鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)及性能試驗(yàn)

尚澤龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

液壓鉆機(jī)為煤礦地質(zhì)鉆探和瓦斯抽采、錨眼鉆進(jìn)的主要設(shè)備，實(shí)際生產(chǎn)中鉆進(jìn)速度和鉆孔的質(zhì)量對(duì)于保證瓦斯抽采效果、地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性以及巷道支護(hù)速度和質(zhì)量具有重要意義。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓鉆機(jī)實(shí)時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)并及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方案對(duì)于保證最終形成的鉆孔質(zhì)量和鉆進(jìn)效率非常有必要。而且，當(dāng)前液壓鉆機(jī)在實(shí)際鉆進(jìn)過程中并未開展相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能，導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量不佳或者鉆進(jìn)速度慢等問題。本文重點(diǎn)完成鉆機(jī)鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及總體設(shè)計(jì)

本小節(jié)根據(jù)液壓鉆機(jī)的鉆進(jìn)任務(wù)對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出相應(yīng)的功能要求，并對(duì)應(yīng)地完成整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。

1.1 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求

目前，液壓鉆機(jī)在實(shí)際鉆進(jìn)操作中以實(shí)現(xiàn)功能為主，主要以全液壓驅(qū)動(dòng)方式為主，包括對(duì)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速、泵量以及鉆進(jìn)壓力的控制；值得一提的是，上述的控制參數(shù)僅通過儀表實(shí)時(shí)顯示并未對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，導(dǎo)致液壓鉆機(jī)控制系統(tǒng)無法根據(jù)前期鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)方式進(jìn)行控制，最終造成鉆孔安全事故的發(fā)生，無法精準(zhǔn)完成鉆進(jìn)任務(wù)等。在當(dāng)前數(shù)字化礦山建設(shè)的推動(dòng)下，對(duì)井下和地面設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平提出了更高的要求，液壓鉆機(jī)也不例外，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是急需解決的問題[1]。鑒于工作面生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)惡劣，為保證鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出如下要求：

1）鑒于綜采工作面的空間有限，而且鉆進(jìn)一般采用緊湊型分體布局，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的傳感器也應(yīng)該采用分布式安裝的方式執(zhí)行；

2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了對(duì)鉆機(jī)關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還需對(duì)其輔助設(shè)備如泥漿泵工作單元進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具備對(duì)深孔進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，在此種情況下鉆進(jìn)工況更為復(fù)雜，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也提出了更高的要求；

4）為了便于對(duì)鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)上位機(jī)的參數(shù)監(jiān)測(cè)和軌跡控制的平臺(tái)；同時(shí)，為了便于后期對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)功能的豐富，需在平臺(tái)上增加擴(kuò)展功能[2]。

1.2 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合液壓鉆機(jī)的鉆進(jìn)任務(wù)和上述所分析的功能需求，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能組成如圖1 所示。

圖1 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)組成圖

由于鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于綜采工作面，涉及到的設(shè)備均應(yīng)具備防爆功能。如圖1 所示，鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由防爆計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和外部傳感器組成。其中，防爆計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集器之間基于CAN 總線進(jìn)行通信；現(xiàn)場(chǎng)傳感器包括壓力、液位、溫度、流量傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并經(jīng)轉(zhuǎn)化后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集器中，基于PLC 主控制器對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。防爆計(jì)算機(jī)對(duì)所采集的實(shí)際鉆進(jìn)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后，為后續(xù)鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)過程的控制[3]?？偟膩碇v，鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可對(duì)鉆機(jī)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)判斷后得出相應(yīng)的控制指令或發(fā)出聲光報(bào)警。

2 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵元器件進(jìn)行選型，并對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 關(guān)鍵元器件選型

2.1.1 主控制器

由于鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。經(jīng)對(duì)當(dāng)前市面上控制器進(jìn)行對(duì)比，最終確定選擇PLC 為主控制器。該P(yáng)LC 控制器具備在惡劣環(huán)境下工作的能力，且其穩(wěn)定性和安全性均可滿足煤礦生產(chǎn)的要求。所選型PLC 控制器的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 主控制器技術(shù)參數(shù)

2.1.2 傳感器

傳感器為對(duì)鉆機(jī)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能不同和應(yīng)用單元不同，可將傳感器的選型結(jié)果歸納為表2。

表2 關(guān)鍵傳感器選型結(jié)果

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

在上述硬件支撐的基礎(chǔ)上，根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，包括有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、功能配置模塊和系統(tǒng)幫助模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)流程圖

3 鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能試驗(yàn)

針對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能試驗(yàn)包括有基本性能和安標(biāo)性能試驗(yàn)，具體闡述如下。

3.1 基本性能試驗(yàn)

所謂基本性能指的是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉆進(jìn)生產(chǎn)時(shí)的回轉(zhuǎn)壓力、給進(jìn)壓力、主軸轉(zhuǎn)速、泥漿泵流量以及泥漿泵壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比對(duì)監(jiān)測(cè)值和通過液壓測(cè)試儀表顯示的值，比對(duì)結(jié)果如表3 所示。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本性能試驗(yàn)結(jié)果

如表3 所示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所配置的傳感器所采集的數(shù)據(jù)與采用儀表直接測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差均可控制在1.2%之內(nèi)，滿足對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)控制的精度要求。

3.2 安標(biāo)性能試驗(yàn)

所謂安標(biāo)性能試驗(yàn)指的是，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有零部件的防爆性能按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和性能均滿足防爆性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

液壓鉆機(jī)為煤礦生產(chǎn)必不可少的設(shè)備，其可應(yīng)用于地質(zhì)勘探、瓦斯抽采和錨眼鉆孔等。為了進(jìn)一步提升鉆孔速度和鉆孔質(zhì)量，通過對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化控制提供依據(jù)。本文重點(diǎn)根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)的問題，設(shè)計(jì)了一款鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并經(jīng)性能試驗(yàn)表明：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所配置的傳感器所采集的數(shù)據(jù)與采用儀表直接測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差均可控制在1.2%之內(nèi)，滿足對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)控制的精度要求；且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各零部件均滿足防爆性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。