钻机钻进参数监测及性能试验

尚泽龙

（晋能控股煤业集团四老沟矿， 山西 大同 037028）

引言

液压钻机为煤矿地质钻探和瓦斯抽采、锚眼钻进的主要设备，实际生产中钻进速度和钻孔的质量对于保证瓦斯抽采效果、地质勘探的准确性以及巷道支护速度和质量具有重要意义。因此，实现对液压钻机实时钻进参数的监测并及时调整钻进方案对于保证最终形成的钻孔质量和钻进效率非常有必要。而且，当前液压钻机在实际钻进过程中并未开展相关钻进参数的监测功能，导致钻孔质量不佳或者钻进速度慢等问题。本文重点完成钻机钻进监测系统的设计，并对其性能进行试验研究。

1 钻机钻进参数监测系统功能及总体设计

本小节根据液压钻机的钻进任务对其监测系统提出相应的功能要求，并对应地完成整个监测系统的总体方案设计。

1.1 钻机钻进参数监测系统的功能需求

目前，液压钻机在实际钻进操作中以实现功能为主，主要以全液压驱动方式为主，包括对关键部件转速、泵量以及钻进压力的控制；值得一提的是，上述的控制参数仅通过仪表实时显示并未对其进行存储，导致液压钻机控制系统无法根据前期钻进参数对钻进方式进行控制，最终造成钻孔安全事故的发生，无法精准完成钻进任务等。在当前数字化矿山建设的推动下，对井下和地面设备的自动化、智能化水平提出了更高的要求，液压钻机也不例外，因此实现对钻进参数的实时监测控制是急需解决的问题[1]。鉴于工作面生产环境相对恶劣，为保证钻进参数监测系统功能的实现，对其监测系统提出如下要求：

1）鉴于综采工作面的空间有限，而且钻进一般采用紧凑型分体布局，对应监测系统所需的传感器也应该采用分布式安装的方式执行；

2）监测系统除了对钻机关键执行机构工作状态参数进行监测外，还需对其辅助设备如泥浆泵工作单元进行实时监测；

3）监测系统需具备对深孔进行钻进时监测的功能，在此种情况下钻进工况更为复杂，对监测系统也提出了更高的要求；

4）为了便于对钻进监测系统所采集的参数进行统一管理，需要为其设计一个上位机的参数监测和轨迹控制的平台；同时，为了便于后期对系统平台功能的丰富，需在平台上增加扩展功能[2]。

1.2 钻机钻进参数监测系统总体方案设计

结合液压钻机的钻进任务和上述所分析的功能需求，所设计的监测系统的功能组成如图1 所示。

图1 钻机钻进参数监测系统功能及结构组成图

由于钻进参数监测系统应用于综采工作面，涉及到的设备均应具备防爆功能。如图1 所示，钻进参数监测系统由防爆计算机、数据采集器和外部传感器组成。其中，防爆计算机与数据采集器之间基于CAN 总线进行通信；现场传感器包括压力、液位、温度、流量传感器对现场参数进行监测，并经转化后进入数据采集器中，基于PLC 主控制器对所采集的数据进行分析。防爆计算机对所采集的实际钻进参数和设计参数进行对比后，为后续钻进参数的优化提供依据，从而实现对钻进过程的控制[3]。总的来讲，钻进参数监测系统不仅可对钻机参数进行精准、实时监测，还可根据所采集的数据判断后得出相应的控制指令或发出声光报警。

2 钻机钻进参数监测系统的功能实现

本小节重点对钻进参数监测系统涉及到的关键元器件进行选型，并对监测系统功能的实现进行设计。

2.1 关键元器件选型

2.1.1 主控制器

由于钻进参数监测系统涉及到对采集数据进行处理和传输。经对当前市面上控制器进行对比，最终确定选择PLC 为主控制器。该PLC 控制器具备在恶劣环境下工作的能力，且其稳定性和安全性均可满足煤矿生产的要求。所选型PLC 控制器的主要参数如表1 所示。

表1 主控制器技术参数

2.1.2 传感器

传感器为对钻机钻进现场运行参数进行监测的主要执行结构，根据其功能不同和应用单元不同，可将传感器的选型结果归纳为表2。

表2 关键传感器选型结果

2.2 钻进参数监测系统功能实现

在上述硬件支撑的基础上，根据钻机钻进参数监测系统的功能需求设计监测系统的软件结构，包括有数据存储模块、数据显示模块、数据通信模块、功能配置模块和系统帮助模块。监测系统的软件运行流程如图2 所示。

图2 监测系统软件功能实现流程图

3 钻机钻进参数监测系统性能试验

针对钻进参数监测系统的性能试验包括有基本性能和安标性能试验，具体阐述如下。

3.1 基本性能试验

所谓基本性能指的是监测系统对钻进生产时的回转压力、给进压力、主轴转速、泥浆泵流量以及泥浆泵压力等参数进行监测，比对监测值和通过液压测试仪表显示的值，比对结果如表3 所示。

表3 钻进参数监测系统基本性能试验结果

如表3 所示，监测系统所配置的传感器所采集的数据与采用仪表直接测量数据的最大误差均可控制在1.2%之内，满足对钻进参数控制的精度要求。

3.2 安标性能试验

所谓安标性能试验指的是，对监测系统的所有零部件的防爆性能按照相关标准要求进行测试。经试验表明，监测系统的各项功能和性能均满足防爆性能的相关标准要求。

4 结语

液压钻机为煤矿生产必不可少的设备，其可应用于地质勘探、瓦斯抽采和锚眼钻孔等。为了进一步提升钻孔速度和钻孔质量，通过对钻进参数的实时监测为钻进参数的优化控制提供依据。本文重点根据钻进参数无法实时监测存储的问题，设计了一款钻机钻进参数实时监测系统，并经性能试验表明：监测系统所配置的传感器所采集的数据与采用仪表直接测量数据的最大误差均可控制在1.2%之内，满足对钻进参数控制的精度要求；且监测系统各零部件均满足防爆性能的相关标准要求。