井下鉆場(chǎng)智能化鉆桿清點(diǎn)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張新龍

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

1 工程概況

陳四樓煤礦自2015 年升級(jí)為煤與瓦斯突出礦井后，更加致力于井下瓦斯的治理工作，在陳四樓煤礦井下十采區(qū)、五采區(qū)、八采區(qū)等采區(qū)均布置有瓦斯抽放鉆場(chǎng)。陳四樓煤礦鉆場(chǎng)傳統(tǒng)上的鉆孔驗(yàn)收模式采用人工井下現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收模式，在鉆場(chǎng)鉆孔需要驗(yàn)收時(shí)，需要井下驗(yàn)孔人員在起拔鉆時(shí)一根根地查、統(tǒng)計(jì)起拔出來(lái)的鉆桿數(shù)量，并且在鉆孔起拔結(jié)束后需要二次復(fù)驗(yàn)核對(duì)，以確保數(shù)據(jù)正確。如鉆孔驗(yàn)收人員不在現(xiàn)場(chǎng)，還需等待鉆孔驗(yàn)收人員到達(dá)后方可進(jìn)行鉆孔驗(yàn)收，極其費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果驗(yàn)孔人員或施工人員精力不集中、弄虛作假，極易造成重復(fù)清點(diǎn)鉆桿數(shù)量、降低工人功效、延長(zhǎng)鉆場(chǎng)施工工期、影響礦井生產(chǎn)計(jì)劃安排等問(wèn)題，甚至造成鉆孔數(shù)據(jù)失真，給以后的安全生產(chǎn)留下重大隱患。

為了更好地保障陳四樓煤礦井下鉆場(chǎng)鉆孔驗(yàn)收的規(guī)范性、準(zhǔn)確性，陳四樓煤礦結(jié)合井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作需求，研制了一套用于井下鉆場(chǎng)清點(diǎn)鉆桿數(shù)量的控制系統(tǒng)，并在陳四樓煤礦井下多個(gè)鉆場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和效果檢驗(yàn)。通過(guò)在井下鉆場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用后，對(duì)比以往傳統(tǒng)的驗(yàn)孔方式，鉆桿自動(dòng)清點(diǎn)用時(shí)比傳統(tǒng)驗(yàn)孔方式縮短了近30%的時(shí)間，較大程度地降低了驗(yàn)孔人員的工作強(qiáng)度，而且避免了重復(fù)清點(diǎn)鉆桿的可能性，保證了鉆桿施工深度的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，給陳四樓煤礦瓦斯治理工作提供了強(qiáng)有力的保障和數(shù)據(jù)支持。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、監(jiān)控分站、紅外線傳感器、LED 顯示屏等各部件組成。GHW-5 型紅外線傳感器通過(guò)感應(yīng)掃描鉆桿狀態(tài)發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號(hào)，開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)過(guò)線纜傳送至KTC158.2 型分站，分站通過(guò)設(shè)置編程程序，由分站向LED 顯示屏發(fā)出動(dòng)作指令（同步指令），攝像機(jī)通過(guò)光纖把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以影像的形式傳遞給地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控調(diào)度控制中心。

2.2 系統(tǒng)工作原理

將系統(tǒng)安裝布置在煤礦井下鉆場(chǎng)，當(dāng)鉆場(chǎng)鉆孔施工完畢后需要進(jìn)行起鉆驗(yàn)收，驗(yàn)孔人員把紅外線傳感器固定在鉆機(jī)軌道上，通過(guò)掃描感應(yīng)鉆桿給分站發(fā)出指令。當(dāng)鉆桿未拔到指定位置時(shí)，紅外線傳感器處于“開(kāi)”量，不發(fā)出指令；鉆桿拔出到指定位置，傳感器信號(hào)斷開(kāi)，分站通過(guò)設(shè)置程序向LED顯示屏發(fā)出指令（同步指令），LED 顯示屏通過(guò)遞增方式，在拔鉆時(shí)依次顯示數(shù)字，指示鉆桿實(shí)際拔出數(shù)量，同時(shí)攝像機(jī)通過(guò)光纖把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以影像的形式傳遞給地面實(shí)現(xiàn)雙向監(jiān)督。當(dāng)鉆桿全部取出后，需要下一次清點(diǎn)鉆桿時(shí)，按動(dòng)KTC158.2 型分站外接復(fù)位按鈕，數(shù)據(jù)全部清零，為下一次鉆桿驗(yàn)收做好準(zhǔn)備。如圖1 所示。

圖1 陳四樓煤礦井下鉆場(chǎng)鉆桿清點(diǎn)控制系統(tǒng)元件示意圖

3 主要關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)由PLC 可編程控制器控制

PLC 可編程控制器選用西門(mén)子S7-1200PLC，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高的設(shè)計(jì)。在安裝過(guò)程中，該模塊化的緊湊系統(tǒng)節(jié)省了寶貴的空間，提供了最高效率和最大靈活性。其邏輯控制方式可通過(guò)軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，使復(fù)雜的控制邏輯變得簡(jiǎn)單易行。陳四樓煤礦井下鉆場(chǎng)鉆桿清點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 陳四樓煤礦井下鉆場(chǎng)鉆桿清點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖

3.2 系統(tǒng)各部件及技術(shù)功能

（1）攝像機(jī)，安裝在煤礦井下鉆場(chǎng)，便于地面調(diào)度人員實(shí)時(shí)掌控鉆場(chǎng)的施工進(jìn)度和監(jiān)督鉆孔驗(yàn)收是否存在弄虛造假現(xiàn)象。其所有視頻信號(hào)通過(guò)光纖傳送至地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控顯示屏上。

（2）監(jiān)控分站，安裝在煤礦井下鉆場(chǎng)，接受執(zhí)行元件紅外線傳感器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并對(duì)開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理與分析，發(fā)送機(jī)器識(shí)別編碼信號(hào)給LED 顯示屏（同步）。

（3）紅外線傳感器，執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)掃描鉆桿通過(guò)傳感器時(shí)的狀態(tài)，給KTC158.2 型分站發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

（4）LED 顯示屏，以遞增的方式顯示鉆桿實(shí)時(shí)拔出數(shù)量，便于驗(yàn)收人實(shí)時(shí)掌握鉆桿拔出情況做好驗(yàn)收驗(yàn)孔工作。

4 應(yīng)用效果

（1）在人員行為上，井下鉆場(chǎng)鉆桿智能化清點(diǎn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，有效杜絕了驗(yàn)收人員或施工人員弄虛造假、虛報(bào)瞞報(bào)鉆孔施工工作量，確保了鉆孔施工深度的準(zhǔn)確性。井下鉆場(chǎng)鉆桿智能化清點(diǎn)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅打破了職工舊有的工作模式，同時(shí)還提高了職工創(chuàng)新意識(shí)，給以后的礦井自動(dòng)化改造、實(shí)用性創(chuàng)新思維模式、安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）在工作效率上，以起拔100 m 的鉆孔為例，人工驗(yàn)收鉆孔時(shí)，鉆桿拔出時(shí)間需要30 min，驗(yàn)收人員驗(yàn)收鉆桿數(shù)量需要10 min，驗(yàn)收人員二次核對(duì)10 min，共需50 min。如再加上鉆場(chǎng)驗(yàn)收人員未在現(xiàn)場(chǎng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間、驗(yàn)收人員精力不集中二次核對(duì)錯(cuò)誤需重新核對(duì)時(shí)間，所需時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 min。而采用智能化鉆場(chǎng)鉆桿清點(diǎn)控制系統(tǒng)，只需在鉆桿起拔時(shí)用時(shí)5 min 安裝好儀器，鉆桿起拔時(shí)間為30 min，共需35 min。（50-35）/50=30%，提高效率最少30%。

（3）在安全系數(shù)上，智能化清點(diǎn)杜絕了弄虛造假現(xiàn)象的發(fā)生，為礦井的綜合瓦斯治理、抽采達(dá)標(biāo)提供了強(qiáng)有力的保障和數(shù)據(jù)依據(jù)，奠定了礦井安全生產(chǎn)的基石。

（4）在自動(dòng)化水平上，充分利用了現(xiàn)有裝備和資源，由PLC 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了“區(qū)域自動(dòng)化、局部智能化”，提高了礦井綜合自動(dòng)化建設(shè)水平，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化技術(shù)與煤礦瓦斯治理的有機(jī)結(jié)合，給以后的煤礦瓦斯治理創(chuàng)新提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

5 結(jié) 語(yǔ)

陳四樓煤礦井下鉆場(chǎng)鉆桿智能化清點(diǎn)控制系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，使驗(yàn)收人員從枯燥、繁復(fù)的工作中釋放出來(lái)，極大程度地提高了鉆場(chǎng)施工效率和安全系數(shù)；同時(shí)充分體現(xiàn)了“區(qū)域自動(dòng)化、局部智能化”的先進(jìn)理念，為自動(dòng)化技術(shù)與煤礦瓦斯治理提供了更多的借鑒和經(jīng)驗(yàn)，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了有力保障。