体总成的滑动轨道上,其一端连接平移油缸,该平移油缸的另一端连接于与车体位置相对固定的卡板上。
其中,所述主机与滑轨组件相连,所述滑轨组件受举升油缸的控制而沿设置于车体总成一端的立柱纵向移动。
其中,所述主机通过一回转支撑悬挂于所述履带车体总成上。
其中,所述车体上包括若干个可配置和更换的组件模块,各组件模块采用多层镶嵌结构设置于履带车体总成上。
其中,所述履带车体总成上设置有泥浆泵组件,座椅组件,冷却器总装;其中,所述泥浆泵组件安装在串泵上方,向钻孔内输送泥浆,驱动孔底马达进行定向钻进施工;所述座椅组件安装于电机上方;所述冷却器总装安装在防爆计算机组件的下方,包括箱体、冷却器芯、接头,用于连接系统多路阀回油、齿轮箱回油,为液压回油降温。
一种薄煤层大倾角窄体定向钻进方法,包括:
在履带车体总成一端设置立柱,在立柱上设置可纵向移动的回转支撑;将主机悬挂于回转支撑上;在非工作态时,所述主机轴心方向垂直于所述车体轴心方向;
在施工时,
利用举升油缸驱动机身沿立柱纵向移动以调整机身高度;
利用立柱上设置的回转支撑调节机身倾角;
利用平移油缸驱动机身伸缩。
一种薄煤层大倾角窄体定向钻进方法,包括:
步骤1,开始,启动系统,安装无线测量探管,安装上下无磁钻杆及孔底螺杆马达,确定探管类型、信号处理板类型、轨迹计算方法;
步骤2,新建钻场及钻孔,输入设计轨迹,进行摩阻计算
步骤3,根据摩阻计算结果判断是否需要修改设计,如果需要,返回第2)重新输入设计轨迹,如果不需要,进入步骤4;
步骤4,设置钻孔深度,并修正工具面,使孔底马达弯头竖直向上时,工具面向角为0°;
步骤5,实钻测量,测量探管所处位置的孔深、倾角、方位角、工具面向角、校验和、磁场强度、电池电压、探管温度等参数;
步骤6,判断是否需要进行开分支或拆分孔,如果需要开分支,在完成主孔的情况下,找到分支起点,新建分支孔;如果需要拆分孔,找到拆分起点,拆分主孔,拆分后剩余钻孔为分支孔,继续施工部分为主孔;如果开分支和拆分孔都不需要,直接进入第7)步;
步骤7,判断是否需要轨迹预测或控制;如果需要轨迹预测,选测预测点数,给出预测轨迹,然后人工凭借经验调节工具面向角;如果进行轨迹控制,可以选择以设计轨迹为控制目标,也可以人工输入三维坐标作为控制目标;如果轨迹预测和控制都不需要,直接进入步骤8;
步骤8,对钻孔轨迹进行防碰撞判断?如果需要,先对已完成钻孔与当前施工钻孔进行多孔显示,显示其空间分布,然后在当前钻孔的钻头位置进行多维孔间距计算,判断是否与其他钻孔碰撞;如果不需要,直接进入第9)步;
步骤9,根据第步骤6-8判断结果调整工具面,返回步骤5循环执行;
步骤10,探顶和探底作业,根据地质资料、钻机给进压力变化、返砂等数据确定钻孔是否到达顶板或者底板;
步骤11,钻孔完成后,结束,关闭系统。
本发明的有益效果是:1.开孔高度调节范围广,从0.8m—1.5m,适应工作面起伏大的特点。
2.倾角调节范围大,可实现-90°—90°的倾角调节,操作方便,性能可靠。
3.窄车体结构设计,采用镶嵌式结构在车体上进行模块化布置,最大程度减少车体宽度,适应窄巷道行走和施工。
4.前挂机身,垂直车体摆放,并设计平移装置,使机身能够其后移动,适应窄巷道跨皮带侧帮孔施工。
5.液压系统改进,使供油补给、油路维护及系统监测更加方便。
6.使用无线随钻测斜仪,并配备随钻测量及数据处理软件,对钻孔控制更加精准。
附图说明
图1是煤矿用履带式全液压定向钻机结构示意图;
图2是薄煤层大倾角窄体定向钻机主视图。
图3是薄煤层大倾角窄体定向钻机俯视图。
图4a是薄煤层大倾角窄体定向钻机主机跨皮带姿态图。
图4b是薄煤层大倾角窄体定向钻机主机非跨皮带姿态图。
图5是薄煤层大倾角窄体定向钻机调幅装置结构示意图。
图6是薄煤层大倾角窄体定向钻机倾角调节结构示意图。
图7是薄煤层大倾角窄体定向钻机开孔高度调节结构示意图。
图8是薄煤层大倾角窄体定向钻机开孔最高位置示意图。
图9是薄煤层大倾角窄体定向钻机倾角-90°示意图。
图10是随钻测量及数据处理软件操作流程图。
图1中:51-履带车体,52-机身,53-调角稳固立柱,54-后抱瓦,55-后夹头组件,56-后横梁,57-后调节油缸,58-调角立柱,59-前抱瓦,60-夹头组件,61-前横梁,62-前调节油缸。
图2-9中,1-泥浆泵组件,2-防爆计算机组件,3-调幅装置,4-主机,5-两联多路阀总装,6-操作台总装,7-座椅组件,8-履带车体总成,9-前上下稳固装置,10-托板装置,11-三联多路阀总装,12-高压滤油器组件,13-储能器组件,14-电机泵组,15-油箱组件,16-气动加油泵,17-冷却器总装,18-回转油路板总成,19-副操纵台总装,20-集成阀块组成,21-夹持器,22-机身,23-卡板,24-平移油缸,25-动力头,26-立柱导轨,27-滑轨组件,28-回转支撑,29-举升油缸,30-蜗杆,31-涡轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图2-4,显示本发明的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,包括车体和主机两部分。主机通过调幅装置3悬挂在车体前方,可实现0.8m—1.5m的开孔高度的调节、-90°—90°倾角调节、实现跨皮带侧帮孔施工。
其中,所述的车体包括履带车体总成8及安装在履带车体总成8上面的泥浆泵组件1、防爆计算机组件2、调幅装置3、两联多路阀总装5、操纵台总装6、座椅组件7、前上下稳固装置9、托板装置10、三联多路阀总装11、高压滤油器组件12、储能器组件13、电机泵组14、油箱组件15、气动加油泵16、冷却器总装17、回转油路板总装18、副操纵台总装19和集成阀块总成20等部分,其中每一组件都是一个模块,可根据客户需求进行配置或更换。
其中,电机泵组14是钻机的动力源,由防爆电动机、弹性联轴器、Ⅰ泵、Ⅱ泵、Ⅲ泵等部件组成,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ油泵采用串联方式,整体尺寸较长,所占空间较大。为充分合理利用空间,本发明将泥浆泵组件1安装在串泵上方,向钻孔内输送泥浆,驱动孔底马达进行定向钻进施工;将座椅组件7安装在电机上方,方便工人操作。冷却器总装17由箱体、冷却器芯、接头等组成,连接系统多路阀回油、齿轮箱回油,为液压回油降温,无需人工操控且不易损坏,故安装在防爆计算机组件2的下方空间中,方便油路布置与安装。回转油路板总成18将节流阀、单向阀、液控单向阀集成在一起,用于控制回转,将回转油路板总成18安装在操作台总装6的下方,方便管路连接。电机泵组14与泥浆泵组件1、电机泵组14与座椅组件7、防爆计算机组件2与冷却器总装17、回转油路板总成18与操作台总装6等均采用上下两层镶嵌结构,在不增加车体长度的情况下,将车体宽度从1.5m降低至1.1m,方便在窄巷道中行走运输。
其中,所述的主机4包含夹持器21、机身22、卡板23、平移油缸24以及动力头25。其中平移油缸24一端铰接在机身22右端,另一端铰接在卡板23上,通过平移油缸24的伸缩带动机身22前后移动。当平移油缸24完全缩回时,机身22移动到最前端,从而实现跨皮带施工,如图4a所示。当平移油缸24伸出时,机身22缩回,为非跨皮带施工状态,如图4b所示。
参考图2-4,本发明一种薄煤层大倾角窄体定向钻机对液压系统进行了深层次提升,使供油补给、油路维护及系统监测更加方便。升级补油环节,在油箱组件15中增加气动补油泵16,可实现不开油箱盖供油;重新设计吸油环节,在油箱组件15中创新使用自封式吸油滤油器,无须排出液压油,油路自动密封,可直接拔出滤芯更换。在操作台总装6上增加流量计,可实时监测泥浆泵流量变化。
参考图5-7,本发明一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其调幅装置3主要包括立柱导轨26、滑轨组件27、回转支撑28、蜗杆30,涡轮31,其中立柱导轨26、滑轨组件27与举升油缸29配合实现钻机开孔高度的调节,调节范围0.8m—1.5m,解决薄煤层中工作面起伏大导致的煤矿用履带式全液压定向钻机适应性较差的问题。回转支撑28细分为蜗杆30和涡轮31两部分,可360°无限制旋转,实现钻机-90°—90°倾角调节。
参考图8,显示了本发明中的一个实施例,当滑轨组件27调至最高位置,即开孔高度为1.5m、倾角0°时主机的状态。与图8对应的另一个实施例为图5,此时滑轨组件27调至最低位置,即开孔高度为0.8m、倾角0°时主机的姿态图。
参考图9,显示了本发明中的第三个实施例,倾角-90°时,钻机的施工姿态图,为保证施工时钻机的稳固,在主机4的前端和后端分别增加前稳固装置和后稳固装置。若钻机需要进行倾角90°施工,将现在倾角-90°时的主机4旋转180°即可。同时当钻机需要行走时,可将主机调至90°或者-90°,动力头高度调至与回转支撑28中心一致,去掉主机前后稳固装置和车体的上下稳固装置,即可在窄巷道中行走。
为控制在薄煤层中施工钻孔轨迹,本发明一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,使用无线随钻测斜仪,并配备随钻测量及数据处理软件。无线随钻测斜仪可让定向钻机摆脱必须使用通缆钻杆的限制,大幅度降低设备配套成本。随钻测量及数据处理软件蕴含我院工艺人员多年来积攒的施工经验,是施工现场智慧的一种实体呈现,具备设置探管类型、设置计算方法、新建钻场钻孔、修改设计、开分支与拆分孔、实钻测量、修改工具面、调整工具面、图形方位调节、删除末尾数据、数据导入导出、导出轨迹图形、自定义比例尺、快捷操作、轨迹预测、轨迹控制、多孔显示、三维孔间距、摩阻计算、知识库等二十多种功能,拥有界面友好、功能强大、使用便利、操作简单的特点,可为现场施工人员提供了良好的用户体验。
参考图10,本实施例的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机的定向施工过程中随钻测量的操作流程为:
1)开始,启动系统,安装无线测量探管,安装上下无磁钻杆及孔底螺杆马达,确定探管类型、信号处理板类型、轨迹计算方法。
2)新建钻场及钻孔,输入设计轨迹,进行摩阻计算
3)根据摩阻计算结果判断是否需要修改设计,如果需要,返回第2)重新输入设计轨迹,如果不需要,进入第4)步。
4)设置钻孔深度,并修正工具面,使孔底马达弯头竖直向上时,工具面向角为0°。
5)实钻测量,测量探管所处位置的孔深、倾角、方位角、工具面向角、校验和、磁场强度、电池电压、探管温度等参数。
6)判断是否需要进行开分支或拆分孔?如果需要开分支,在完成主孔的情况下,找到分支起点,新建分支孔;如果需要拆分孔,找到拆分起点,拆分主孔,拆分后剩余钻孔为分支孔,继续施工部分为主孔;如果开分支和拆分孔都不需要,直接进入第7)步。
7)判断是否需要轨迹预测或控制?如果需要轨迹预测,选测预测点数,给出预测轨迹,然后人工凭借经验调节工具面向角;如果进行轨迹控制,可以选择以设计轨迹为控制目标,也可以人工输入三维坐标作为控制目标;如果轨迹预测和控制都不需要,直接进入第8)步。
8)对钻孔轨迹进行防碰撞判断?如果需要,先对已完成钻孔与当前施工钻孔进行多孔显示,显示其空间分布,然后在当前钻孔的钻头位置进行多维孔间距计算,判断是否与其他钻孔碰撞。如果不需要,直接进入第9)步。
9)根据第6)—8)判断结果调整工具面,返回第5)步循环执行。
10)探顶和探底作业,根据地质资料、钻机给进压力变化、返砂等数据确定钻孔是否到达顶板或者底板。
11)钻孔完成后,结束,关闭系统。
本发明适应薄煤层施工中倾角大、工作面起伏大、巷道窄的特点,开孔高度及倾角调节范围大,外形尺寸小,可跨皮带进行侧帮孔施工,配备无线随钻测量装备,具有良好的适应性。
采用以上方案后,本方案的实施例具有以下优点:
1.开孔高度调节范围广,适应性强。参考图1,不难看出,煤矿用履带式全液压定向钻机的开孔高度调节十分有限。参考图5-7所示,本发明中钻机利用举升油缸29伸缩使滑轨组件27沿立柱导轨26上下运动,实现开孔高度的调节,范围为0.8m—1.5m,适应工作面起伏大的工况。
2.倾角调节范围大,调节方便可靠。参考图1,煤矿用履带式全液压定向钻机通过前调节油缸62和后调节油缸57的伸缩动作使机身52沿调角立柱58和调角稳固立柱53运动实现倾角调节,调节范围仅为-30°—30°。参考图5-7所示,本发明中钻机通过回转支撑28实现机身-90°—90°的倾角调节,方便可靠。
3.窄车体结构设计,适应窄巷道运输。参考图1,煤矿用履带式全液压定向钻机车体宽度为1.5m左右,采用平铺式结构布置零部件。参考图2-3,本发明中钻机车体仅为1.1m,采用立体式模块化布局,其中电机泵组14与泥浆泵组件1、电机泵组14与座椅组件7、防爆计算机组件2与冷却器总装17、回转油路板总成18与操作台总装6等均采用上下两层镶嵌结构,在不增加车体长度的情况下,最大程度减少车体宽度。而且本发明中钻机在行走过程中可将机身调节至倾角90°位置,方便在窄巷道中行走。
4.前挂式机身,垂直车体摆放,适应窄巷道侧帮孔施工。参考图1,煤矿用履带式全液压定向钻机在钻孔施工时都是沿履带车体方向,需要很大空间,而窄巷道无法满足。参考图2-3,本发明中的钻机的机身在履带车体前悬挂,机身与车体垂直,可以在窄巷道中进行侧帮孔施工。主机结构参考图4,平移油缸24一端铰接在机身22右端,另一端铰接在卡板23上,通过平移油缸24的伸缩带动机身22前后移动,当平移油缸完全缩回时,机身22移动到最前端,从而实现跨皮带施工。
5.液压系统改进,使供油补给、油路维护及系统监测更加方便。如图2-3所示,升级补油环节,在油箱组件15中增加气动补油泵16,可实现不开油箱盖供油;重新设计吸油环节,在油箱组件15中创新使用自封式吸油滤油器,无须排出液压油,油路自动密封,可直接拔出滤芯更换。在操作台总装6上增加流量计,可实时监测泥浆泵流量变化。
6.使用无线随钻测斜仪,并配备随钻测量及数据处理软件,对钻孔控制更加精准。无线随钻测斜仪可让本发明中的定向钻机摆脱必须使用通缆钻杆的限制,大幅度降低设备配套成本。随钻测量及数据处理软件蕴含我院工艺人员多年来积攒的施工经验,是施工现场智慧的一种实体呈现,具有界面友好、功能强大、使用便利、操作简单的特点,为现场施工人员提供了良好的用户体验。

Claims (8)

1.一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,包括:
车体,具备至少一个履带车体总成(8);
主机,悬挂于所述履带车体总成(8)的一端,包括一可沿滑轨伸缩的机身(22),以及驱动所述机身前进的平移油缸(24);并且,在非工作态时,所述主机轴心方向垂直于所述车体轴心方向。
2.根据权利要求1所述的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,所述机身(22)设置于一垂直于所述履带车体总成(8)的滑动轨道上,其一端连接平移油缸(24),该平移油缸(24)的另一端连接于与车体位置相对固定的卡板(23)上。
3.根据权利要求1所述的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,所述主机与滑轨组件(27)相连,所述滑轨组件(27)受举升油缸(29)的控制而沿设置于车体总成(8)一端的立柱(26)纵向移动。
4.根据权利要求1所述的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,所述主机通过一回转支撑(28)悬挂于所述履带车体总成(8)上。
5.根据权利要求1所述的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,所述车体上包括若干个可配置和更换的组件模块,各组件模块采用多层镶嵌结构设置于履带车体总成(8)上。
6.根据权利要求1所述的一种薄煤层大倾角窄体定向钻机,其特征在于,所述履带车体总成(8)上设置有泥浆泵组件(1),座椅组件(7),冷却器总装(17);其中,所述泥浆泵组件(1)安装在串泵上方,向钻孔内输送泥浆,驱动孔底马达进行定向钻进施工;所述座椅组件(7)安装于电机上方;所述冷却器总装(17)安装在防爆计算机组件(2)的下方,包括箱体、冷却器芯、接头,用于连接系统多路阀回油、齿轮箱回油,为液压回油降温。
7.一种薄煤层大倾角窄体定向钻进方法,其特征在于,包括:
在履带车体总成(8)一端设置立柱(26),在立柱(26)上设置可纵向移动的回转支撑(28);将主机悬挂于回转支撑(28)上;在非工作态时,所述主机轴心方向垂直于所述车体轴心方向;
在施工时,
利用举升油缸(29)驱动机身沿立柱(26)纵向移动以调整机身高度;
利用立柱上设置的回转支撑(28)调节机身倾角;
利用平移油缸驱动机身伸缩。
8.一种薄煤层大倾角窄体定向钻进方法,其特征在于,包括:
步骤1,开始,启动系统,安装无线测量探管,安装上下无磁钻杆及孔底螺杆马达,确定探管类型、信号处理板类型、轨迹计算方法;
步骤2,新建钻场及钻孔,输入设计轨迹,进行摩阻计算
步骤3,根据摩阻计算结果判断是否需要修改设计,如果需要,返回第2)重新输入设计轨迹,如果不需要,进入步骤4;
步骤4,设置钻孔深度,并修正工具面,使孔底马达弯头竖直向上时,工具面向角为0°;
步骤5,实钻测量,测量探管所处位置的孔深、倾角、方位角、工具面向角、校验和、磁场强度、电池电压、探管温度等参数;
步骤6,判断是否需要进行开分支或拆分孔,如果需要开分支,在完成主孔的情况下,找到分支起点,新建分支孔;如果需要拆分孔,找到拆分起点,拆分主孔,拆分后剩余钻孔为分支孔,继续施工部分为主孔;如果开分支和拆分孔都不需要,直接进入第7)步;
步骤7,判断是否需要轨迹预测或控制;如果需要轨迹预测,选测预测点数,给出预测轨迹,然后人工凭借经验调节工具面向角;如果进行轨迹控制,可以选择以设计轨迹为控制目标,也可以人工输入三维坐标作为控制目标;如果轨迹预测和控制都不需要,直接进入步骤8;
步骤8,对钻孔轨迹进行防碰撞判断?如果需要,先对已完成钻孔与当前施工钻孔进行多孔显示,显示其空间分布,然后在当前钻孔的钻头位置进行多维孔间距计算,判断是否与其他钻孔碰撞;如果不需要,直接进入第9)步;
步骤9,根据第步骤6-8判断结果调整工具面,返回步骤5循环执行;
步骤10,探顶和探底作业,根据地质资料、钻机给进压力变化、返砂等数据确定钻孔是否到达顶板或者底板;
步骤11,钻孔完成后,结束,关闭系统。
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