張占存，鄒永洺，趙洪瑞

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110004；2.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110016）

目前，煤礦井下鉆探設(shè)備在近些年有了比較長(zhǎng)足的發(fā)展，但鉆孔的完孔程度及成孔率卻并不高，鉆孔施工還嚴(yán)重依賴操作司機(jī)的熟練程度和施工經(jīng)驗(yàn)，不能安全發(fā)揮鉆機(jī)的能力，以達(dá)到預(yù)期的施工設(shè)計(jì)要求。因此，研制和推廣鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置，在鉆進(jìn)過(guò)程中采用對(duì)各種鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄和顯示各參數(shù)數(shù)據(jù)及變化過(guò)程曲線，并同時(shí)根據(jù)參數(shù)變化趨勢(shì)及參數(shù)間的相互關(guān)系進(jìn)行智能分析，做出孔內(nèi)事故預(yù)警、見礦預(yù)報(bào)、換層預(yù)報(bào)等，以提高鉆進(jìn)質(zhì)量、預(yù)防孔內(nèi)事故、改變憑經(jīng)驗(yàn)打鉆的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)科學(xué)鉆探就成為十分重要的研究?jī)?nèi)容[1－3]。

1 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的研制

1.1 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案

以ZDY系列鉆機(jī)為研究基礎(chǔ)，研究了該鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，確定了鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的構(gòu)成、分析軟件和運(yùn)行形式等[4－5]。

鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理如圖1所示，主要接入傳感器P1為給進(jìn)油缸進(jìn)油壓力，P2為給進(jìn)油缸的出油壓力，P3為回轉(zhuǎn)器液壓泵進(jìn)油壓力，P4為回轉(zhuǎn)器液壓泵出油壓力，N為鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，I為控制高低檔。其中P1、P2、P3、P4為（4－20MA）電流值。N為（200－5000HZ）的頻率信號(hào)，I為無(wú)源節(jié)點(diǎn)。電源為24V本安電源供電[6]。

圖1 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理圖

1.2 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的構(gòu)成

鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置主要由ARM9處理模塊，5路（4－20MA）模擬量采集，1路開關(guān)量，1路頻率信號(hào)采集，TFT256K色液晶，SD卡及E2ROM存儲(chǔ)，鍵盤，串口，電源等功能模塊構(gòu)成，整個(gè)裝置電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置電路結(jié)構(gòu)圖

1）高速處理器模塊。在電路核心板上選擇了高速的ARM9處理器，該處理器采用5級(jí)流水線。5級(jí)流水線能夠?qū)⒚恳粋€(gè)指令處理分配到5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)有5個(gè)指令在執(zhí)行。優(yōu)越的體系結(jié)構(gòu)使得處理速度達(dá)到200M，最高可運(yùn)行到266M[7]。

2）信號(hào)采集模塊。信號(hào)采集模塊由5路電流信號(hào)，1路開關(guān)量信號(hào)，1路頻率信號(hào)構(gòu)成。模擬信號(hào)輸入模塊對(duì)各參數(shù)實(shí)時(shí)采集，開關(guān)信號(hào)輸入模塊實(shí)時(shí)反映控制設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。由于10比特采樣精度已滿足要求，所以由ARM模塊直接采樣，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了信號(hào)的可靠性和真實(shí)性。同時(shí)，由于裝置為本質(zhì)安全型電路，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集能力和良好的通用性，對(duì)多種礦用傳感器，均可直接接入[8]。

3）顯示模塊。鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置采用TFT256K色320×240液晶，人機(jī)界面可彩色顯示更加友好。裝置本身具有一定得參數(shù)設(shè)置，為了不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，特將該部分?jǐn)?shù)據(jù)保存在E2ROM中。裝置工作主界面如圖3所示。

圖3 裝置工作界面示意圖

4）檢測(cè)裝置實(shí)物裝置圖。鍵盤采用5個(gè)獨(dú)立式按鍵，分別是向左、向右、確定、取消、P0鍵。其中在數(shù)據(jù)調(diào)整時(shí)，向左、向右鍵可轉(zhuǎn)換成為加、減鍵。按下P0功能鍵，可計(jì)算該時(shí)刻的推進(jìn)力。鍵盤模塊的提供，可在現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)修改參數(shù)，使裝置更加方便通用。檢測(cè)裝置的外觀見圖4，整套組合裝置見圖5。

圖4 礦用本安鉆進(jìn)參數(shù)測(cè)裝置

圖5 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置全貌圖

1.3 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置分析軟件

鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的軟件程序采用了自上而下的順序結(jié)構(gòu)，由初始化、顯示并校正時(shí)間、讀取配置信息、SD卡及文件校驗(yàn)、采樣、執(zhí)行鍵盤命令等子程序組成。軟件流程圖如圖6所示。

整個(gè)程序的特色在于：第一在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下構(gòu)建了文件系統(tǒng)，第二模擬了類似于window下的消息響應(yīng)機(jī)制來(lái)觸發(fā)多級(jí)菜單。第三，采樣的頻率可調(diào)，可按照需求進(jìn)行密集采樣。

檢測(cè)裝置具有實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鉆進(jìn)情況的功能；能進(jìn)行參數(shù)及時(shí)間整定；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；在整定時(shí)間內(nèi)的柱狀圖顯示功能；在整定時(shí)間內(nèi)的曲線圖顯示功能；在整定參數(shù)情況下的報(bào)警顯示功能。

圖6 軟件流程圖

2 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

為了考察裝置的性能參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了樣機(jī)性能測(cè)試和系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)。主要測(cè)試各采集量精度及計(jì)算后推進(jìn)力、鉆壓、扭矩、功率、轉(zhuǎn)速值，數(shù)據(jù)曲線的準(zhǔn)確性，時(shí)間準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)保存容量，界面顯示的正確性。

經(jīng)過(guò)為期一個(gè)月的測(cè)試，整理鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置保存的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速波形如圖7所示，整理部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速波形圖

通過(guò)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速波形圖可以看出，鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的實(shí)時(shí)顯示曲線圖、柱狀圖顯示功能以及各菜單運(yùn)行正常；通過(guò)整理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看以看出，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能正常，數(shù)據(jù)保存容量大，文件保存時(shí)間正確，數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)值與給定數(shù)值誤差小于1%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 鉆機(jī)檢測(cè)裝置部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在通化礦務(wù)局松樹礦4111綜采工作面進(jìn)行。本次試驗(yàn)利用回風(fēng)巷內(nèi)布置的本煤層預(yù)抽鉆孔和高位鉆場(chǎng)瓦斯抽放鉆孔施工，考察鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的性能。本煤層預(yù)抽鉆孔采用ZDY700／18.5型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)，高位鉆場(chǎng)采用ZDY4000S型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)。全液壓坑道鉆機(jī)由主機(jī)、泵站、操作臺(tái)3大部分組成，各部分之間由高壓膠管連接。主機(jī)由夾持器、回轉(zhuǎn)器、給進(jìn)裝置和機(jī)架等部件組成。

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)對(duì)本煤層抽放鉆孔1號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔的施工情況和高位鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔的施工情況進(jìn)行了考察。高位鉆場(chǎng)巖石鉆孔參數(shù)見表2，本煤層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)見表3。

表2 高位鉆場(chǎng)瓦斯抽放鉆孔參數(shù)

表3 1號(hào)鉆場(chǎng)本煤層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)

試驗(yàn)首先對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)推進(jìn)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（10min）如圖8所示。通過(guò)與鉆機(jī)操作臺(tái)壓力表值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置測(cè)定數(shù)據(jù)與操作臺(tái)壓力表值兩者基本一致，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

圖8 鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置測(cè)定推進(jìn)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)應(yīng)用鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量并數(shù)字顯示鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等的大小，為獲得最大鉆速采取措施提供了科學(xué)依據(jù)。如在本煤層瓦斯抽放鉆孔施工時(shí)，在鉆壓8.6kN、轉(zhuǎn)速82r／min的條件下鉆進(jìn)時(shí)，鉆速為8cm／min；而在鉆壓10.5kN、轉(zhuǎn)速95r／min的條件下鉆進(jìn)時(shí)，鉆速為11cm／min。因此，其余本煤層鉆孔施工時(shí)均采用鉆壓10.5kN、轉(zhuǎn)速95r／min的鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)。而高位鉆場(chǎng)巖石鉆孔施工時(shí)也采用了上述方法來(lái)優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。

同時(shí)利用鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置還可進(jìn)行初步的判層和判斷鉆頭的磨損情況。如高位鉆場(chǎng)2號(hào)鉆孔，在鉆進(jìn)至98m時(shí)，鉆壓突然減小，鉆速增大，經(jīng)分析應(yīng)為孔前方煤巖性質(zhì)發(fā)生了變化，巖層由硬變軟，結(jié)合附近巷道掘進(jìn)時(shí)的斷層情況，判斷應(yīng)為鉆孔遇斷層，于是操作人員即時(shí)調(diào)整了鉆進(jìn)參數(shù)避免了孔內(nèi)事故的發(fā)生。在鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆頭磨損，扭矩、鉆速等參數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化，這些變化可以確定是否需要更換鉆頭。如在施工高位鉆場(chǎng)中4號(hào)鉆孔在鉆進(jìn)到158m時(shí)，在鉆壓基本穩(wěn)定的條件下鉆參儀顯示扭矩逐漸減小，鉆速由2cm／min逐漸下降為1.0cm／min。分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因是該鉆頭已經(jīng)磨鈍，應(yīng)更換鉆頭。提鉆后發(fā)現(xiàn)與分析結(jié)果一致，換用新鉆頭后又恢復(fù)到以前的鉆進(jìn)速度。

通過(guò)試驗(yàn)，可以看出所研制的鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置可以對(duì)鉆孔施工過(guò)程中孔內(nèi)情況的分析判斷提供一定的幫助，根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以指導(dǎo)鉆孔的施工，為避免發(fā)生孔內(nèi)事故，提高成孔質(zhì)量，為鉆進(jìn)作業(yè)科學(xué)打鉆提供了新的技術(shù)手段。

4 結(jié)論

1）為解決目前瓦斯鉆孔完孔程度差和成孔率低的現(xiàn)狀，以ZDY系列鉆機(jī)為研究基礎(chǔ)，通過(guò)分析研究確定了鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)測(cè)定裝置設(shè)計(jì)方案，裝置構(gòu)成和分析軟件等。

2）鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)測(cè)定裝置主要由ARM9處理模塊，5路（4－20MA）模擬量采集，1路開關(guān)量，1路頻率信號(hào)采集，TFT256K色液晶，SD卡及E2ROM存儲(chǔ)，鍵盤，串口，電源等功能模塊構(gòu)成。具有實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鉆進(jìn)情況的功能；在整定時(shí)間內(nèi)的柱狀圖顯示功能；在整定時(shí)間內(nèi)的曲線圖顯示功能；在整定參數(shù)情況下的報(bào)警顯示功能。

3）在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了推進(jìn)力、鉆壓、扭矩、功率和轉(zhuǎn)速值、曲線的準(zhǔn)確性，時(shí)間準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)保存容量的試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能正常，數(shù)據(jù)保存容量大，文件保存時(shí)間正確，數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)值與給定數(shù)值誤差小于1%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4）現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置測(cè)定數(shù)據(jù)與操作臺(tái)壓力表值兩者基本一致，通過(guò)應(yīng)用鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆進(jìn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量并數(shù)字顯示鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等的大小，為獲得最大鉆速采取措施提供了科學(xué)依據(jù)，利用鉆進(jìn)參數(shù)檢測(cè)裝置還可進(jìn)行初步的判層和判斷鉆頭的磨損情況，為科學(xué)鉆探提供了新的技術(shù)手段。

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