基于鉆屑法的鉆機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

摘 要：【目的】為解決鉆屑法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性時(shí)指標(biāo)不連續(xù)、準(zhǔn)確性依賴人工操作的問題，需要對(duì)傳統(tǒng)鉆屑法的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化。【方法】基于鉆機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速和鉆屑量的理論關(guān)系，利用自主研發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定鉆屑量指標(biāo)，預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。依托井下防突鉆和無線環(huán)網(wǎng)，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，開發(fā)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和傳輸鉆機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)并加以分析。【結(jié)果】該系統(tǒng)在淮南某礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，構(gòu)建鉆機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速與鉆屑量的映射關(guān)系，鉆屑量監(jiān)測(cè)速率提升至每秒1次。【結(jié)論】試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，能夠有效獲得煤與瓦斯的突出特征。

關(guān)鍵詞：鉆屑指標(biāo)法；扭矩和轉(zhuǎn)速；監(jiān)控系統(tǒng)；無線環(huán)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TD76" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2025）05-0056-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.010

Design and Analysis of Drilling Rig Parameter Monitoring System Based on Drill Cuttings Method

HUANG Long1 CAI Feng1 FENG Juqiang2，3

（1.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Cosl Mines， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2.School of Safety Science and Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 3. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Huainan Normal University， Huainan 232038， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of discontinuity of indicators and reliance on manual operation for accuracy in predicting the risk of coal and gas protrusion by the drill chip method， the monitoring method of the traditional drill chip method needs to be optimized. [Methods] Based on the theoretical relationship between drilling rig torque， rotational speed and drill cuttings， the self-developed monitoring system is used to calibrate the drill cuttings index and predict the risk of coal and gas protrusion. Relying on the downhole anti-protrusion drilling and wireless ring network and using LabVIEW as the software platform， the monitoring system has developed a set of remote monitoring software， which is capable of real-time monitoring and transmitting key parameters such as torque and rotational speed of the drilling rig and analyzing them. [Findings] The system was tested on-site at a mine in Huainan， constructing a mapping relationship between drilling rig torque， rotational speed and the amount of drill cuttings， and increasing the rate of drill cuttings monitoring to 1 time per second. [Conclusions] The test results show that the system has high stability and accuracy of data acquisition， and can effectively obtain coal and gas protrusion characteristics.

Keywords： method of drilling index; torque and speed; monitoring system; wireless ring network

0 引言

煤炭作為我國(guó)的主體能源，對(duì)保障國(guó)家能源安全與穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用［1］。然而，煤與瓦斯突出作為煤礦中的重大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著我國(guó)煤礦的安全生產(chǎn)［2］。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)已研發(fā)出多種煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法，包括鉆屑指標(biāo)法、地音檢測(cè)法、電磁輻射法等。其中，鉆屑指標(biāo)法因其測(cè)定工藝簡(jiǎn)明、數(shù)據(jù)測(cè)定高效精準(zhǔn)［3］，被廣泛應(yīng)用于工作面煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)中。然而，隨著煤礦開采環(huán)境的變化及監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)鉆屑指標(biāo)法存在的監(jiān)測(cè)指標(biāo)不連續(xù)、準(zhǔn)確性依賴人工操作等問題逐漸凸顯，已難以滿足當(dāng)前煤礦的防突需求。

為解決基于鉆屑法防突預(yù)測(cè)存在的問題，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，并利用這些參數(shù)推算鉆屑量。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，并探討了影響鉆機(jī)指標(biāo)與鉆屑量的因素及其關(guān)系。徐連滿等［4］研究表明，在其他變量一定的情況下，鉆桿扭矩隨煤體應(yīng)力的增加而增加，且這一變化規(guī)律與鉆屑量的變化規(guī)律高度一致。岳立新等［5］研究表明，在鉆進(jìn)速度、鉆桿參數(shù)一致的條件下，鉆桿轉(zhuǎn)速與煤體應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，而鉆屑量與煤體應(yīng)力呈正相關(guān)，且鉆桿轉(zhuǎn)速與鉆屑量的變化趨勢(shì)具有良好的同步性。朱麗媛［6］研究發(fā)現(xiàn)，鉆屑量與鉆桿扭矩的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98。

基于上述理論研究，本研究提出了一種新的方法，即利用鉆進(jìn)過程中的鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速來計(jì)算鉆屑量的大小。以淮南某礦掘進(jìn)巷的鉆屑防突預(yù)測(cè)研究為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的氣動(dòng)防突鉆機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了無線扭矩傳感器，基于LabVIEW自主研發(fā)了一套實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，并基于參數(shù)與鉆屑量映射關(guān)系計(jì)算鉆屑指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的預(yù)防功能。這套裝備不僅實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)指標(biāo)的連續(xù)性和自動(dòng)監(jiān)測(cè)鉆屑指標(biāo)，還能夠準(zhǔn)確判斷突出危險(xiǎn)性，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鉆屑指標(biāo)法的不足，推動(dòng)了煤礦的智能化發(fā)展。

1 鉆機(jī)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

煤礦鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件包含鉆機(jī)、傳感器、串口服務(wù)器、供電系統(tǒng)和無線環(huán)網(wǎng)；軟件包含基于TCP的無線通信協(xié)議與基于LabVIEW的自主研發(fā)上位機(jī)監(jiān)控軟件。

1.2 整體設(shè)計(jì)

改進(jìn)鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

硬件系統(tǒng)作為核心執(zhí)行單元，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行打鉆作業(yè)與鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的采集。同時(shí)，該硬件系統(tǒng)還集成了高效的信號(hào)傳輸機(jī)制，確保所采集的參數(shù)信號(hào)能夠準(zhǔn)確無誤地通過設(shè)計(jì)的通信渠道進(jìn)行傳輸，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及優(yōu)化控制提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。利用鉆機(jī)在井下工作面完成打孔任務(wù)；傳感器實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的任務(wù)，確保數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性；串口服務(wù)器作為通信樞紐，高效地完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作，保障數(shù)據(jù)與指令能夠順暢傳輸；而無線環(huán)網(wǎng)用于傳輸無線信號(hào)，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的信號(hào)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)的即時(shí)性和可靠性。礦用隔爆鋰離子蓄電池電源為傳感器與串口服務(wù)器提供驅(qū)動(dòng)電壓。具體設(shè)備參數(shù)見表1。

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一款功能強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言軟件，具有出色的靈活性和高性能特性［7］，因此，本研究基于LabVIEW自主開發(fā)了一套遠(yuǎn)程鉆機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3.1 軟件系統(tǒng)開發(fā)框架。軟件系統(tǒng)框架如

圖3所示。打開軟件，首先初始化系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)入登錄界面，輸入用戶賬號(hào)與密碼并驗(yàn)證是否正確。當(dāng)驗(yàn)證結(jié)果正確時(shí)，用戶可選擇3個(gè)功能界面進(jìn)行操作，分別為賬號(hào)管理、信號(hào)檢測(cè)和退出登錄。在賬號(hào)管理界面進(jìn)行更改密碼、創(chuàng)建賬號(hào)和刪除賬號(hào)等操作。信號(hào)監(jiān)測(cè)界面通過設(shè)置參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和調(diào)用。選擇退出登錄則直接返回登錄界面。

1.3.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面作為用戶與系統(tǒng)互動(dòng)的窗口，具有輸入、輸出、顯示等功能，能直觀、清晰地展現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程中各項(xiàng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，可幫助用戶快速做出精準(zhǔn)決策。

①頁(yè)面控制。頁(yè)面控制功能主要為用戶提供一組直觀的界面控制選項(xiàng)，以便對(duì)頁(yè)面進(jìn)行有效管理。

②數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信的核心功能是確保上位機(jī)與傳感器能夠順暢地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與指令傳遞。在指定區(qū)域填寫監(jiān)測(cè)分站的IP地址與端口號(hào)，隨后調(diào)用LabVIEW的TCP函數(shù)庫(kù)主動(dòng)發(fā)起與傳感器的連接請(qǐng)求，并在文本框內(nèi)顯示連接情況。當(dāng)上位機(jī)與傳感器成功建立連接時(shí)，向傳感器發(fā)送指令，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程，采集速率為每秒1次。

③數(shù)據(jù)處理與顯示。文本框與指示燈實(shí)時(shí)展示監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)值及當(dāng)前的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，確保用戶能夠及時(shí)獲取關(guān)鍵信息。波形圖界面以直觀的方式呈現(xiàn)了參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化曲線，為用戶提供清晰的參數(shù)變化趨勢(shì)視圖。當(dāng)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)與解析。為了確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，而后對(duì)采集的字符串進(jìn)行數(shù)據(jù)變換并截取相應(yīng)部分得到扭矩和轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)再根據(jù)預(yù)先定義的函數(shù)變換規(guī)則對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而計(jì)算出鉆屑量。

2 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了整體驗(yàn)證本設(shè)計(jì)系統(tǒng)在掘進(jìn)工作面鉆屑法防突的有效性。在淮南煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和試驗(yàn)測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試如圖5所示。鉆孔位置示意如圖6所示。

當(dāng)鉆機(jī)安裝調(diào)試完成之后，在掘進(jìn)工作面開始鉆孔試驗(yàn)。鉆桿每節(jié)長(zhǎng)度為1 m，鉆頭兩翼直徑為42 mm，鉆進(jìn)速度為1 m/min，每鉆進(jìn)1 m后，停止鉆進(jìn)，對(duì)每米鉆進(jìn)產(chǎn)生的鉆屑，進(jìn)行收集稱重，并在地面對(duì)鉆機(jī)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而后接鉆桿，重復(fù)上述測(cè)試過程。在煤層中的巷中和巷幫共布置3個(gè)孔，記為1～3號(hào)試驗(yàn)孔。

2.2 結(jié)果與分析

測(cè)得1～3號(hào)鉆孔不同鉆進(jìn)深度的鉆桿扭矩、鉆

2.2 結(jié)果與分析

測(cè)得1～3號(hào)鉆孔不同鉆進(jìn)深度的鉆桿扭矩、鉆速和鉆屑量，對(duì)鉆進(jìn)過程中每米扭矩和轉(zhuǎn)速取平均值并去掉第1 m的數(shù)據(jù)，繪制三者隨孔深變化的曲線，將三者與孔深進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

2.2.1 扭矩測(cè)試結(jié)果分析。由圖7可知，在2～8 m的范圍內(nèi)，鉆桿扭矩隨鉆進(jìn)深度的增加而逐漸增加，且在8 m處達(dá)到峰值，之后隨著鉆進(jìn)深度的增加而逐漸減小。依次對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的扭矩Mp與鉆進(jìn)深度l采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得到扭矩與鉆進(jìn)深度之間的函數(shù)關(guān)系見式（1）。

[Mp1=?0.679 4l2+10.419l+6.359 8Mp2=?0.745 5l2+11.348l+2.704 3Mp3=?0.690 8l2+11.011l+3.453 7] （1）

通過分析1～3號(hào)試驗(yàn)孔擬合函數(shù)可知，鉆桿扭矩最值位置分別為7.67、7.61、7.97 m。扭矩最值分別為46.31、45.89、47.33 N·m。對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的扭矩最值和出現(xiàn)的位置取平均值可得，扭矩的最大值為46.51 N·m，其位置在7.75 m左右。

2.2.2 轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果分析。由圖7可知，在2～8 m的范圍內(nèi)，鉆桿轉(zhuǎn)速隨鉆進(jìn)深度的增加而逐漸減小，且在8 m處達(dá)到峰值，之后隨著鉆進(jìn)深度的增加而逐漸增大。依次對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速n與鉆進(jìn)深度l采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得到轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)深度之間的函數(shù)關(guān)系見式（2）。

[n1=2.320 6l2?35.867l+306.98n2=2.495 9l2?38.362l+317.30n3=2.055 4l2?33.341l+297.81] （2）

通過分析1～3號(hào)試驗(yàn)孔擬合函數(shù)可知，鉆桿轉(zhuǎn)速最值位置分別為7.73、7.69、8.11 m，轉(zhuǎn)速最值分別為168.4、169.9、162.6 r/min。對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速最值和出現(xiàn)的位置取平均值可得，轉(zhuǎn)速的最小值為166.97 r/min，其位置在7.84 m左右。

2.2.3 鉆屑量測(cè)試結(jié)果分析。由圖7可知，在2～8 m的范圍內(nèi)，鉆屑量隨鉆進(jìn)深度的增加而逐漸增加，且在8 m處達(dá)到峰值，之后隨著鉆進(jìn)深度的增加而逐漸減小。依次對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量S與鉆進(jìn)深度l采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合得到鉆屑量與鉆進(jìn)深度之間的函數(shù)關(guān)系見式（3）。

[S1=?0.033 9l2+0.558 7l+1.083 3S2=?0.031 1l2+0.491 1l+1.356 7S3=?0.032 3l2+0.520 8l+1.333 3] （3）

通過分析1～3號(hào)試驗(yàn)孔擬合函數(shù)可知，鉆屑量最值位置分別為8.24、7.90、8.06 m，鉆屑量最值分別為3.39、3.30、3.43 kg。對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量最值和出現(xiàn)的位置取平均值可得，鉆屑量的最大值為3.37 kg，其位置在8.07 m左右。

結(jié)果表明，在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，鉆桿扭矩、轉(zhuǎn)速與鉆屑量三者最值點(diǎn)的位置基本一致；鉆桿扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆屑量三者隨煤體應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用鉆桿扭矩、鉆桿轉(zhuǎn)速計(jì)算鉆孔過程中鉆屑量的大小是可行的。

2.3 臨界指標(biāo)確定

2.3.1 鉆桿扭矩與鉆屑量之間的函數(shù)關(guān)系。鉆屑量與扭矩的關(guān)系散點(diǎn)圖如圖8（a）所示。由圖8（a）可知，在相同條件下，鉆機(jī)鉆桿扭矩越大，鉆屑量越大，對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量和鉆桿扭矩的關(guān)系采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，可以較好地反映鉆屑量與扭矩的關(guān)系，具體見式（4）。

[S=8.216×10?4Mp2?0.008Mp+2.003] （4）

2.3.2 鉆桿轉(zhuǎn)速與鉆屑量之間的函數(shù)關(guān)系。鉆屑量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系散點(diǎn)圖如圖8（b）所示。由圖8（b）可知，在相同條件下，鉆機(jī)鉆桿轉(zhuǎn)速越大，鉆屑量越小，對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量和鉆桿轉(zhuǎn)速的關(guān)系采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，可以較好地反映鉆屑量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，具體見式（5）。

[S=8.101×10?5n2?0.048n+9.159] （5）

4 結(jié)論

本研究在對(duì)鉆桿扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆屑量進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了煤礦鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了井下模擬鉆屑試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

①通過理論研究找到了影響鉆桿扭矩、轉(zhuǎn)速、鉆屑的因素與三者之間的關(guān)系，改進(jìn)了氣動(dòng)履帶鉆機(jī)的防突功能，開發(fā)了煤礦鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)參數(shù)和防突指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

②現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鉆進(jìn)速度及鉆桿參數(shù)一致的條件下，鉆桿扭矩、鉆屑量與煤體應(yīng)力呈正相關(guān)，鉆桿轉(zhuǎn)速與煤體應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)，且鉆桿扭矩與轉(zhuǎn)速和鉆屑量的變化趨勢(shì)具有良好的一致性。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與理論基本符合，證明了鉆機(jī)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井環(huán)境下的穩(wěn)定性。

③通過函數(shù)擬合的方法，構(gòu)建掘進(jìn)工作面鉆屑量與鉆桿扭矩、轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系。對(duì)鉆機(jī)參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)，并通過函數(shù)關(guān)系擬合得到實(shí)時(shí)鉆屑量，以有效判斷煤礦突出危險(xiǎn)性。

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