煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術研究

徐斌

【摘? 要】近年來，科學技術的發展迅速，我國的煤礦工程的發展也有了改善。鉆機單動控制基礎上進行了鉆機自動鉆進和自動起鉆技術研究，大大提高了煤礦井下鉆機自動化程度。地面功能性實驗與現場工業性實驗表明：設計的電控系統功能性、實時性和可靠性滿足使用要求。研制的鉆機電控系統配套在鉆機上，可提高鉆機自動化水平，更好地保障了人員和設備的安全，對推動煤礦井下鉆機智能化發展有積極作用。

【關鍵詞】煤礦井下坑道;鉆機電控;自動化技術研究

引言

煤炭資源的采掘與生產在我國工業經濟發展中一直占據著重要的位置，先進的井下開采設備和智能化控制系統是提高煤礦挖采效率的前提。目前我國的煤礦開采技術信息化、自動化程度還不夠高，人力投入生產的比例依然較大。

1.煤礦井下定向鉆進技術與裝備發展歷程

煤礦井下定向鉆進技術具有鉆孔深度大、鉆孔軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣、鉆孔利用率高等優勢，已成為井下災害防治和煤層氣開發的重要技術手段。我國煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備的發展經歷了引進消化、自主研發到創新發展的階段，逐步形成了具備自主知識產權的坑道定向鉆探技術與裝備體系，有力推動了井下坑道鉆探技術裝備的升級換代。我國煤礦進行隨鉆測量定向鉆進技術與裝備的研究應用最早始于90年代中期，淮南、撫順、松藻等礦區陸續引進美國、澳大利亞的千米定向鉆進技術與裝備進行試驗，但均未獲得成功，這主要是由于當時的定向鉆進技術與裝備難以滿足上述煤礦區復雜煤層條件下成孔需要，因此，我國暫時放棄了以孔底螺桿鉆具造斜為主的定向鉆進技術與裝備，轉向發展穩定組合鉆具定向鉆進技術與裝備。2003年，鑒于國外定向鉆進技術與裝備的所取得了成功應用案例，亞美大寧煤礦在國內首先引進澳大利亞的VLD型定向鉆機，在地質條件簡單的煤層中成功施工了1002m的瓦斯抽采定向鉆孔，標志著我國在煤礦井下成功使用隨鉆測量定向鉆進技術的開端。“十一五”期間，我國開展了煤礦井下千米瓦斯抽采鉆孔施工裝備及工藝技術的研究工作，開發出滑動定向鉆進技術和分支孔鉆進工藝，研制出系列化坑道定向鉆機及配套裝備，在陜西彬長礦業集團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，標志著我國自主研發的有線隨鉆測控千米定向鉆進技術裝備取得突破。“十二五”期間，在國家科技重大專項課題支持下，筆者牽頭開展了煤礦井下大功率定向鉆進技術與裝備的研究工作，開發出復合定向鉆進技術，研制出ZDY12000LD型大功率定向鉆機、YHD2-1000（A）型有線隨鉆測量系統等裝備。

2.煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術

2.1電液控制系統的集成與應用

為驗證設計的電控系統和鉆機自動施工技術的功能和可靠性，電液控制系統先后在ZDY4000LR鉆機進行了地面驗證實驗，在ZDY6500LQ鉆機進行了現場應用實驗。集成電液控制系統后的ZDY4000LR電控自動化鉆機具備遠程控制、參數監測、工況邏輯判斷、安全互鎖、自動調平、自動化鉆孔施工等功能。經功能性驗證實驗表明：①電液控制系統實時響應及時。經信號監控軟件PCANView反復驗證說明：遙控器發出指令后50ms內控制信號即可傳遞至電磁閥執行機構②鉆機遠程控制平穩。通過遙控器可實現50m遠距離控制鉆機，無明顯遲滯現象。③鉆機工況判斷準確。控制器根據遙控器按鍵排列完成工況判斷，并將對應工況相關參數監測界面返回至遙控器屏幕顯示。④具備安全互鎖功能。控制器完成鉆機工況判斷后會將其他工況條件下的電磁閥控制權限鎖死，防止誤操作發生安全事故。比如在行走工況下，無論怎樣撥動回轉、鉆進按鈕，對應執行機構都不會動作。⑤進行了鉆機自動調平實驗，鉆機可在10s內完成自動調平，且水平度誤差小于0.2°。⑥進行了鉆機自動鉆進和自動起鉆實驗，可在60s內完成單根鉆桿的加載或拆卸。

2.2傳感器模塊

傳感器可實現對系統內各采掘設備工況參數的采集，并將數據傳輸至控制模塊。當設備工作狀態異常或發生故障時，傳感器可以及時檢測到并發出預警信號，由控制模塊發送急停指令，保護設備不受到嚴重損害。本控制系統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現場情況進行布設檢測。壓力傳感器用于檢測水壓、油壓等壓力值，當壓力值超過閾值，即發送預警信號并停止設備運行;速度傳感器用于檢測采煤機、刮板輸送機等采掘設備的角速度或線速度;液位傳感器用于檢測油箱、水箱液面位置，防止出現吸空現象;溫度傳感器用于檢測主要采掘設備的油溫變化，例如液壓油箱溫度、減速器齒輪潤滑油溫度等;煙霧傳感器用于檢測井下現場的煙霧濃度值，當超過閾值時向控制器發出預警信號。

2.3鉆機控制器設計

鉆機控制器為坑道鉆機電控系統的核心部件，其功能多樣性、可靠性及穩定性的優劣直接影響鉆機電控系統整體性能。鉆機控制器主要作用是完成對各類傳感器信息的采集、解碼、計算;輸出控制信號完成對執行機構的控制;同時為其他加掛在控制器的本安設備供電。按組成結構劃分，鉆機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，本安電源板用于實現電源轉換，將輸入端DC24V非安電源轉換為DC12V本質安全電源輸出，為隔離采集板和其他本安設備供電;隔離采集板用于實現本安、非安電路隔離，可承受AC2500V的工頻耐壓，具備1.3A過流保護、過壓保護、過熱保護功能;PLC控制器內嵌鉆機控制程序，用于實現數據包解碼計算、鉆機控制邏輯判斷、執行機構控制信號的輸出。按功能劃分，鉆機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用來連接收發器，CAN2用來連接壓力傳感器;8路0～5V本安電壓量輸入電路，用來連接位移傳感器;8路4～20mA本安點流量輸入電路，用來連接流量、溫度傳感器;8路本安開關量輸入（DI），用來連接位置傳感器以及轉速傳感器。輸出端包括12路非安PWM輸出接口，可輸出24V，0～2A可調電流，可驅動電磁比例閥;16路非安開關量輸出接口，可驅動電磁開關閥;1路DC12V本安電源輸出，為系統中的本安設備供電。

2.4人機交互模塊

人機交互包含監控顯示屏和操作平臺兩個部分。在系統控制總線末端設置液晶顯示屏，將傳感器采集處理后的數據通過顯示屏實時動態地顯示，從而使操作人員可以總攬全局，實現對煤礦主要設備工作狀態的監測。控制系統具有兩種不同的操控類型，分別為本機操控和遙控操控，操控方式可通過操控平臺模塊上設置的操控方式轉換開關來進行切換。當本機操作模式開啟時，可直接通過操作平臺上的功能按鈕實現對采掘設備的控制，如設備的啟停、故障預警、故障診斷等操作;當采用遙控模式時，信號發射器將需要執行的控制指令輸送到接收機上，接收機再將指令發送到主控制器中，主控器根據接收到的指令進行相應操作，信號的傳輸全部以CAN總線方式完成。

3.結語

在創新驅動引領、行業發展需求導向、國家政策推動下，煤礦井下智能化定向鉆探技術的發展勢不可擋。目前我國煤礦井下坑道鉆探仍處于從機械化向自動化轉型的階段，定向鉆探技術裝備的智能化水平較低，但隨著人工智能、大數據、云計算、5G通訊等先進技術與煤礦井下坑道鉆探技術裝備的深度融合，必將推動井下坑道鉆探邁向智能化。

參考文獻

[1]王國法，劉峰，孟祥軍，等.煤礦智能化（初級階段）研究與實踐[J].煤炭科學技術，2019，47（8）：1-36.