基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法研究

摘 要：現有煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法主要使用MCGS嵌入式人機界面獲取鉆機運行狀態參數，其易受組態前段數據動態變化影響，監測數值與實際數值相差較大。為解決這一問題，基于光纖通信設計一種全新的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法。該方法先利用光纖通信構建液壓鉆機運行狀態監測模型，然后設計了一個煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測中心，從而完成煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測。實驗結果表明，該方法監測的進給壓力/流量與實際進給壓力/流量接近，由此可證明其監測效果較好，具有一定的應用價值，可為提高液壓鉆機的運行安全性做出一定的貢獻。

關鍵詞：光纖通信；煤礦；井下液壓鉆機；運行狀態；監測

中圖分類號：TD421" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.016

0" " 引言

煤礦井下液壓鉆機是一種常見的采探裝置，可以進行高速動力輸出[1]，鉆采效率較高。煤礦井下液壓機具有重量較小、鉆孔精度較高的優點，且可以根據鉆采要求進行調整[2]，因此，常被用在煤層鉆孔、地質勘探等領域。在液壓鉆機工作過程中，首先需要確定工作位置，調整相關參數[3]；其次是按照要求安裝鉆頭、鉆桿，開始鉆孔，在鉆孔過程中，需要根據鉆孔進給狀態不斷進行調整；最后，待鉆孔完成后拆卸鉆頭，進行清洗與維護處理。

受復雜的鉆采條件影響，井下液壓鉆機在運行過程中容易發生不同的故障[4]，影響運行安全性，對其運行狀態進行監測，可以及時優化運行參數，進行預防性維護。但現有液壓鉆機運行狀態監測方法難以準確對鉆機狀態進行監測，無法起到預防性檢測的作用。為解決這一問題，本文提出了一種全新的液壓鉆機運行狀態監測方法。

1" " 煤礦井下液壓鉆機光纖通信運行狀態監測方法設計

1.1" " 構建液壓鉆機運行狀態監測模型

光纖通信是一種特殊的信息傳輸方式，可以根據光的調制關系完成通信，降低外界干擾對監測結果造成的影響[5-6]，因此，本文基于光纖通信完成有效監測模型的構建。

首先可根據光纖鏈路信號計算監測通信峭度CKM（M）[7]，如式（1）所示：

式中：x為監測通信周期；x（n）為光纖通信狀態信號參量[8]。

此時采集的監測鏈路狀態信號y（n）如式（2）所示：

y（n）=h（n）×x（n）+e（n）（2）

式中：h（n）為初始的鏈路信號；e（n）為噪聲信號。

若監測外界噪聲過高，很容易造成狀態信號掩蓋，影響最終的監測效果[9]，因此，本文根據輸入、輸出的監測序列設定了監測噪聲處理目標函數MCKD（T），具體如式（3）所示：

式中：x（M）為最佳監測閾值。

根據上述監測噪聲處理目標函數可以獲取運行狀態監測參數值，提取光纖鏈路信號監測特征，構建有效的液壓鉆機運行狀態監測模型f（c），如式（4）所示：

式中：a為監測因子；ψ為共軛值；t為監測信號傳輸時間；b為超調參數。

使用上述運行狀態監測模型，可快速確定液壓鉆機的參數變化狀態。

1.2" " 設計煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測中心

在煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測過程中，需要實時將采集的信號傳輸至終端，并對其數據進行智能分析，以實現鉆機運行狀態的實時監測。因此，本文設計了一種煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測中心，該監測中心的組成結構如圖1所示。

由圖1可知，該監測中心主要由信號采集部分、電源部分、監測顯示部分組成，信號采集部分主要將傳感器采集到的運行狀態參數傳輸至終端進行分析，由CAN總線進行通信，其主要由MCU核心控制單元組成；電源部分主要為其他部分提供供電保證，輸出多種類型的直流電壓電源，滿足各個監測元件的基礎要求；終端顯示部分完成監測交互，可以查看相關的監測實驗數據。使用該液壓鉆機運行狀態監測中心可以實現實時智能監測識別，最大程度上提高了液壓鉆機運行狀態監測的準確性。

2" " 實驗

為驗證設計的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法的監測效果，本文選取了可靠的實驗鉆機，并將其與文獻[4]、文獻[5]中兩種常規的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法對比，對比實驗設置如下。

2.1" " 實驗準備

結合井下液壓鉆機運行狀態監測實驗要求，本文選取ZDY4000LR硬件平臺作為實驗平臺。已知該實驗平臺由空氣套管與履帶鉆機組成，利用敏感負載原理進行恒壓控制，其符合實驗的靈活操縱要求，能耗偏低。ZDY4000LR硬件實驗平臺的組成示意圖如圖2所示。

該硬件實驗平臺設置的回轉器額定轉速為65～190 r/min，額定壓力為26 MPa，額定流量為135 L/min；進給裝置的初始壓力為21/26 MPa，最大起拔力為120 kN，進給/起拔行程為1 450 mm；實驗共設置了兩個排量不同的泵站。

本文使用上下位機采集傳輸實驗數據信息，利用LabVIEW完成監測，轉換存儲實驗數據。實驗平臺的整體監測架構如圖3所示。

由圖3可知，待監測架構設置完畢后，可以根據CAN總線格式進行數據轉換，從而實時輸出準確的實驗結果。

2.2" " 實驗結果與討論

根據上述實驗準備，選取進給壓力/流量作為實驗指標，優選實驗測量參量，布置滿足監測傳感要求的實驗測點，此時，分別使用本文設計的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法、文獻[4]的基于遠程智能的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法以及文獻[5]的考慮LabVIEW的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法進行監測，將三種方法監測的數值指標與實際數值指標進行對比，實驗結果如表1所示。

由表1可知，在不同的監測次數下，本文設計的基于光纖通信的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法監測的液壓鉆機進給壓力/流量與實際液壓鉆機運行進給壓力/流量相差較小，文獻[4]的基于遠程智能的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法以及文獻[5]的考慮LabVIEW的煤礦井下液壓鉆機運行狀態監測方法監測的液壓鉆機進給壓力/流量與實際液壓鉆機運行進給壓力/流量相差較大。上述實驗結果證明，本文設計方法的監測效果較好，可靠性高，有一定的應用價值。

3" " 結束語

綜上所述，在工業化背景下，我國的能源資源越來越匱乏，面對的探采環境也越來越復雜。煤礦井下液壓鉆機可以快速鉆孔，抽取煤礦中的瓦斯，降低開采壓力，實現高效開采，但其受復雜的運行環境影響，容易發生運行安全事故。在液壓鉆機運行過程中，進給壓力/流量等參數會發生變化，需要實時調整，保證其在安全范圍內。因此，本文基于光纖通信設計了一種全新的液壓鉆機運行狀態監測方法。實驗結果表明，該方法監測效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值，可為降低液壓鉆機運行風險做出一定貢獻。

[參考文獻]

[1] 耿文博，林華穎，張國雷，等.安順煤礦200 m順層區段預抽長鉆孔施工配套技術的開發與應用[J].內蒙古煤炭經濟，2023（11）：100-102.

[2] 王廣鑫.ZYL-17000D型履帶式全液壓定向鉆機在大直徑裂隙帶定向長鉆孔施工中的應用[J].內蒙古石油化工，2023，49（4）：43-47.

[3] 張德澤，姚藝賢，廉育.煤層產狀與隧道（石門）方位角對隧道（石門）揭煤參數設計影響的研究[J].內蒙古煤炭經濟，2023（6）：1-5.

[4] 周文宇.礦用履帶式鉆機的遠程智能化監控系統研究[J].機械管理開發，2023，38（11）：199-200.

[5] 劉順烈，耿蒲龍，宋建成，等.基于LabVIEW的定向鉆機液壓系統狀態監測系統的開發[J].煤炭技術，2023，42（7）：163-167.

[6] 張幼振，劉若君，姚克，等.煤礦坑道鉆機狀態監測與故障診斷技術研究現狀及展望[J].科學技術與工程，2023，23（7）：2683-2693.

[7] 王雄旭.硬巖孤石地質條件下液壓潛孔錘旋挖鉆機組合施工技術研究——以汕頭大學學生宿舍二期建設項目為例[J].工程技術研究，2022，7（19）：34-36.

[8] 劉若君，張幼振，姚克.基于T-S模糊故障樹的煤礦坑道鉆機液壓動力系統故障診斷研究[J].煤田地質與勘探，2022，50（12）：194-202.

[9] 楊英，李中明.綠色勘查巖心鉆探泥漿不落地系統的研究——以便攜式全液壓鉆機為例[J].科技創新與生產力，2022（3）：70-71.

收稿日期：2024-01-25

作者簡介：王寬（1986—），男，山東淄博人，助理工程師，研究方向：煤礦機電設備安全管理。