煤礦井下坑道鉆機(jī)電控自動(dòng)化技術(shù)研究

徐斌

【摘? 要】近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國(guó)的煤礦工程的發(fā)展也有了改善。鉆機(jī)單動(dòng)控制基礎(chǔ)上進(jìn)行了鉆機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)和自動(dòng)起鉆技術(shù)研究，大大提高了煤礦井下鉆機(jī)自動(dòng)化程度。地面功能性實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)功能性、實(shí)時(shí)性和可靠性滿足使用要求。研制的鉆機(jī)電控系統(tǒng)配套在鉆機(jī)上，可提高鉆機(jī)自動(dòng)化水平，更好地保障了人員和設(shè)備的安全，對(duì)推動(dòng)煤礦井下鉆機(jī)智能化發(fā)展有積極作用。

【關(guān)鍵詞】煤礦井下坑道;鉆機(jī)電控;自動(dòng)化技術(shù)研究

引言

煤炭資源的采掘與生產(chǎn)在我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一直占據(jù)著重要的位置，先進(jìn)的井下開(kāi)采設(shè)備和智能化控制系統(tǒng)是提高煤礦挖采效率的前提。目前我國(guó)的煤礦開(kāi)采技術(shù)信息化、自動(dòng)化程度還不夠高，人力投入生產(chǎn)的比例依然較大。

1.煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展歷程

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔深度大、鉆孔軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣、鉆孔利用率高等優(yōu)勢(shì)，已成為井下災(zāi)害防治和煤層氣開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)手段。我國(guó)煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的發(fā)展經(jīng)歷了引進(jìn)消化、自主研發(fā)到創(chuàng)新發(fā)展的階段，逐步形成了具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的坑道定向鉆探技術(shù)與裝備體系，有力推動(dòng)了井下坑道鉆探技術(shù)裝備的升級(jí)換代。我國(guó)煤礦進(jìn)行隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的研究應(yīng)用最早始于90年代中期，淮南、撫順、松藻等礦區(qū)陸續(xù)引進(jìn)美國(guó)、澳大利亞的千米定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備進(jìn)行試驗(yàn)，但均未獲得成功，這主要是由于當(dāng)時(shí)的定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備難以滿足上述煤礦區(qū)復(fù)雜煤層條件下成孔需要，因此，我國(guó)暫時(shí)放棄了以孔底螺桿鉆具造斜為主的定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，轉(zhuǎn)向發(fā)展穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備。2003年，鑒于國(guó)外定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的所取得了成功應(yīng)用案例，亞美大寧煤礦在國(guó)內(nèi)首先引進(jìn)澳大利亞的VLD型定向鉆機(jī)，在地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的煤層中成功施工了1002m的瓦斯抽采定向鉆孔，標(biāo)志著我國(guó)在煤礦井下成功使用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的開(kāi)端?！笆晃濉逼陂g，我國(guó)開(kāi)展了煤礦井下千米瓦斯抽采鉆孔施工裝備及工藝技術(shù)的研究工作，開(kāi)發(fā)出滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)和分支孔鉆進(jìn)工藝，研制出系列化坑道定向鉆機(jī)及配套裝備，在陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司大佛寺煤礦完成了最大順煤層孔深1212m的定向鉆孔，標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的有線隨鉆測(cè)控千米定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備取得突破?！笆濉逼陂g，在國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題支持下，筆者牽頭開(kāi)展了煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的研究工作，開(kāi)發(fā)出復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，研制出ZDY12000LD型大功率定向鉆機(jī)、YHD2-1000（A）型有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等裝備。

2.煤礦井下坑道鉆機(jī)電控自動(dòng)化技術(shù)

2.1電液控制系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)和鉆機(jī)自動(dòng)施工技術(shù)的功能和可靠性，電液控制系統(tǒng)先后在ZDY4000LR鉆機(jī)進(jìn)行了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在ZDY6500LQ鉆機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。集成電液控制系統(tǒng)后的ZDY4000LR電控自動(dòng)化鉆機(jī)具備遠(yuǎn)程控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)、工況邏輯判斷、安全互鎖、自動(dòng)調(diào)平、自動(dòng)化鉆孔施工等功能。經(jīng)功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明：①電液控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)及時(shí)。經(jīng)信號(hào)監(jiān)控軟件PCANView反復(fù)驗(yàn)證說(shuō)明：遙控器發(fā)出指令后50ms內(nèi)控制信號(hào)即可傳遞至電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)②鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制平穩(wěn)。通過(guò)遙控器可實(shí)現(xiàn)50m遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)，無(wú)明顯遲滯現(xiàn)象。③鉆機(jī)工況判斷準(zhǔn)確。控制器根據(jù)遙控器按鍵排列完成工況判斷，并將對(duì)應(yīng)工況相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)界面返回至遙控器屏幕顯示。④具備安全互鎖功能?？刂破魍瓿摄@機(jī)工況判斷后會(huì)將其他工況條件下的電磁閥控制權(quán)限鎖死，防止誤操作發(fā)生安全事故。比如在行走工況下，無(wú)論怎樣撥動(dòng)回轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)按鈕，對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不會(huì)動(dòng)作。⑤進(jìn)行了鉆機(jī)自動(dòng)調(diào)平實(shí)驗(yàn)，鉆機(jī)可在10s內(nèi)完成自動(dòng)調(diào)平，且水平度誤差小于0.2°。⑥進(jìn)行了鉆機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)和自動(dòng)起鉆實(shí)驗(yàn)，可在60s內(nèi)完成單根鉆桿的加載或拆卸。

2.2傳感器模塊

傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各采掘設(shè)備工況參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊。當(dāng)設(shè)備工作狀態(tài)異?；虬l(fā)生故障時(shí)，傳感器可以及時(shí)檢測(cè)到并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，由控制模塊發(fā)送急停指令，保護(hù)設(shè)備不受到嚴(yán)重?fù)p害。本控制系統(tǒng)主要采用的傳感器有壓力傳感器、速度傳感器、液位傳感器、溫度傳感器和煙霧傳感器等，這些傳感器需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行布設(shè)檢測(cè)。壓力傳感器用于檢測(cè)水壓、油壓等壓力值，當(dāng)壓力值超過(guò)閾值，即發(fā)送預(yù)警信號(hào)并停止設(shè)備運(yùn)行;速度傳感器用于檢測(cè)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等采掘設(shè)備的角速度或線速度;液位傳感器用于檢測(cè)油箱、水箱液面位置，防止出現(xiàn)吸空現(xiàn)象;溫度傳感器用于檢測(cè)主要采掘設(shè)備的油溫變化，例如液壓油箱溫度、減速器齒輪潤(rùn)滑油溫度等;煙霧傳感器用于檢測(cè)井下現(xiàn)場(chǎng)的煙霧濃度值，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)向控制器發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

2.3鉆機(jī)控制器設(shè)計(jì)

鉆機(jī)控制器為坑道鉆機(jī)電控系統(tǒng)的核心部件，其功能多樣性、可靠性及穩(wěn)定性的優(yōu)劣直接影響鉆機(jī)電控系統(tǒng)整體性能。鉆機(jī)控制器主要作用是完成對(duì)各類傳感器信息的采集、解碼、計(jì)算;輸出控制信號(hào)完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制;同時(shí)為其他加掛在控制器的本安設(shè)備供電。按組成結(jié)構(gòu)劃分，鉆機(jī)控制器主要由本安電源板、隔離采集板以及PLC控制器組成。其中，本安電源板用于實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，將輸入端DC24V非安電源轉(zhuǎn)換為DC12V本質(zhì)安全電源輸出，為隔離采集板和其他本安設(shè)備供電;隔離采集板用于實(shí)現(xiàn)本安、非安電路隔離，可承受AC2500V的工頻耐壓，具備1.3A過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能;PLC控制器內(nèi)嵌鉆機(jī)控制程序，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包解碼計(jì)算、鉆機(jī)控制邏輯判斷、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)的輸出。按功能劃分，鉆機(jī)控制器可分為輸入端和輸出端兩大模塊。其中，輸入端包括1路DC24V非安電源;2路本安CAN總線通訊電路，其中CAN1用來(lái)連接收發(fā)器，CAN2用來(lái)連接壓力傳感器;8路0～5V本安電壓量輸入電路，用來(lái)連接位移傳感器;8路4～20mA本安點(diǎn)流量輸入電路，用來(lái)連接流量、溫度傳感器;8路本安開(kāi)關(guān)量輸入（DI），用來(lái)連接位置傳感器以及轉(zhuǎn)速傳感器。輸出端包括12路非安PWM輸出接口，可輸出24V，0～2A可調(diào)電流，可驅(qū)動(dòng)電磁比例閥;16路非安開(kāi)關(guān)量輸出接口，可驅(qū)動(dòng)電磁開(kāi)關(guān)閥;1路DC12V本安電源輸出，為系統(tǒng)中的本安設(shè)備供電。

2.4人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互包含監(jiān)控顯示屏和操作平臺(tái)兩個(gè)部分。在系統(tǒng)控制總線末端設(shè)置液晶顯示屏，將傳感器采集處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示，從而使操作人員可以總攬全局，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主要設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。控制系統(tǒng)具有兩種不同的操控類型，分別為本機(jī)操控和遙控操控，操控方式可通過(guò)操控平臺(tái)模塊上設(shè)置的操控方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行切換。當(dāng)本機(jī)操作模式開(kāi)啟時(shí)，可直接通過(guò)操作平臺(tái)上的功能按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)采掘設(shè)備的控制，如設(shè)備的啟停、故障預(yù)警、故障診斷等操作;當(dāng)采用遙控模式時(shí)，信號(hào)發(fā)射器將需要執(zhí)行的控制指令輸送到接收機(jī)上，接收機(jī)再將指令發(fā)送到主控制器中，主控器根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作，信號(hào)的傳輸全部以CAN總線方式完成。

3.結(jié)語(yǔ)

在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)、行業(yè)發(fā)展需求導(dǎo)向、國(guó)家政策推動(dòng)下，煤礦井下智能化定向鉆探技術(shù)的發(fā)展勢(shì)不可擋。目前我國(guó)煤礦井下坑道鉆探仍處于從機(jī)械化向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的階段，定向鉆探技術(shù)裝備的智能化水平較低，但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G通訊等先進(jìn)技術(shù)與煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備的深度融合，必將推動(dòng)井下坑道鉆探邁向智能化。

參考文獻(xiàn)

[1]王國(guó)法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級(jí)階段）研究與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（8）：1-36.