鉆機鉆進參數監測及性能試驗

尚澤龍

（晉能控股煤業集團四老溝礦， 山西 大同 037028）

引言

液壓鉆機為煤礦地質鉆探和瓦斯抽采、錨眼鉆進的主要設備，實際生產中鉆進速度和鉆孔的質量對于保證瓦斯抽采效果、地質勘探的準確性以及巷道支護速度和質量具有重要意義。因此，實現對液壓鉆機實時鉆進參數的監測并及時調整鉆進方案對于保證最終形成的鉆孔質量和鉆進效率非常有必要。而且，當前液壓鉆機在實際鉆進過程中并未開展相關鉆進參數的監測功能，導致鉆孔質量不佳或者鉆進速度慢等問題。本文重點完成鉆機鉆進監測系統的設計，并對其性能進行試驗研究。

1 鉆機鉆進參數監測系統功能及總體設計

本小節根據液壓鉆機的鉆進任務對其監測系統提出相應的功能要求，并對應地完成整個監測系統的總體方案設計。

1.1 鉆機鉆進參數監測系統的功能需求

目前，液壓鉆機在實際鉆進操作中以實現功能為主，主要以全液壓驅動方式為主，包括對關鍵部件轉速、泵量以及鉆進壓力的控制；值得一提的是，上述的控制參數僅通過儀表實時顯示并未對其進行存儲，導致液壓鉆機控制系統無法根據前期鉆進參數對鉆進方式進行控制，最終造成鉆孔安全事故的發生，無法精準完成鉆進任務等。在當前數字化礦山建設的推動下，對井下和地面設備的自動化、智能化水平提出了更高的要求，液壓鉆機也不例外，因此實現對鉆進參數的實時監測控制是急需解決的問題[1]。鑒于工作面生產環境相對惡劣，為保證鉆進參數監測系統功能的實現，對其監測系統提出如下要求：

1）鑒于綜采工作面的空間有限，而且鉆進一般采用緊湊型分體布局，對應監測系統所需的傳感器也應該采用分布式安裝的方式執行；

2）監測系統除了對鉆機關鍵執行機構工作狀態參數進行監測外，還需對其輔助設備如泥漿泵工作單元進行實時監測；

3）監測系統需具備對深孔進行鉆進時監測的功能，在此種情況下鉆進工況更為復雜，對監測系統也提出了更高的要求；

4）為了便于對鉆進監測系統所采集的參數進行統一管理，需要為其設計一個上位機的參數監測和軌跡控制的平臺；同時，為了便于后期對系統平臺功能的豐富，需在平臺上增加擴展功能[2]。

1.2 鉆機鉆進參數監測系統總體方案設計

結合液壓鉆機的鉆進任務和上述所分析的功能需求，所設計的監測系統的功能組成如圖1 所示。

圖1 鉆機鉆進參數監測系統功能及結構組成圖

由于鉆進參數監測系統應用于綜采工作面，涉及到的設備均應具備防爆功能。如圖1 所示，鉆進參數監測系統由防爆計算機、數據采集器和外部傳感器組成。其中，防爆計算機與數據采集器之間基于CAN 總線進行通信；現場傳感器包括壓力、液位、溫度、流量傳感器對現場參數進行監測，并經轉化后進入數據采集器中，基于PLC 主控制器對所采集的數據進行分析。防爆計算機對所采集的實際鉆進參數和設計參數進行對比后，為后續鉆進參數的優化提供依據，從而實現對鉆進過程的控制[3]。總的來講，鉆進參數監測系統不僅可對鉆機參數進行精準、實時監測，還可根據所采集的數據判斷后得出相應的控制指令或發出聲光報警。

2 鉆機鉆進參數監測系統的功能實現

本小節重點對鉆進參數監測系統涉及到的關鍵元器件進行選型，并對監測系統功能的實現進行設計。

2.1 關鍵元器件選型

2.1.1 主控制器

由于鉆進參數監測系統涉及到對采集數據進行處理和傳輸。經對當前市面上控制器進行對比，最終確定選擇PLC 為主控制器。該PLC 控制器具備在惡劣環境下工作的能力，且其穩定性和安全性均可滿足煤礦生產的要求。所選型PLC 控制器的主要參數如表1 所示。

表1 主控制器技術參數

2.1.2 傳感器

傳感器為對鉆機鉆進現場運行參數進行監測的主要執行結構，根據其功能不同和應用單元不同，可將傳感器的選型結果歸納為表2。

表2 關鍵傳感器選型結果

2.2 鉆進參數監測系統功能實現

在上述硬件支撐的基礎上，根據鉆機鉆進參數監測系統的功能需求設計監測系統的軟件結構，包括有數據存儲模塊、數據顯示模塊、數據通信模塊、功能配置模塊和系統幫助模塊。監測系統的軟件運行流程如圖2 所示。

圖2 監測系統軟件功能實現流程圖

3 鉆機鉆進參數監測系統性能試驗

針對鉆進參數監測系統的性能試驗包括有基本性能和安標性能試驗，具體闡述如下。

3.1 基本性能試驗

所謂基本性能指的是監測系統對鉆進生產時的回轉壓力、給進壓力、主軸轉速、泥漿泵流量以及泥漿泵壓力等參數進行監測，比對監測值和通過液壓測試儀表顯示的值，比對結果如表3 所示。

表3 鉆進參數監測系統基本性能試驗結果

如表3 所示，監測系統所配置的傳感器所采集的數據與采用儀表直接測量數據的最大誤差均可控制在1.2%之內，滿足對鉆進參數控制的精度要求。

3.2 安標性能試驗

所謂安標性能試驗指的是，對監測系統的所有零部件的防爆性能按照相關標準要求進行測試。經試驗表明，監測系統的各項功能和性能均滿足防爆性能的相關標準要求。

4 結語

液壓鉆機為煤礦生產必不可少的設備，其可應用于地質勘探、瓦斯抽采和錨眼鉆孔等。為了進一步提升鉆孔速度和鉆孔質量，通過對鉆進參數的實時監測為鉆進參數的優化控制提供依據。本文重點根據鉆進參數無法實時監測存儲的問題，設計了一款鉆機鉆進參數實時監測系統，并經性能試驗表明：監測系統所配置的傳感器所采集的數據與采用儀表直接測量數據的最大誤差均可控制在1.2%之內，滿足對鉆進參數控制的精度要求；且監測系統各零部件均滿足防爆性能的相關標準要求。