徐斌

【摘? 要】近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國的煤礦工程的發(fā)展也有了改善。鉆機單動控制基礎(chǔ)上進行了鉆機自動鉆進和自動起鉆技術(shù)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(xiàn)場工業(yè)性實驗表明：設(shè)計的電控系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)備的安全，對推動煤礦井下鉆機智能化發(fā)展有積極作用。

【關(guān)鍵詞】煤礦井下坑道;鉆機電控;自動化技術(shù)研究

引言

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

1.煤礦井下定向鉆進技術(shù)與裝備發(fā)展歷程

煤礦井下定向鉆進技術(shù)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(yōu)勢，已成為井下災(zāi)害防治和煤層氣開發(fā)的重要技術(shù)手段。我國煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術(shù)與裝備的發(fā)展經(jīng)歷了引進消化、自主研發(fā)到創(chuàng)新發(fā)展的階段，逐步形成了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的坑道定向鉆探技術(shù)與裝備體系，有力推動了井下坑道鉆探技術(shù)裝備的升級換代。我國煤礦進行隨鉆測量定向鉆進技術(shù)與裝備的研究應(yīng)用最早始于90年代中期，淮南、撫順、松藻等礦區(qū)陸續(xù)引進美國、澳大利亞的千米定向鉆進技術(shù)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(shù)與裝備難以滿足上述煤礦區(qū)復(fù)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(shù)與裝備，轉(zhuǎn)向發(fā)展穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術(shù)與裝備。2003年，鑒于國外定向鉆進技術(shù)與裝備的所取得了成功應(yīng)用案例，亞美大寧煤礦在國內(nèi)首先引進澳大利亞的VLD型定向鉆機，在地質(zhì)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(shù)的開端?！笆晃濉逼陂g，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(shù)的研究工作，開發(fā)出滑動定向鉆進技術(shù)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(yè)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(fā)的有線隨鉆測控千米定向鉆進技術(shù)裝備取得突破?！笆濉逼陂g，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(shù)與裝備的研究工作，開發(fā)出復(fù)合定向鉆進技術(shù)，研制出ZDY12000LD型大功率定向鉆機、YHD2-1000（A）型有線隨鉆測量系統(tǒng)等裝備。

2.煤礦井下坑道鉆機電控自動化技術(shù)

2.1電液控制系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

為驗證設(shè)計的電控系統(tǒng)和鉆機自動施工技術(shù)的功能和可靠性，電液控制系統(tǒng)先后在ZDY4000LR鉆機進行了地面驗證實驗，在ZDY6500LQ鉆機進行了現(xiàn)場應(yīng)用實驗。集成電液控制系統(tǒng)后的ZDY4000LR電控自動化鉆機具備遠程控制、參數(shù)監(jiān)測、工況邏輯判斷、安全互鎖、自動調(diào)平、自動化鉆孔施工等功能。經(jīng)功能性驗證實驗表明：①電液控制系統(tǒng)實時響應(yīng)及時。經(jīng)信號監(jiān)控軟件PCANView反復(fù)驗證說明：遙控器發(fā)出指令后50ms內(nèi)控制信號即可傳遞至電磁閥執(zhí)行機構(gòu)②鉆機遠程控制平穩(wěn)。通過遙控器可實現(xiàn)50m遠距離控制鉆機，無明顯遲滯現(xiàn)象。③鉆機工況判斷準確?？刂破鞲鶕?jù)遙控器按鍵排列完成工況判斷，并將對應(yīng)工況相關(guān)參數(shù)監(jiān)測界面返回至遙控器屏幕顯示。④具備安全互鎖功能?？刂破魍瓿摄@機工況判斷后會將其他工況條件下的電磁閥控制權(quán)限鎖死，防止誤操作發(fā)生安全事故。比如在行走工況下，無論怎樣撥動回轉(zhuǎn)、鉆進按鈕，對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)都不會動作。⑤進行了鉆機自動調(diào)平實驗，鉆機可在10s內(nèi)完成自動調(diào)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(nèi)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(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)各采掘設(shè)備工況參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊。當設(shè)備工作狀態(tài)異常或發(fā)生故障時，傳感器可以及時檢測到并發(fā)出預(yù)警信號，由控制模塊發(fā)送急停指令，保護設(shè)備不受到嚴重損害。本控制系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)場情況進行布設(shè)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(fā)送預(yù)警信號并停止設(shè)備運行;速度傳感器用于檢測采煤機、刮板輸送機等采掘設(shè)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(xiàn)吸空現(xiàn)象;溫度傳感器用于檢測主要采掘設(shè)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(xiàn)場的煙霧濃度值，當超過閾值時向控制器發(fā)出預(yù)警信號。

2.3鉆機控制器設(shè)計

鉆機控制器為坑道鉆機電控系統(tǒng)的核心部件，其功能多樣性、可靠性及穩(wěn)定性的優(yōu)劣直接影響鉆機電控系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)的控制;同時為其他加掛在控制器的本安設(shè)備供電。按組成結(jié)構(gòu)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(xiàn)電源轉(zhuǎn)換，將輸入端DC24V非安電源轉(zhuǎn)換為DC12V本質(zhì)安全電源輸出，為隔離采集板和其他本安設(shè)備供電;隔離采集板用于實現(xiàn)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(nèi)嵌鉆機控制程序，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)包解碼計算、鉆機控制邏輯判斷、執(zhí)行機構(gòu)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(fā)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(guān)量輸入（DI），用來連接位置傳感器以及轉(zhuǎn)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(diào)電流，可驅(qū)動電磁比例閥;16路非安開關(guān)量輸出接口，可驅(qū)動電磁開關(guān)閥;1路DC12V本安電源輸出，為系統(tǒng)中的本安設(shè)備供電。

2.4人機交互模塊

人機交互包含監(jiān)控顯示屏和操作平臺兩個部分。在系統(tǒng)控制總線末端設(shè)置液晶顯示屏，將傳感器采集處理后的數(shù)據(jù)通過顯示屏實時動態(tài)地顯示，從而使操作人員可以總攬全局，實現(xiàn)對煤礦主要設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)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(shè)置的操控方式轉(zhuǎn)換開關(guān)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(xiàn)對采掘設(shè)備的控制，如設(shè)備的啟停、故障預(yù)警、故障診斷等操作;當采用遙控模式時，信號發(fā)射器將需要執(zhí)行的控制指令輸送到接收機上，接收機再將指令發(fā)送到主控制器中，主控器根據(jù)接收到的指令進行相應(yīng)操作，信號的傳輸全部以CAN總線方式完成。

3.結(jié)語

在創(chuàng)新驅(qū)動引領(lǐng)、行業(yè)發(fā)展需求導(dǎo)向、國家政策推動下，煤礦井下智能化定向鉆探技術(shù)的發(fā)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(zhuǎn)型的階段，定向鉆探技術(shù)裝備的智能化水平較低，但隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、5G通訊等先進技術(shù)與煤礦井下坑道鉆探技術(shù)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(xué)技術(shù)，2019，47（8）：1-36.