井下钻场智能化钻杆清点控制系统的研究与应用

张新龙

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

1 工程概况

陈四楼煤矿自2015 年升级为煤与瓦斯突出矿井后，更加致力于井下瓦斯的治理工作，在陈四楼煤矿井下十采区、五采区、八采区等采区均布置有瓦斯抽放钻场。陈四楼煤矿钻场传统上的钻孔验收模式采用人工井下现场验收模式，在钻场钻孔需要验收时，需要井下验孔人员在起拔钻时一根根地查、统计起拔出来的钻杆数量，并且在钻孔起拔结束后需要二次复验核对，以确保数据正确。如钻孔验收人员不在现场，还需等待钻孔验收人员到达后方可进行钻孔验收，极其费时费力。如果验孔人员或施工人员精力不集中、弄虚作假，极易造成重复清点钻杆数量、降低工人功效、延长钻场施工工期、影响矿井生产计划安排等问题，甚至造成钻孔数据失真，给以后的安全生产留下重大隐患。

为了更好地保障陈四楼煤矿井下钻场钻孔验收的规范性、准确性，陈四楼煤矿结合井下现场实际工作需求，研制了一套用于井下钻场清点钻杆数量的控制系统，并在陈四楼煤矿井下多个钻场进行了实际应用和效果检验。通过在井下钻场实际应用后，对比以往传统的验孔方式，钻杆自动清点用时比传统验孔方式缩短了近30%的时间，较大程度地降低了验孔人员的工作强度，而且避免了重复清点钻杆的可能性，保证了钻杆施工深度的准确性和真实性，给陈四楼煤矿瓦斯治理工作提供了强有力的保障和数据支持。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统结构组成

系统主要由摄像机、监控分站、红外线传感器、LED 显示屏等各部件组成。GHW-5 型红外线传感器通过感应扫描钻杆状态发送开关量信号，开关量信号经过线缆传送至KTC158.2 型分站，分站通过设置编程程序，由分站向LED 显示屏发出动作指令（同步指令），摄像机通过光纤把实时数据以影像的形式传递给地面监测监控调度控制中心。

2.2 系统工作原理

将系统安装布置在煤矿井下钻场，当钻场钻孔施工完毕后需要进行起钻验收，验孔人员把红外线传感器固定在钻机轨道上，通过扫描感应钻杆给分站发出指令。当钻杆未拔到指定位置时，红外线传感器处于“开”量，不发出指令；钻杆拔出到指定位置，传感器信号断开，分站通过设置程序向LED显示屏发出指令（同步指令），LED 显示屏通过递增方式，在拔钻时依次显示数字，指示钻杆实际拔出数量，同时摄像机通过光纤把实时数据以影像的形式传递给地面实现双向监督。当钻杆全部取出后，需要下一次清点钻杆时，按动KTC158.2 型分站外接复位按钮，数据全部清零，为下一次钻杆验收做好准备。如图1 所示。

图1 陈四楼煤矿井下钻场钻杆清点控制系统元件示意图

3 主要关键技术特点

3.1 系统由PLC 可编程控制器控制

PLC 可编程控制器选用西门子S7-1200PLC，具有可扩展性强、灵活度高的设计。在安装过程中，该模块化的紧凑系统节省了宝贵的空间，提供了最高效率和最大灵活性。其逻辑控制方式可通过软件的编程来实现，使复杂的控制逻辑变得简单易行。陈四楼煤矿井下钻场钻杆清点控制系统示意图如图2 所示。

图2 陈四楼煤矿井下钻场钻杆清点控制系统示意图

3.2 系统各部件及技术功能

（1）摄像机，安装在煤矿井下钻场，便于地面调度人员实时掌控钻场的施工进度和监督钻孔验收是否存在弄虚造假现象。其所有视频信号通过光纤传送至地面监测监控显示屏上。

（2）监控分站，安装在煤矿井下钻场，接受执行元件红外线传感器的开关量信号，并对开关量信号进行处理与分析，发送机器识别编码信号给LED 显示屏（同步）。

（3）红外线传感器，执行元件，实现感应扫描钻杆通过传感器时的状态，给KTC158.2 型分站发送开关量信号。

（4）LED 显示屏，以递增的方式显示钻杆实时拔出数量，便于验收人实时掌握钻杆拔出情况做好验收验孔工作。

4 应用效果

（1）在人员行为上，井下钻场钻杆智能化清点控制系统的应用，有效杜绝了验收人员或施工人员弄虚造假、虚报瞒报钻孔施工工作量，确保了钻孔施工深度的准确性。井下钻场钻杆智能化清点控制系统的应用，不仅打破了职工旧有的工作模式，同时还提高了职工创新意识，给以后的矿井自动化改造、实用性创新思维模式、安全生产打下了坚实基础。

（2）在工作效率上，以起拔100 m 的钻孔为例，人工验收钻孔时，钻杆拔出时间需要30 min，验收人员验收钻杆数量需要10 min，验收人员二次核对10 min，共需50 min。如再加上钻场验收人员未在现场到达现场时间、验收人员精力不集中二次核对错误需重新核对时间，所需时间远远大于50 min。而采用智能化钻场钻杆清点控制系统，只需在钻杆起拔时用时5 min 安装好仪器，钻杆起拔时间为30 min，共需35 min。（50-35）/50=30%，提高效率最少30%。

（3）在安全系数上，智能化清点杜绝了弄虚造假现象的发生，为矿井的综合瓦斯治理、抽采达标提供了强有力的保障和数据依据，奠定了矿井安全生产的基石。

（4）在自动化水平上，充分利用了现有装备和资源，由PLC 进行控制，实现了“区域自动化、局部智能化”，提高了矿井综合自动化建设水平，实现了自动化技术与煤矿瓦斯治理的有机结合，给以后的煤矿瓦斯治理创新提供了经验和借鉴。

5 结 语

陈四楼煤矿井下钻场钻杆智能化清点控制系统的实践应用，使验收人员从枯燥、繁复的工作中释放出来，极大程度地提高了钻场施工效率和安全系数；同时充分体现了“区域自动化、局部智能化”的先进理念，为自动化技术与煤矿瓦斯治理提供了更多的借鉴和经验，为矿井的安全高效生产提供了有力保障。