矿用伽马测井仪在察哈素矿区应用研究

为了实现煤炭智能化开采,采用基于伽马测井技术的煤岩界面高精度探测来构建三维地质模型。设计了基于单片机和无线模块的矿用伽马测井仪,主要介绍了测井仪设计理论、系统组成、工作原理及应用情况。矿用伽马测井仪在煤矿井下底抽巷穿层钻孔中的应用试验表明:该测井仪测量数据准确可靠,能有效地鉴定钻探中遇到的地层岩性变化和出煤点的空间位置,应用效果良好。

煤矿履带式定向钻机路径规划算法

煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。

煤矿井下钻探数字化监测系统

针对煤矿井下钻探存在孔底工程参数测量困难、钻探数据准确性和完整性不足、钻探数据融合应用不够等问题,设计了一种煤矿井下钻探数字化监测系统。该系统由数据来源层、虚拟模型层、数据处理层和钻探服务层构成:数据来源层为虚拟模型层提供数据支撑,虚拟模型层通过仿真模拟分析生成新的数据并反馈至数据来源层;数据处理层接收到数据来源层和虚拟模型层提供的数据后,进行数据清洗、转换及合并等处理;钻探服务层通过后台数据管理端的权限设置,为不同层级用户提供数据显示、查询、分析、报警等服务。将钻探数据按时序特征分为事前数据(钻探施工之前根据钻孔设计资料和施工方案等获取的数据)、实时数据(包括钻探过程设备实时监测的参数和钻场视频等)和延时数据(孔底随钻测量装置采集的参数),针对这3类钻探数据设计了数据处理流程,并建立了由接入层、汇聚层和核心层组成的系统通信网络架构。工程实践结果表明:该系统实现了煤矿井下钻探施工数据的采集、传输、显示与动态管理,满足钻探施工过程监测和数据管理的需求,具有较好的实时性和准确性。该系统为煤矿井下钻探智能化施工和精细化管理提供了技术支撑。

煤矿井下钻场目标检测数据集

煤矿井下钻场打钻是解决瓦斯灾害、水害、隐蔽地质灾害的重要措施,可以显著提升我国煤矿井下灾害防治水平。为了实时监测打钻过程并提高打钻效率,需要进行煤矿井下钻场目标检测,即对打钻现场所涉及的重要目标进行识别和定位。相对于传统的煤矿井下钻场目标检测方法,基于深度学习的煤矿井下钻场目标检测方法可以提升目标检测的精度、时效性和稳定性,但需依赖高质量的数据集。目前,煤矿井下钻场目标检测研究主要依赖于小规模的私有数据集,难以为深度神经网络模型训练提供充足而可靠的数据。本研究通过采用煤矿用本安型执法记录仪对煤矿井下打钻现场进行拍摄,经过数据清洗、数据标注、专家抽检核查等步骤,构建了标准化的煤矿井下钻场目标检测数据集,并使用主流的YOLO系列目标检测模型进行数据质量评估。本数据集包含了来自不同钻场和环境背景条件下的70948张图片,涵盖了夹持器、钻机卡盘、煤矿工人、矿井安全帽和钻杆等5类目标,并提供了PASCAL VOC格式的标注文件。本数据集可为煤矿井下钻场目标检测研究提供强有力的数据支撑,对推动智能化煤矿井下监测预警具有重要作用。

煤矿井下大直径钻具全连续机械化辅助吊装系统

煤矿井下定向钻孔施工的设备及钻具随实际钻孔趋于大型化,带来工人劳动强度提升、钻进安全性降低等问题。依据大直径钻具的转运流程,设计了包含小型气动单轨吊、螺杆钻具吊运装置、钻机辅助吊装液压吊臂、自动换杆机械手等机械化辅助全连续机械化辅助吊装系统。现场应用表明,该系统可以满足大直径钻具全连续机械化辅助吊装需求。

基于SPC煤矿用全液压钻机动力头装配过程质量控制

动力头作为全液压钻机的核心部件,其装配质量直接影响钻机的整体性能。探讨了如何应用统计过程控制(SPC)方法来提高煤矿用全液压钻机动力头的装配质量,通过分析动力头装配过程中的关键质量控制点并结合SPC控制图,建立一套系统的质量控制流程。结果表明,运用SPC可以有效监控和控制装配过程,减少质量波动,确保产品满足设计要求。

磁耦合式井下随钻数据传输系统设计

针对煤矿井下普通钻机作业时,不能实时掌握钻杆运动轨迹造成钻孔作业效率低、钻杆偏离预定轨迹等问题,设计了适用于煤矿井下的磁耦合式随钻数据传输系统,用于实时获取钻杆运动轨迹等信息。系统包括信号的调制和解调模块、中继模块以及互感线圈,采用二进制移频键控(2FSK)原理设计调制和解调电路,根据电磁线圈互感原理和电路模型分析,设定传输系统谐振频率。传输系统的谐振频率设定在两种调制频率的中心时,数据传输更加稳定可靠,满足了井下长距离随钻数据传输的需要。

煤矿井下钻机用数字比例阀静动态特性研究

针对数字比例阀在煤矿井下钻机电液系统应用中特性开发不足的问题,从数字比例阀的原理出发,构建其数学模型,阐述先导级和主阀之间的耦合关系,发现先导流量是决定主阀静动态特性的关键指标。研究建立了数字比例阀的AMESim模型,仿真结果表明,控制数字比例阀的PWM信号频率为20 Hz时,占空比对流量的线性调控范围为0.2~0.8,主阀输出流量波动幅值为3.16 L/min,数字比例阀静动态特性表现良好。调整好PWM信号频率后将数字比例阀运用于钻机给进回路中,经过测试试验,数字比例阀控给进回路的钻机位移误差较传统阀控回路由2.8%提升至1.9%。

煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题,采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术,研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体,实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式,并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言,视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器,实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作;井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备,实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控;地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备,为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外,云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机,并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明:(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口,手机升级便捷方便,可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10km距离的远程控制,控制响应时间小于200ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞,可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能,可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试,功能正常,响应及时,系统无崩溃,可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

基于层次分析法的智能钻机运行工序判识

煤矿钻机智能施工过程中自动判识当前工序的难度较大,针对该问题提出了一种包含钻机运行过程层次建模、工序执行概率推理的工序判识方法。首先,以层次分析法对钻机运行过程中不同粒度对象间耦合过程进行描述和建模,揭示了钻机各工序执行过程中设备、功能与系统间的交互特征。其次,在上述研究基础上引入贝叶斯概率推理方法,建立工序执行概率推理模型,分析了钻机运行过程中不同粒度对象属性与各工序状态间的因果关系。随后,将采集到的传感数据进行处理并作为实时证据提供给工序判识模型,推理获得各工序的当前执行概率。最后,以ZDY23000LDK钻机运行过程中液压压力值、动力头转速及移动速度作为输入信息,利用提出的工序判识方法,推理出当前执行工序编号,实验结果显示针对上扣工序、钻进工序和起拔工序的识别准确率分别达到85.3%、81.2%和87.1%,从而证明所提工序判识方法是切实可行的。上述研究工作提供了钻机运行过程的层次解耦方法及钻机不同粒度对象间交互过程的分析方法,为后续钻机智能控制方法研究及先进智能地质装备研发提供了技术支撑。

旋挖钻机辅助引孔技术在地下连续墙施工中的应用

在复杂地层条件下采用单一成槽机施工地下连续墙时,由于成槽机在较硬地层内施工速度较慢,导致地下连续墙开挖槽段受到泥浆长时间浸泡、地面机械设备长时间荷载压力以及施工中受成槽机抓斗往复冲击等因素影响而塌壁,且由于复杂地层软硬不一,使成槽机抓斗受力不均而导致槽段竖向偏斜。为解决以上原因造成的地下连续墙质量安全隐患问题,结合南京地铁10号线二期工程某车站实际地质情况,采用旋挖钻机配合成槽机进行施工。通过旋挖钻机辅助引孔,并优化调整其与成槽机抓土的先后施工顺序,从而加快地下连续墙的施工进度,避免槽段塌壁及因地层软硬不均匀造成的槽段偏斜问题的发生。这一技术的应用既保证了地下连续墙的施工质量,又取得了良好的工期效益和经济效益。

ZDY25000LDK煤矿井下钻机故障树的建立及应用

针对煤矿井下钻机故障隐蔽性高、排查维修困难的问题,通过分析ZDY25000LDK钻机工作过程中常出现的故障形式,梳理其故障原因及故障元件,建立钻机液压系统、电控系统故障树模型进行钻机故障诊断。将故障树信息、钻机实时状态监测数据信息传输至上位机系统的故障诊断模块中,运用智能诊断技术对钻机进行故障诊断,在出现故障时钻机程序自动报警并给出应对措施,以此来快速排查故障,减少钻机维修时间,提高钻机使用效率,保证施工的连续性。

ZJ-30钻机“油改电”技术在河南省煤矿区域水害治理工程中的应用

鉴于ZJ-30钻机在河南省煤矿区域水害治理中采用柴油作为动力源所带来的高能耗和重污染问题,研究开发了钻机“油改电”技术,采用网电替代柴油作为动力系统的钻机装置。改造实施后,每口井每天能够减少约1.2 t的柴油能源消耗,每月能够减少二氧化碳排放约150 t,减少二氧化硫排放约1.05 t,节能降耗和减排能力效果显著。

矿用掘锚一体机探放水钻机的设计

针对井下分体式探放水钻机钻进准备周期长、钻进效率低的问题,对掘锚机进行结构优化,在机体上增加探放水钻机,设计得到矿用掘锚一体机探放水钻机。对矿用掘锚一体机探放水钻机的整体结构、布置、钻进流程、卡钻处理方案等进行分析。煤矿井下实际钻进表明,矿用掘锚一体机探放水钻机灵活性高,钻进稳定性好,能够缩短井下准备及换杆周期,并缩短钻孔周期,极大提高探放水作业的效率和安全性。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

ZDY-120型钻机在采煤工作面卸压孔施工的应用

以ZDY-120型钻机为研究对象,结合不同工况下钻机钻头钻进性能,介绍钻机卸压孔施工改进方案。具体研究中需先构建ZDY-120型钻机钻头钻进仿真模型,并根据模型实施仿真分析,获取不同工况下钻机钻头钻进性能。然后以某煤矿2302S采煤工作面为案例,根据卸压孔施工方案应用中存在的问题,介绍钻机卸压孔施工改进方案。最后将改进方案应用于工程实践,确认改进方案具有较强可行性。

ZJ30钻机整体平移技术应用

钻机整体平移是煤矿防治水地面区域治理注浆工程中重要的组成部分。在以往施工作业中,钻孔结束后钻机通常需要拆卸、运输到新的钻孔位置,然而对于相邻的钻孔来说,会造成时间和资源的浪费。因此采用钻机整体平移到新钻孔的方法,减少钻机拆装的频率,节省时间,减轻作业人员的劳动强度,降低成本支出,以便更快地实施下一次钻孔作业。

小功率定向钻机在大直径高位定向钻孔施工中的应用

小功率定向钻机在煤矿井下进行大直径高位定向钻孔需进行多次扩孔,施工时面临成本高、效率低、工艺复杂等问题,因此在施工中引入小功率定向钻机一次成孔工艺。基于此,介绍了大直径定向钻孔成孔工艺和钻具组合,为煤矿井下大直径高位定向钻孔施工提供了一种新方法,具有较高的推广应用价值。

定向分支钻井技术在张集煤矿陷落柱中的应用

单县张集煤矿存在岩溶陷落柱地质灾害,为了确保采区开采安全,开展3#异常区地面探查工作。该文通过地质、钻孔等资料合理分析了煤矿的基本情况以及陷落柱发育特征,对单县张集煤矿进行了地面定向探查钻孔布置。根据定向分支井设计主要工程难点,总结了施工设备、井身结构、钻具组合、钻井设计参数、钻井液体、施工步骤等定向分支钻井施工关键技术,并且记录剩余分支孔的实钻轨迹与理论轨迹,统计定向钻进过程中多条轨迹的最大钻进偏差。结果表明:测得的6个分支孔定向钻进轨迹最大偏差均未超过0.1 mm,实现对钻进轨迹进行高精度控制,从而安全有效地实现对陷落柱边界的准确探测,保障煤矿的安全高效生产。

基于CAN总线的矿井钻机远程电气控制系统设计

针对目前煤矿钻机控制系统集成度较低、自动化水平不高的问题,研究了远程液压控制技术,提出了一种基于CAN总线的矿井钻机远程电气控制系统设计方案。该系统采用微控制器及智能传感器技术改造传统钻机控制系统,通过机载主控台及远程控制台联合控制模式实现对钻机执行机构的远程化人机分离控制,同时可实时监测钻机运行状态,有效提高钻机钻进效率,实现煤矿钻机装备的自动化控制。