煤礦井下鉆孔鉆進參數(shù)檢測裝置研究

張占存，鄒永洺，趙洪瑞

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽110004；2.煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧沈陽110016）

目前，煤礦井下鉆探設備在近些年有了比較長足的發(fā)展，但鉆孔的完孔程度及成孔率卻并不高，鉆孔施工還嚴重依賴操作司機的熟練程度和施工經(jīng)驗，不能安全發(fā)揮鉆機的能力，以達到預期的施工設計要求。因此，研制和推廣鉆進參數(shù)檢測裝置，在鉆進過程中采用對各種鉆進參數(shù)進行監(jiān)測，記錄和顯示各參數(shù)數(shù)據(jù)及變化過程曲線，并同時根據(jù)參數(shù)變化趨勢及參數(shù)間的相互關(guān)系進行智能分析，做出孔內(nèi)事故預警、見礦預報、換層預報等，以提高鉆進質(zhì)量、預防孔內(nèi)事故、改變憑經(jīng)驗打鉆的現(xiàn)狀，實現(xiàn)科學鉆探就成為十分重要的研究內(nèi)容[1－3]。

1 鉆進參數(shù)檢測裝置的研制

1.1 鉆進參數(shù)檢測裝置的設計方案

以ZDY系列鉆機為研究基礎(chǔ)，研究了該鉆機的結(jié)構(gòu)原理，確定了鉆進參數(shù)檢測裝置的構(gòu)成、分析軟件和運行形式等[4－5]。

鉆進參數(shù)檢測裝置設計原理如圖1所示，主要接入傳感器P1為給進油缸進油壓力，P2為給進油缸的出油壓力，P3為回轉(zhuǎn)器液壓泵進油壓力，P4為回轉(zhuǎn)器液壓泵出油壓力，N為鉆機的轉(zhuǎn)速，I為控制高低檔。其中P1、P2、P3、P4為（4－20MA）電流值。N為（200－5000HZ）的頻率信號，I為無源節(jié)點。電源為24V本安電源供電[6]。

圖1 鉆進參數(shù)檢測裝置設計原理圖

1.2 鉆進參數(shù)檢測裝置的構(gòu)成

鉆進參數(shù)檢測裝置主要由ARM9處理模塊，5路（4－20MA）模擬量采集，1路開關(guān)量，1路頻率信號采集，TFT256K色液晶，SD卡及E2ROM存儲，鍵盤，串口，電源等功能模塊構(gòu)成，整個裝置電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置電路結(jié)構(gòu)圖

1）高速處理器模塊。在電路核心板上選擇了高速的ARM9處理器，該處理器采用5級流水線。5級流水線能夠?qū)⒚恳粋€指令處理分配到5個時鐘周期內(nèi)，在每一個時鐘周期內(nèi)同時有5個指令在執(zhí)行。優(yōu)越的體系結(jié)構(gòu)使得處理速度達到200M，最高可運行到266M[7]。

2）信號采集模塊。信號采集模塊由5路電流信號，1路開關(guān)量信號，1路頻率信號構(gòu)成。模擬信號輸入模塊對各參數(shù)實時采集，開關(guān)信號輸入模塊實時反映控制設備的實時狀態(tài)。由于10比特采樣精度已滿足要求，所以由ARM模塊直接采樣，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了信號的可靠性和真實性。同時，由于裝置為本質(zhì)安全型電路，具有較強的數(shù)據(jù)采集能力和良好的通用性，對多種礦用傳感器，均可直接接入[8]。

3）顯示模塊。鉆進參數(shù)檢測裝置采用TFT256K色320×240液晶，人機界面可彩色顯示更加友好。裝置本身具有一定得參數(shù)設置，為了不影響試驗數(shù)據(jù)保存，特將該部分數(shù)據(jù)保存在E2ROM中。裝置工作主界面如圖3所示。

圖3 裝置工作界面示意圖

4）檢測裝置實物裝置圖。鍵盤采用5個獨立式按鍵，分別是向左、向右、確定、取消、P0鍵。其中在數(shù)據(jù)調(diào)整時，向左、向右鍵可轉(zhuǎn)換成為加、減鍵。按下P0功能鍵，可計算該時刻的推進力。鍵盤模塊的提供，可在現(xiàn)場隨時修改參數(shù)，使裝置更加方便通用。檢測裝置的外觀見圖4，整套組合裝置見圖5。

圖4 礦用本安鉆進參數(shù)測裝置

圖5 鉆進參數(shù)檢測裝置全貌圖

1.3 鉆進參數(shù)檢測裝置分析軟件

鉆進參數(shù)檢測裝置的軟件程序采用了自上而下的順序結(jié)構(gòu)，由初始化、顯示并校正時間、讀取配置信息、SD卡及文件校驗、采樣、執(zhí)行鍵盤命令等子程序組成。軟件流程圖如圖6所示。

整個程序的特色在于：第一在無操作系統(tǒng)的情況下構(gòu)建了文件系統(tǒng)，第二模擬了類似于window下的消息響應機制來觸發(fā)多級菜單。第三，采樣的頻率可調(diào)，可按照需求進行密集采樣。

檢測裝置具有實時顯示當前鉆進情況的功能；能進行參數(shù)及時間整定；數(shù)據(jù)存儲功能；在整定時間內(nèi)的柱狀圖顯示功能；在整定時間內(nèi)的曲線圖顯示功能；在整定參數(shù)情況下的報警顯示功能。

圖6 軟件流程圖

2 鉆進參數(shù)檢測裝置實驗室試驗

為了考察裝置的性能參數(shù)是否達到設計要求，在實驗室進行了樣機性能測試和系統(tǒng)可靠性試驗。主要測試各采集量精度及計算后推進力、鉆壓、扭矩、功率、轉(zhuǎn)速值，數(shù)據(jù)曲線的準確性，時間準確性，數(shù)據(jù)保存容量，界面顯示的正確性。

經(jīng)過為期一個月的測試，整理鉆進參數(shù)檢測裝置保存的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速波形如圖7所示，整理部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 鉆進轉(zhuǎn)速波形圖

通過鉆進轉(zhuǎn)速波形圖可以看出，鉆進參數(shù)檢測裝置的實時顯示曲線圖、柱狀圖顯示功能以及各菜單運行正常；通過整理的試驗數(shù)據(jù)看以看出，數(shù)據(jù)儲存功能正常，數(shù)據(jù)保存容量大，文件保存時間正確，數(shù)據(jù)測試數(shù)值與給定數(shù)值誤差小于1%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，滿足設計要求。

表1 鉆機檢測裝置部分實驗數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

鉆進參數(shù)檢測裝置的現(xiàn)場試驗選擇在通化礦務局松樹礦4111綜采工作面進行。本次試驗利用回風巷內(nèi)布置的本煤層預抽鉆孔和高位鉆場瓦斯抽放鉆孔施工，考察鉆機鉆進參數(shù)檢測裝置的性能。本煤層預抽鉆孔采用ZDY700／18.5型煤礦用全液壓坑道鉆機，高位鉆場采用ZDY4000S型煤礦用全液壓坑道鉆機。全液壓坑道鉆機由主機、泵站、操作臺3大部分組成，各部分之間由高壓膠管連接。主機由夾持器、回轉(zhuǎn)器、給進裝置和機架等部件組成。

現(xiàn)場工業(yè)性試驗對本煤層抽放鉆孔1號鉆場內(nèi)鉆孔的施工情況和高位鉆場內(nèi)鉆孔的施工情況進行了考察。高位鉆場巖石鉆孔參數(shù)見表2，本煤層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)見表3。

表2 高位鉆場瓦斯抽放鉆孔參數(shù)

表3 1號鉆場本煤層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)

試驗首先對鉆進參數(shù)檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)進行校對，鉆進參數(shù)檢測裝置對推進力的實測數(shù)據(jù)（10min）如圖8所示。通過與鉆機操作臺壓力表值對比，發(fā)現(xiàn)鉆進參數(shù)檢測裝置測定數(shù)據(jù)與操作臺壓力表值兩者基本一致，完全可以達到設計的要求。

圖8 鉆進參數(shù)檢測裝置測定推進力實測數(shù)據(jù)

通過應用鉆進參數(shù)檢測裝置對鉆進過程中鉆進參數(shù)的監(jiān)測，可以及時準確地測量并數(shù)字顯示鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等的大小，為獲得最大鉆速采取措施提供了科學依據(jù)。如在本煤層瓦斯抽放鉆孔施工時，在鉆壓8.6kN、轉(zhuǎn)速82r／min的條件下鉆進時，鉆速為8cm／min；而在鉆壓10.5kN、轉(zhuǎn)速95r／min的條件下鉆進時，鉆速為11cm／min。因此，其余本煤層鉆孔施工時均采用鉆壓10.5kN、轉(zhuǎn)速95r／min的鉆進參數(shù)鉆進。而高位鉆場巖石鉆孔施工時也采用了上述方法來優(yōu)選鉆進參數(shù)進行鉆進。

同時利用鉆進參數(shù)檢測裝置還可進行初步的判層和判斷鉆頭的磨損情況。如高位鉆場2號鉆孔，在鉆進至98m時，鉆壓突然減小，鉆速增大，經(jīng)分析應為孔前方煤巖性質(zhì)發(fā)生了變化，巖層由硬變軟，結(jié)合附近巷道掘進時的斷層情況，判斷應為鉆孔遇斷層，于是操作人員即時調(diào)整了鉆進參數(shù)避免了孔內(nèi)事故的發(fā)生。在鉆進過程中，由于鉆頭磨損，扭矩、鉆速等參數(shù)會發(fā)生明顯變化，這些變化可以確定是否需要更換鉆頭。如在施工高位鉆場中4號鉆孔在鉆進到158m時，在鉆壓基本穩(wěn)定的條件下鉆參儀顯示扭矩逐漸減小，鉆速由2cm／min逐漸下降為1.0cm／min。分析認為，出現(xiàn)這種情況的原因是該鉆頭已經(jīng)磨鈍，應更換鉆頭。提鉆后發(fā)現(xiàn)與分析結(jié)果一致，換用新鉆頭后又恢復到以前的鉆進速度。

通過試驗，可以看出所研制的鉆進參數(shù)檢測裝置可以對鉆孔施工過程中孔內(nèi)情況的分析判斷提供一定的幫助，根據(jù)鉆進參數(shù)的監(jiān)測，可以指導鉆孔的施工，為避免發(fā)生孔內(nèi)事故，提高成孔質(zhì)量，為鉆進作業(yè)科學打鉆提供了新的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

1）為解決目前瓦斯鉆孔完孔程度差和成孔率低的現(xiàn)狀，以ZDY系列鉆機為研究基礎(chǔ)，通過分析研究確定了鉆孔鉆進參數(shù)測定裝置設計方案，裝置構(gòu)成和分析軟件等。

2）鉆孔鉆進參數(shù)測定裝置主要由ARM9處理模塊，5路（4－20MA）模擬量采集，1路開關(guān)量，1路頻率信號采集，TFT256K色液晶，SD卡及E2ROM存儲，鍵盤，串口，電源等功能模塊構(gòu)成。具有實時顯示當前鉆進情況的功能；在整定時間內(nèi)的柱狀圖顯示功能；在整定時間內(nèi)的曲線圖顯示功能；在整定參數(shù)情況下的報警顯示功能。

3）在實驗室進行了推進力、鉆壓、扭矩、功率和轉(zhuǎn)速值、曲線的準確性，時間準確性，數(shù)據(jù)保存容量的試驗；實驗結(jié)果表明檢測裝置的數(shù)據(jù)儲存功能正常，數(shù)據(jù)保存容量大，文件保存時間正確，數(shù)據(jù)測試數(shù)值與給定數(shù)值誤差小于1%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，滿足設計要求。

4）現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明，鉆進參數(shù)檢測裝置測定數(shù)據(jù)與操作臺壓力表值兩者基本一致，通過應用鉆進參數(shù)檢測裝置對鉆進過程中鉆進參數(shù)的監(jiān)測，可以及時準確地測量并數(shù)字顯示鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等的大小，為獲得最大鉆速采取措施提供了科學依據(jù)，利用鉆進參數(shù)檢測裝置還可進行初步的判層和判斷鉆頭的磨損情況，為科學鉆探提供了新的技術(shù)手段。

[1]石智軍，田宏亮，田東莊等.煤礦井下隨鉆測量定向鉆進使用手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，2012.

[2]石智軍，董書寧，姚寧平等.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進技術(shù)與裝備[J].煤炭科學技術(shù)，2013，41（3）：1－5.

[3]補家武，補生蓉，李吉春.WZY－1型鉆參儀的研究與應用[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2003（2）：35－37.

[4]趙大軍，李文華，孫友宏等.工程地球物理勘探隨鉆測量鉆機的研制[J].吉林大學學報：地球科學版，2012，42（1）：144－148.

[5]姚克.ZDY4000LD定向鉆機關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2012，40（4）：82－85.

[6]趙大軍，羅啟鐘，王君等.JSL－30型鉆機鉆進參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究[J].2006，42（3）：97－98.

[7]劉魯新，權(quán)進國，林孝康.ARM9處理器與ARM7處理器比較[J].電子技術(shù)應用，2004（11）：13－15.

[8]鄔迪.煤礦井下電氣設備隔爆性能研究和設計[J].煤礦機械，2012，33（4）：61－62.