煤矿坑道定向钻机钻进参数监测系统设计.pdf

第 4 5 卷 第 1 期 2019年 1 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 ; directional drilling rig; drilling parameter monitoring； explosion proof control; distributed design 收 稿 日 期 2018-08-23;修 回 日 期 2018-12-09;责 任 编 辑 胡 娴 。 基 金 项 目 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （ 2016ZX05045-003;国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 51774320。 H1J KV W1981 ，X，Y Z[ \ ]j〖. / _， a，b C d e f g h1i j k.i m n〇 p，E-mailfaiigpeiig。 引 用 格 式 方 鹏 .煤 矿 坑 道 定 向 钻 机 钻 进 参 数 监 测 系 统 设 计 工 矿 自 动 化 ， 2019,451-5. FANG Peng. Design of drilling parameters monitoring system of directional drilling rig in coal mine tunnel[J]. Industry and Mine Automation,2019,451 1-5. 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 〇 引〇 引P 煤矿坑道定向钻机是进行瓦斯灾害治理、 隐蔽 致灾因素探查、 水害防治、 地质异常体探查等精确定 向钻孔施工的重要钻探装备， 在上述各类钻孔施工 过程中， 诸如转速、 转矩、 钻压、 钻速、 泵量和泵压等 关键钻进工艺参数直接关系到钻孔的施工质量和成 孔效率[12]。目前， 国内相关研究单位开发了矿用钻 进参数监测系统， 但主要针对常规回转钻进施工， 无 法满足定向钻进施工过程工艺参数精确监测和过程 控制的需要。受电器设备安全防爆认证特殊要求的 制约， 目前煤矿用坑道定向钻机主要采用全液压驱 动方式， 一般通过指针式仪表显示相关的钻探参数， 常以压力参数为主， 且显示参数有限， 无法实时存 储 ， 对钻探过程中施钻人员的经验要求较高。钻探 过程中如果能实现钻探参数的实时测量、 存储及数 据传输和通信等功能， 对于钻机故障诊断大为有利; 另外也能实时准确了解钻探施工参数， 便于与钻进 施工工艺方法合理匹配； 同时通过钻探施工参数的 变化情况能及时了解钻孔内地层变化情况， 对于钻 孔事故预防具有实际应用价值[34]。随着相关技术 的进步和防爆类电器产品的逐渐完善， 煤矿坑道定 向钻机用钻进参数监测系统的设计成为可能， 也显 得尤为必要。该系统的设计对于提高现有坑道定向 钻机的应用水平和施工效果， 减少并预防钻孔事故 的发生具有重要作用， 也是煤矿坑道定向钻机从全 液压控制向电液控制， 甚至到自动化、 智能化控制发 展的基础。 1系统组成及实现原理1系统组成及实现原理 1.1 系统组成 钻进参数监测系统由防爆计算机、 矿用本安型 键盘、 数据存储器、 采集器、 多种矿用本安型传感器 组成， 如 图 1 所示。采集器设计单独的主机单元， 用 于采集并发送各路传感器参数， 并 通 过 C A N 总线 实现与防爆计算机的通信； 防爆计算机负责将采集 图1钻进参数监测系统组成 Fig. 1 Composition of drilling parameters monitoring system AC127 V 数据存储器 器发送来的报文帧进行接收、 解析并显示C 为与给进机构形式相关的系数。 1.2. 5水泵流量测量 水泵的流量通过旋进式漩涡流量传感器直接测 量 ， 当水流通过旋涡发生器后， 形成涡流进动现象， 其频率与被测量的水泵流量呈线性关系。传感器直 接测量涡流进动频率， 即可获取水泵流量大小， 不受 水流物理特性的影响。水泵输出流量与进动频率的 计算公式为 Q F/K 3 式中 Q 为水泵流量； , 为漩涡的频率; 为流量计 的测试系数。 2防爆结构设计2防爆结构设计 防 集 计算 机 本 安防 型式，AC 127V 外部供电电源可以直接接入采集器 计算 机 ， 集 。 采集器结构设计包括防爆外壳和内部安装支架 2 个部分。主控制器、 本安电源、 非安电源、 安全栅、 本安电路板及接线端子均安装于箱体内部支架上， 外部传感器和其他配接设备经通信电缆由喇叭口或 快速接头引入防爆壳体内部对应的接线端子。采集 图 2 所 ， 方 ， 11 本 安 型 1 。 1 一 箱 盖 一 箱 体 一 安 装 支 架 4一 本 安 型 快 速 插 头 一 喇 叭 口 图2采集器外形结构 Fig. 2 Shape structure of collector 3 系统硬件设计3 系统硬件设计 钻进参数监测系统的硬件设计主要涉及采集器 4 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 600 1 200 1 800 2 400 孔深/m a 600 1 200 1 800 2 400 孔深/m b 给进 r 煤层超长定向钻孔， 钻孔总进尺为3 094 m， 参数监 测系统对钻进施工 中的钻进参数进 监 测和记录。 孔段施工的钻进参数通过系统上位机软件自 动记录并 防爆计算机 数据库， 相关参数 防爆计算机屏幕上， 施钻人员能够直观 地 钻机钻进参数， 包括给进/起拔力、 给进/起拔 速 度 * * 、 系统 * 、 油 温等。其中％ 、 给进 * 5 与 等主要钻进参数随孔深的变化趋势如图5 0 600 1 200 1 800 2 400 0 600 1 200 1 800 2 400 孔深/m 孔深/m 泵量 （d 水泵压力 图 5钻 进 参 数 随 孔 深 变 化 趋 势 Fig. 5 Trend curve of drilling parameters with borehole depth 由图5 可看出％ 随孔深増加而逐渐降 低 ； 给进 随孔深 逐渐升高； 泵 基本维持 平稳 出状态。图 5 中曲线描述 的局部拐 工中 参数突变情况， 据此， 施 钻人员可以快速做出响应。通过监测系统实时判断 孔内情况， 可有效防止卡钻等钻孔事故。 软 件系统的设置， 可以方 看 参数变化规律， 也 可 系统设置实现 参数的重点监测。 6结论6结论 1针对全液压坑道定向钻机在参数显示和存 储等方面存在的突出问题， 设计了坑道定向钻机用 钻进参数监测系统， 解决了定向钻进施工 钻进 参数 监测的技术难题％ 、 科学钻探提 ‘ 配套设备保障。 坑道定向钻机用钻进参数监测系统具有操 作简单、 性能稳定、 可 ， 可以配套多种 型号定向钻机使用， 配置安装灵活。系统的设计与 研 续实现煤矿坑道定向钻机的“ 机 -电 -液 ” 采集器底层软件设计 主程序模块、 数 i 集 CAN 。 号类型相同 感 ， 在设计软件 先 进 行 ID 号定义及标定， 以区 分测 测量范围[1011]。 集 号 要 滤波处理以达到稳定输出 的要求。完 号采集后， 采 用 FBD语言进行数据 处理。 感器数据可 出 观 ， 温度数 线性变 出； 由于 编码 集使 频 计数信号％ 数据运算得到钻机 。将得到的数据分 赋值给对应 出变量％ C A N 通 道发送 机进 [ 1 2 13]。 4.2 系统上位机软件设计 机软件 集器软件之间通过C A N 实现 通信[1415]。 机软件 数 、 数据显示、 数 、 系统 配置和系统帮助等 。数据 区域 常用钻进参数， 状态区 系统 运行状态信息， 功能设计区域可以进入系统功 配置。 防爆计算机启动后采集器上位机软件自动启动 进入运行界面， 系统运行界面如图4 所示。 不 同的操作人员， 系统设定不同的权限。监测的钻进 参数以数据库文件保 防爆计算机中， 同时可设 置所需保存参数及间 间； 软件运 中， 可以 设置每个参数报警数值， 如超出正常参数区域， 软件 报警灯将进行报警， 并提示报警信息。 图 4钻 进 参 数 监 测 系 统 运 行 主 界 面 Fig. 4 Main interface of drilling parameters monitoring system 5系统应用5系统应用 参数监测 系 统测 可 性 ， 2017年 1 1 月 ， 将 该 系 统 配 套 ZDY12000L D 型 大 定 向 钻 机 ， 在神东煤炭集团公司保德煤矿进 现场 。施工完成主孔深度达2 311 m 的本 2 0 8 6 4 2 ddw/m胳爷 o o o o o C 5 o 5 o 5 n 3 3 2 2 1 1 7 -s m .d / w 胳 2 0 1 9 年 第 1 期方 鹏 煤 矿 坑 道 定 向 钻 机 钻 进 参 数 监 测 系 统 设 计 一体化控制和故障诊断奠定了基础。 3现场应用结果表明， 该参数监测系统可以 实时、 准确地监测并显示定向钻机运行的各种钻进 参数， 对于辅助施钻人员进行钻进参数的优化、 提高 现场钻进效率和成孔质量、 预防钻孔事故具有重要 意义。 参 考 文 献 （References [ 1 ] 申宝宏， 刘见中 ， 张泓.我国煤矿瓦斯治理的技术对 策[] .煤炭学报，2007,327673-679. 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