李 軍

（中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

近年，煤炭行業(yè)正在逐漸向智能化方向發(fā)展，煤炭精準(zhǔn)化開采向“少人化、無人化”轉(zhuǎn)型[1-4]。國家能源局、原國家煤礦安全監(jiān)察局在《關(guān)于開展首批智能化示范煤礦建設(shè)的通知》中確定71 處煤礦作為國家首批智能化示范建設(shè)煤礦。鉆機(jī)是進(jìn)行煤礦開采的重要設(shè)備，鉆機(jī)的鉆進(jìn)、回退、鉆桿結(jié)合等各項(xiàng)操作均需要專業(yè)人員現(xiàn)場手動(dòng)操作，因此遠(yuǎn)程判斷鉆機(jī)的各種動(dòng)作并遠(yuǎn)程操縱鉆機(jī)工作成為實(shí)現(xiàn)煤炭開采智能化、少人化發(fā)展首要解決的問題。

由于液壓泵是鉆機(jī)的主要?jiǎng)恿υ矗虼艘恍W(xué)者通過對液壓泵的狀態(tài)進(jìn)行檢查判斷鉆機(jī)的工況[5-7]。由于液壓泵故障狀態(tài)與故障特征之間的非線性關(guān)系，引入改進(jìn)多尺度熵故障特征提取方法，采用支持向量機(jī)算法建立液壓泵的故障模式識(shí)別模型,實(shí)現(xiàn)對液壓泵的故障識(shí)別[8]。聯(lián)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)小波變換和模糊C 均值聚類算法的礦用千米定向鉆機(jī)動(dòng)作識(shí)別方法通過提取電動(dòng)機(jī)、液壓泵和聯(lián)軸器振動(dòng)信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)小波函數(shù)的不同的特征，根據(jù)提取的特征量識(shí)別鉆機(jī)的不同動(dòng)作[9]。對ZDY6500LQ 型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)進(jìn)行了整機(jī)振動(dòng)測試與分析，對比分析了不同工作狀態(tài)下鉆機(jī)不同測點(diǎn)位置的振動(dòng)總量，得到鉆進(jìn)設(shè)備的主要振動(dòng)激勵(lì)源[10]。

以上研究對鉆機(jī)工作狀態(tài)分析的算法都較為復(fù)雜，且需要的傳感器數(shù)量較多。本文提出一種根據(jù)安裝在鉆桿導(dǎo)向套部件上的加速度傳感器采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)，遠(yuǎn)程判斷鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)、回退以及鉆桿結(jié)合等不同動(dòng)作的方法。

1 測試方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材的選擇

本文以ZYW-3200 煤礦用全液壓鉆機(jī)為研究對象。該鉆機(jī)主要用于煤礦井下鉆進(jìn)瓦斯抽（排）放孔、注漿防滅火孔、煤層注水孔、防突卸壓孔、地質(zhì)勘探孔及其他工程孔，適用于巖石堅(jiān)固性系數(shù)f≤12的各種煤層、巖層。該鉆機(jī)采用GBD20 礦用本安型振動(dòng)傳感器采集振動(dòng)加速度信號(hào)，該傳感器高度集成化，其有效部件為精心選擇的壓電陶瓷材料-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）和慣性質(zhì)量塊，可廣泛應(yīng)用于各種振動(dòng)和沖擊測量，具備靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 信號(hào)測點(diǎn)的選擇

鉆機(jī)的振動(dòng)測點(diǎn)如圖1 所示。為防止鉆機(jī)部件運(yùn)動(dòng)造成傳感器線纜纏繞或傳感器脫落，將傳感器測點(diǎn)設(shè)置在鉆桿導(dǎo)向套部件上。測點(diǎn)1 設(shè)置在導(dǎo)向套側(cè)面，測點(diǎn)2 設(shè)置在導(dǎo)向套正面左下角，測點(diǎn)1、2 位置均低于鉆桿，傳感器線纜從鉆機(jī)下方穿過，從而避免線纜接觸鉆桿造成纏繞。測點(diǎn)1 用于分析鉆機(jī)橫向振動(dòng)，測點(diǎn)2 可分析鉆機(jī)軸向振動(dòng)。

圖1 鉆機(jī)及測點(diǎn)示意圖

1.3 振動(dòng)信號(hào)的選擇

在瓦斯鉆孔施工過程中，鉆桿、鉆頭等組成的鉆桿系統(tǒng)承受著自重、給進(jìn)阻力、轉(zhuǎn)矩、阻尼、鉆桿與孔壁接觸碰撞力及鉆桿與煤巖摩擦阻力等綜合作用，不僅會(huì)產(chǎn)生縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，還可能產(chǎn)生耦合振動(dòng)。為進(jìn)行鉆桿系統(tǒng)在鉆進(jìn)施工中的動(dòng)載受力分析，對相關(guān)條件進(jìn)行簡化和假設(shè)：1）鉆進(jìn)地層為彈塑性體；2）鉆具為絕對剛體；3）鉆具振動(dòng)時(shí)僅考慮粘滯阻力；4）鉆頭為兩翼弧角PDC鉆頭，鉆頭端部始終與巖石接觸；5）鉆桿與孔壁間的碰撞為彈性碰撞，鉆孔軸線與鉆具軸線重合。

研究表明，鉆進(jìn)過程中鉆具的橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和振動(dòng)波傳遞一般規(guī)律、鉆桿振動(dòng)特性變化的物理力學(xué)機(jī)制，隨著鉆進(jìn)工況變化作用于鉆機(jī)鉆頭的作用力而產(chǎn)生相應(yīng)變化。據(jù)此，結(jié)合煤礦井下實(shí)際狀況與鉆機(jī)自身特點(diǎn)，通過現(xiàn)場工程實(shí)踐，系統(tǒng)地對比分析不同鉆進(jìn)工況下鉆桿鉆進(jìn)振動(dòng)信號(hào)特性，提出基于鉆桿振動(dòng)檢測技術(shù)的鉆進(jìn)工況識(shí)別的方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆具的橫向及縱向振動(dòng)信號(hào)，并分析識(shí)別特定振動(dòng)信號(hào)幅值判定鉆具的振動(dòng)工況，在掘進(jìn)工程中即可實(shí)時(shí)、高密度地獲取鉆進(jìn)設(shè)備工況，不僅為地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測節(jié)約了大量的人力物力，而且對井下智能化鉆進(jìn)的安全高效作業(yè)具有較高的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

通過對鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中鉆具振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理與振動(dòng)波傳遞規(guī)律的研究，不同鉆進(jìn)工況如鉆桿鉆進(jìn)、鉆桿回退、鉆桿結(jié)合等，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號(hào)，如果能在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中收集并記錄振動(dòng)信號(hào)，通過后期的數(shù)據(jù)處理及分析研究，即可識(shí)別鉆進(jìn)過程中的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)井下智能識(shí)別鉆進(jìn)工況。本實(shí)驗(yàn)在此需求分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用于監(jiān)測鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中鉆具的振動(dòng)情況，以此判別鉆機(jī)鉆進(jìn)的實(shí)際工況。

為了驗(yàn)證該方法的可行性，開展實(shí)地井下鉆孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)場地為劉莊煤礦。劉莊煤礦位于安徽阜陽市潁上縣境內(nèi)，礦區(qū)南距縣城約20 km，西至阜陽市40 km。劉莊煤礦井田面積82 km2，煤炭儲(chǔ)量15.6 億t，可采儲(chǔ)量6.79 億t，每年的生產(chǎn)能力超過800 萬t。本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境將傳感器安裝在鉆機(jī)設(shè)定的測點(diǎn)處，采集了四組巖石孔鉆孔的橫向、縱向振動(dòng)信號(hào)，并對四組信號(hào)進(jìn)行幅值分析，傳感器的采樣頻率為50 000 Hz，結(jié)果如下所示：

1）井下通道巖石孔1

圖2 和圖3 分別為井下通道巖石孔1 的橫向和縱向的振動(dòng)加速度信號(hào)，井下通道巖石孔1 進(jìn)行的為全程鉆機(jī)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。從圖中可以看出，當(dāng)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中加速度傳感器采集到鉆桿受到的振動(dòng)沖擊信號(hào)為高頻高幅值的信號(hào)，其中采集到的橫向振動(dòng)加速度信號(hào)的峰值為46.9 m/s2，平均值為4.5 m/s2，軸向振動(dòng)加速度的峰值為54.1 m/s2，平均值為6.0 m/s2。由此可發(fā)現(xiàn)在井下鉆探實(shí)際過程中鉆桿軸向受到的沖擊激勵(lì)相較于鉆桿橫向受到的沖擊激勵(lì)大，且均無主頻，因此在實(shí)際處理時(shí)可將鉆桿振動(dòng)信號(hào)視為隨機(jī)信號(hào)。

圖2 巖石孔1 橫向振動(dòng)信號(hào)

圖3 巖石孔1 縱向振動(dòng)信號(hào)

2）井下通道巖石孔2

井下通道巖石孔2 包含了鉆桿結(jié)合、鉆機(jī)回退和鉆機(jī)鉆進(jìn)三種工況，具體工況振動(dòng)信號(hào)波形如圖4 所示，其中測點(diǎn)1 為橫向振動(dòng)，測點(diǎn)2 為軸向振動(dòng)。

圖4 巖石孔2 不同工況振動(dòng)信號(hào)波形

井下通道巖石孔2 在第9 秒開始鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿結(jié)合，持續(xù)9 s 在第18 秒完成結(jié)合。第18 秒到第32 秒鉆機(jī)處于退鉆狀態(tài)，在第32 秒到第46.5 秒鉆機(jī)鉆進(jìn)，第46.5 秒到第48 秒鉆機(jī)回退，第48 秒到第63 秒鉆機(jī)鉆進(jìn)。鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿結(jié)合從開始到完成各有一次明顯的振動(dòng)，開始進(jìn)行鉆桿結(jié)合時(shí)產(chǎn)生超過100 m/s2、最高接近200 m/s2持續(xù)1 s 的高幅值振動(dòng)加速度信號(hào)，并且該振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)幅度相較于正常情況的振動(dòng)幅度差別極大，具備很強(qiáng)的標(biāo)志性，因此鉆桿結(jié)合時(shí)通過識(shí)別高振幅信號(hào)即可識(shí)別該工況。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿回退時(shí)鉆桿振動(dòng)較小，峰值為3.2 m/s2，平均值為0.1 m/s2。當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，振動(dòng)加速度信號(hào)的峰值為87.8 m/s2，平均值為4.0 m/s2。

3）井下通道巖石孔3

井下通道巖石孔3 包含了鉆機(jī)鉆進(jìn)和鉆機(jī)回退兩種工況，具體工況振動(dòng)波形如圖5。

圖5 巖石孔3 不同工況振動(dòng)信號(hào)波形

井下通道巖石孔3 前17.5 s 為鉆機(jī)鉆進(jìn)過程，第17.5 秒到第19 秒為鉆機(jī)回退狀態(tài)，第19 秒到第36 秒為鉆機(jī)鉆進(jìn)過程。當(dāng)鉆機(jī)處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，鉆桿橫向振動(dòng)信號(hào)的最大幅值為79.7 m/s2，平均幅值為4.2 m/s2。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿回退時(shí)，鉆桿橫向振動(dòng)信號(hào)的最大幅值為1.2 m/s2，平均幅值為0.1 m/s2。對比巖石孔2 的鉆桿結(jié)合動(dòng)作，巖石孔3 軸向振動(dòng)信號(hào)的第17 秒出現(xiàn)了超過100 m/s2的振動(dòng)加速度信號(hào)且之后產(chǎn)生了一段振幅較小的振動(dòng)信號(hào)，由于這段信號(hào)僅持續(xù)4 s，因此判斷此動(dòng)作為鉆桿回退。

4）井下通道巖石孔4

井下通道巖石孔4 包含了鉆機(jī)鉆進(jìn)和鉆機(jī)回退兩種工況，具體工況振動(dòng)信號(hào)波形如圖6。

圖6 巖石孔4 不同工況振動(dòng)信號(hào)波形

井下通道巖石孔4 前23 s 為鉆機(jī)鉆進(jìn)過程，第23 秒到第24 秒為鉆機(jī)回退狀態(tài)，第24 秒到第49秒為鉆機(jī)鉆進(jìn)過程。當(dāng)鉆機(jī)處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，鉆桿橫向振動(dòng)信號(hào)的最大幅值為102.8 m/s2，平均幅值為4.1 m/s2。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿回退時(shí)，鉆桿橫向振動(dòng)信號(hào)的最大幅值為5.5 m/s2，平均幅值為0.3 m/s2。

3 鉆進(jìn)工況識(shí)別技術(shù)展望

1）智能化鉆進(jìn)工況識(shí)別理論

受煤礦井下空間及高瓦斯、高粉塵、潮濕作業(yè)環(huán)境的限制，井下鉆探技術(shù)具備一定的特殊性并明顯區(qū)別于地面鉆探，因此實(shí)現(xiàn)井下智能化鉆探的技術(shù)路徑有異于地面，井下智能化鉆進(jìn)工況識(shí)別[11]是未來精準(zhǔn)鉆孔要求的基礎(chǔ)。井下智能化鉆進(jìn)工況識(shí)別主要通過運(yùn)用高精度傳感器技術(shù)、隨鉆測量技術(shù)、鉆桿的高效傳輸與通信技術(shù)、智能識(shí)別技術(shù)、井下小型化數(shù)據(jù)處理設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)煤礦智能化鉆進(jìn)工況識(shí)別以及現(xiàn)場實(shí)測并分析，最大限度減少鉆進(jìn)人員工作量及單臺(tái)鉆機(jī)配套人員數(shù)量，提高井下鉆井工作效率。

2）多參信息監(jiān)測融合技術(shù)

現(xiàn)階段監(jiān)測技術(shù)仍處于起步階段，目前的參數(shù)并不能完全滿足實(shí)際工況需求，存在關(guān)鍵參數(shù)缺失的情況，因參數(shù)缺失造成智能化技術(shù)難以鋪展。因此，參數(shù)選取仍需要改進(jìn)，研發(fā)關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)補(bǔ)齊參數(shù)?；谙嚓P(guān)學(xué)者對于鉆桿振動(dòng)特性的研究[12-13]，研發(fā)高精度傳感器結(jié)合隨鉆鉆桿技術(shù)，將振動(dòng)信號(hào)傳感器設(shè)置在鉆頭后方，能夠最大限度避免因鉆進(jìn)進(jìn)尺距離造成振動(dòng)信號(hào)失真；研發(fā)鉆桿高效通信技術(shù)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鉆頭后方數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理、智能辨識(shí)鉆機(jī)鉆進(jìn)工況；研發(fā)井下防爆小型數(shù)據(jù)處理設(shè)備，對實(shí)時(shí)工況進(jìn)行采集與分析，并通過井下環(huán)網(wǎng)向地面發(fā)送鉆進(jìn)設(shè)備的工作狀態(tài)，為地面生產(chǎn)調(diào)度人員提供相關(guān)數(shù)據(jù)制定生產(chǎn)工作計(jì)劃。

4 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)可知，對于鉆機(jī)的鉆進(jìn)、回退和鉆桿結(jié)合三種動(dòng)作，加速度傳感器采集到的信號(hào)有明顯區(qū)別。當(dāng)鉆機(jī)處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，在鉆機(jī)鉆桿導(dǎo)向套位置采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)為持續(xù)的高頻高幅值的信號(hào)，通常采集到的振動(dòng)加速度信號(hào)的振幅在50 m/s2左右，平均值5 m/s2左右，偶爾會(huì)出現(xiàn)超過100 m/s2的振動(dòng)加速度信號(hào)，但持續(xù)時(shí)間較短。鉆機(jī)的鉆桿結(jié)合動(dòng)作持續(xù)時(shí)間為9 s 左右。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆桿結(jié)合時(shí)，在結(jié)合的開始和完成各會(huì)產(chǎn)生一次尖峰振動(dòng)，第一次振動(dòng)的振動(dòng)加速度信號(hào)為峰值超過100 m/s2、最高接近200 m/s2的高幅值信號(hào)，在鉆桿結(jié)合完成時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)為峰值40 m/s2左右的信號(hào)，在兩次振動(dòng)之間的振動(dòng)加速度信號(hào)幅值較小峰值為8 m/s2，平均值為0.2 m/s2。當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行回退時(shí)鉆桿受到的振動(dòng)較小，峰值為4 m/s2左右，平均值為0.1 m/s2。由此可得，當(dāng)鉆機(jī)的動(dòng)作不同時(shí)，鉆桿受到的振動(dòng)也不同，因此通過振動(dòng)加速度信號(hào)判斷鉆機(jī)動(dòng)作具有一定的可行性。