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【摘 要】近年来，科学技术的发展迅速，我国的煤矿工程的发展也有了改善。钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究，大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性实验与现场工业性实验表明：设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上，可提高钻机自动化水平，更好地保障了人员和设备的安全，对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。
【关键词】煤矿井下坑道;钻机电控;自动化技术研究
引言
煤炭资源的采掘与生产在我国工业经济发展中一直占据着重要的位置，先进的井下开采设备和智能化控制系统是提高煤矿挖采效率的前提。目前我国的煤矿开采技术信息化、自动化程度还不够高，人力投入生产的比例依然较大。
1.煤矿井下定向钻进技术与装备发展历程
煤矿井下定向钻进技术具有钻孔深度大、钻孔轨迹控制精度高、覆盖范围广、钻孔利用率高等优势，已成为井下灾害防治和煤层气开发的重要技术手段。我国煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展经历了引进消化、自主研发到创新发展的阶段，逐步形成了具备自主知识产权的坑道定向钻探技术与装备体系，有力推动了井下坑道钻探技术装备的升级换代。我国煤矿进行随钻测量定向钻进技术与装备的研究应用最早始于90年代中期，淮南、抚顺、松藻等矿区陆续引进美国、澳大利亚的千米定向钻进技术与装备进行试验，但均未获得成功，这主要是由于当时的定向钻进技术与装备难以满足上述煤矿区复杂煤层条件下成孔需要，因此，我国暂时放弃了以孔底螺杆钻具造斜为主的定向钻进技术与装备，转向发展稳定组合钻具定向钻进技术与装备。2003年，鉴于国外定向钻进技术与装备的所取得了成功应用案例，亚美大宁煤矿在国内首先引进澳大利亚的VLD型定向钻机，在地质条件简单的煤层中成功施工了1002m的瓦斯抽采定向钻孔，标志着我国在煤矿井下成功使用随钻测量定向钻进技术的开端。“十一五”期间，我国开展了煤矿井下千米瓦斯抽采钻孔施工装备及工艺技术的研究工作，开发出滑动定向钻进技术和分支孔钻进工艺，研制出系列化坑道定向钻机及配套装备，在陕西彬长矿业集团有限公司大佛寺煤矿完成了最大顺煤层孔深1212m的定向钻孔，标志着我国自主研发的有线随钻测控千米定向钻进技术装备取得突破。“十二五”期间，在国家科技重大专项课题支持下，笔者牵头开展了煤矿井下大功率定向钻进技术与装备的研究工作，开发出复合定向钻进技术，研制出ZDY12000LD型大功率定向钻机、YHD2-1000（A）型有线随钻测量系统等装备。
2.煤矿井下坑道钻机电控自动化技术
2.1电液控制系统的集成与应用
为验证设计的电控系统和钻机自动施工技术的功能和可靠性，电液控制系统先后在ZDY4000LR钻机进行了地面验证实验，在ZDY6500LQ钻机进行了现场应用实验。集成电液控制系统后的ZDY4000LR电控自动化钻机具备远程控制、参数监测、工况逻辑判断、安全互锁、自动调平、自动化钻孔施工等功能。经功能性验证实验表明：①电液控制系统实时响应及时。经信号监控软件PCANView反复验证说明：遥控器发出指令后50ms内控制信号即可传递至电磁阀执行机构②钻机远程控制平稳。通过遥控器可实现50m远距离控制钻机，无明显迟滞现象。③钻机工况判断准确。控制器根据遥控器按键排列完成工况判断，并将对应工况相关参数监测界面返回至遥控器屏幕显示。④具备安全互锁功能。控制器完成钻机工况判断后会将其他工况条件下的电磁阀控制权限锁死，防止误操作发生安全事故。比如在行走工况下，无论怎样拨动回转、钻进按钮，对应执行机构都不会动作。⑤进行了钻机自动调平实验，钻机可在10s内完成自动调平，且水平度误差小于0.2°。⑥进行了钻机自动钻进和自动起钻实验，可在60s内完成单根钻杆的加载或拆卸。
2.2传感器模块
传感器可实现对系统内各采掘设备工况参数的采集，并将数据传输至控制模块。当设备工作状态异常或发生故障时，传感器可以及时检测到并发出预警信号，由控制模块发送急停指令，保护设备不受到严重损害。本控制系统主要采用的传感器有压力传感器、速度传感器、液位传感器、温度传感器和烟雾传感器等，这些传感器需要根据现场情况进行布设检测。压力传感器用于检测水压、油压等压力值，当压力值超过阈值，即发送预警信号并停止设备运行;速度传感器用于检测采煤机、刮板输送机等采掘设备的角速度或线速度;液位传感器用于检测油箱、水箱液面位置，防止出现吸空现象;温度传感器用于检测主要采掘设备的油温变化，例如液压油箱温度、减速器齿轮润滑油温度等;烟雾传感器用于检测井下现场的烟雾浓度值，当超过阈值时向控制器发出预警信号。
2.3钻机控制器设计
钻机控制器为坑道钻机电控系统的核心部件，其功能多样性、可靠性及稳定性的优劣直接影响钻机电控系统整体性能。钻机控制器主要作用是完成对各类传感器信息的采集、解码、计算;输出控制信号完成对执行机构的控制;同时为其他加掛在控制器的本安设备供电。按组成结构划分，钻机控制器主要由本安电源板、隔离采集板以及PLC控制器组成。其中，本安电源板用于实现电源转换，将输入端DC24V非安电源转换为DC12V本质安全电源输出，为隔离采集板和其他本安设备供电;隔离采集板用于实现本安、非安电路隔离，可承受AC2500V的工频耐压，具备1.3A过流保护、过压保护、过热保护功能;PLC控制器内嵌钻机控制程序，用于实现数据包解码计算、钻机控制逻辑判断、执行机构控制信号的输出。按功能划分，钻机控制器可分为输入端和输出端两大模块。其中，输入端包括1路DC24V非安电源;2路本安CAN总线通讯电路，其中CAN1用来连接收发器，CAN2用来连接压力传感器;8路0～5V本安电压量输入电路，用来连接位移传感器;8路4～20mA本安点流量输入电路，用来连接流量、温度传感器;8路本安开关量输入（DI），用来连接位置传感器以及转速传感器。输出端包括12路非安PWM输出接口，可输出24V，0～2A可调电流，可驱动电磁比例阀;16路非安开关量输出接口，可驱动电磁开关阀;1路DC12V本安电源输出，为系统中的本安设备供电。
2.4人机交互模块
人机交互包含监控显示屏和操作平台两个部分。在系统控制总线末端设置液晶显示屏，将传感器采集处理后的数据通过显示屏实时动态地显示，从而使操作人员可以总揽全局，实现对煤矿主要设备工作状态的监测。控制系统具有两种不同的操控类型，分别为本机操控和遥控操控，操控方式可通过操控平台模块上设置的操控方式转换开关来进行切换。当本机操作模式开启时，可直接通过操作平台上的功能按钮实现对采掘设备的控制，如设备的启停、故障预警、故障诊断等操作;当采用遥控模式时，信号发射器将需要执行的控制指令输送到接收机上，接收机再将指令发送到主控制器中，主控器根据接收到的指令进行相应操作，信号的传输全部以CAN总线方式完成。
3.结语
在创新驱动引领、行业发展需求导向、国家政策推动下，煤矿井下智能化定向钻探技术的发展势不可挡。目前我国煤矿井下坑道钻探仍处于从机械化向自动化转型的阶段，定向钻探技术装备的智能化水平较低，但随着人工智能、大数据、云计算、5G通讯等先进技术与煤矿井下坑道钻探技术装备的深度融合，必将推动井下坑道钻探迈向智能化。
参考文献
[1]王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化（初级阶段）研究与实践[J].煤炭科学技术，2019，47（8）：1-36.
【关键词】煤矿井下坑道;钻机电控;自动化技术研究
引言
煤炭资源的采掘与生产在我国工业经济发展中一直占据着重要的位置，先进的井下开采设备和智能化控制系统是提高煤矿挖采效率的前提。目前我国的煤矿开采技术信息化、自动化程度还不够高，人力投入生产的比例依然较大。
1.煤矿井下定向钻进技术与装备发展历程
煤矿井下定向钻进技术具有钻孔深度大、钻孔轨迹控制精度高、覆盖范围广、钻孔利用率高等优势，已成为井下灾害防治和煤层气开发的重要技术手段。我国煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展经历了引进消化、自主研发到创新发展的阶段，逐步形成了具备自主知识产权的坑道定向钻探技术与装备体系，有力推动了井下坑道钻探技术装备的升级换代。我国煤矿进行随钻测量定向钻进技术与装备的研究应用最早始于90年代中期，淮南、抚顺、松藻等矿区陆续引进美国、澳大利亚的千米定向钻进技术与装备进行试验，但均未获得成功，这主要是由于当时的定向钻进技术与装备难以满足上述煤矿区复杂煤层条件下成孔需要，因此，我国暂时放弃了以孔底螺杆钻具造斜为主的定向钻进技术与装备，转向发展稳定组合钻具定向钻进技术与装备。2003年，鉴于国外定向钻进技术与装备的所取得了成功应用案例，亚美大宁煤矿在国内首先引进澳大利亚的VLD型定向钻机，在地质条件简单的煤层中成功施工了1002m的瓦斯抽采定向钻孔，标志着我国在煤矿井下成功使用随钻测量定向钻进技术的开端。“十一五”期间，我国开展了煤矿井下千米瓦斯抽采钻孔施工装备及工艺技术的研究工作，开发出滑动定向钻进技术和分支孔钻进工艺，研制出系列化坑道定向钻机及配套装备，在陕西彬长矿业集团有限公司大佛寺煤矿完成了最大顺煤层孔深1212m的定向钻孔，标志着我国自主研发的有线随钻测控千米定向钻进技术装备取得突破。“十二五”期间，在国家科技重大专项课题支持下，笔者牵头开展了煤矿井下大功率定向钻进技术与装备的研究工作，开发出复合定向钻进技术，研制出ZDY12000LD型大功率定向钻机、YHD2-1000（A）型有线随钻测量系统等装备。
2.煤矿井下坑道钻机电控自动化技术
2.1电液控制系统的集成与应用
为验证设计的电控系统和钻机自动施工技术的功能和可靠性，电液控制系统先后在ZDY4000LR钻机进行了地面验证实验，在ZDY6500LQ钻机进行了现场应用实验。集成电液控制系统后的ZDY4000LR电控自动化钻机具备远程控制、参数监测、工况逻辑判断、安全互锁、自动调平、自动化钻孔施工等功能。经功能性验证实验表明：①电液控制系统实时响应及时。经信号监控软件PCANView反复验证说明：遥控器发出指令后50ms内控制信号即可传递至电磁阀执行机构②钻机远程控制平稳。通过遥控器可实现50m远距离控制钻机，无明显迟滞现象。③钻机工况判断准确。控制器根据遥控器按键排列完成工况判断，并将对应工况相关参数监测界面返回至遥控器屏幕显示。④具备安全互锁功能。控制器完成钻机工况判断后会将其他工况条件下的电磁阀控制权限锁死，防止误操作发生安全事故。比如在行走工况下，无论怎样拨动回转、钻进按钮，对应执行机构都不会动作。⑤进行了钻机自动调平实验，钻机可在10s内完成自动调平，且水平度误差小于0.2°。⑥进行了钻机自动钻进和自动起钻实验，可在60s内完成单根钻杆的加载或拆卸。
2.2传感器模块
传感器可实现对系统内各采掘设备工况参数的采集，并将数据传输至控制模块。当设备工作状态异常或发生故障时，传感器可以及时检测到并发出预警信号，由控制模块发送急停指令，保护设备不受到严重损害。本控制系统主要采用的传感器有压力传感器、速度传感器、液位传感器、温度传感器和烟雾传感器等，这些传感器需要根据现场情况进行布设检测。压力传感器用于检测水压、油压等压力值，当压力值超过阈值，即发送预警信号并停止设备运行;速度传感器用于检测采煤机、刮板输送机等采掘设备的角速度或线速度;液位传感器用于检测油箱、水箱液面位置，防止出现吸空现象;温度传感器用于检测主要采掘设备的油温变化，例如液压油箱温度、减速器齿轮润滑油温度等;烟雾传感器用于检测井下现场的烟雾浓度值，当超过阈值时向控制器发出预警信号。
2.3钻机控制器设计
钻机控制器为坑道钻机电控系统的核心部件，其功能多样性、可靠性及稳定性的优劣直接影响钻机电控系统整体性能。钻机控制器主要作用是完成对各类传感器信息的采集、解码、计算;输出控制信号完成对执行机构的控制;同时为其他加掛在控制器的本安设备供电。按组成结构划分，钻机控制器主要由本安电源板、隔离采集板以及PLC控制器组成。其中，本安电源板用于实现电源转换，将输入端DC24V非安电源转换为DC12V本质安全电源输出，为隔离采集板和其他本安设备供电;隔离采集板用于实现本安、非安电路隔离，可承受AC2500V的工频耐压，具备1.3A过流保护、过压保护、过热保护功能;PLC控制器内嵌钻机控制程序，用于实现数据包解码计算、钻机控制逻辑判断、执行机构控制信号的输出。按功能划分，钻机控制器可分为输入端和输出端两大模块。其中，输入端包括1路DC24V非安电源;2路本安CAN总线通讯电路，其中CAN1用来连接收发器，CAN2用来连接压力传感器;8路0～5V本安电压量输入电路，用来连接位移传感器;8路4～20mA本安点流量输入电路，用来连接流量、温度传感器;8路本安开关量输入（DI），用来连接位置传感器以及转速传感器。输出端包括12路非安PWM输出接口，可输出24V，0～2A可调电流，可驱动电磁比例阀;16路非安开关量输出接口，可驱动电磁开关阀;1路DC12V本安电源输出，为系统中的本安设备供电。
2.4人机交互模块
人机交互包含监控显示屏和操作平台两个部分。在系统控制总线末端设置液晶显示屏，将传感器采集处理后的数据通过显示屏实时动态地显示，从而使操作人员可以总揽全局，实现对煤矿主要设备工作状态的监测。控制系统具有两种不同的操控类型，分别为本机操控和遥控操控，操控方式可通过操控平台模块上设置的操控方式转换开关来进行切换。当本机操作模式开启时，可直接通过操作平台上的功能按钮实现对采掘设备的控制，如设备的启停、故障预警、故障诊断等操作;当采用遥控模式时，信号发射器将需要执行的控制指令输送到接收机上，接收机再将指令发送到主控制器中，主控器根据接收到的指令进行相应操作，信号的传输全部以CAN总线方式完成。
3.结语
在创新驱动引领、行业发展需求导向、国家政策推动下，煤矿井下智能化定向钻探技术的发展势不可挡。目前我国煤矿井下坑道钻探仍处于从机械化向自动化转型的阶段，定向钻探技术装备的智能化水平较低，但随着人工智能、大数据、云计算、5G通讯等先进技术与煤矿井下坑道钻探技术装备的深度融合，必将推动井下坑道钻探迈向智能化。
参考文献
[1]王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化（初级阶段）研究与实践[J].煤炭科学技术，2019，47（8）：1-36.