煤矿井下定向钻进技术是一种高效的钻探方法,通过设定延伸轨迹实现钻井目标,利用随钻测量技术实时监测钻孔轨迹,确保准确钻入靶点。定向钻进技术具有精准定向和环保安全的优势,能有效提高开采效率和精度。但在实际应用中,定向钻进轨迹数据、钻机运转情况、当班施工情况多采用U盘复制、电话汇报、升井后地面手工抄录等方式完成井上井下数据交互,钻进数据实时动态监测与高效安全开采严重脱节。
为提高煤矿井下定向钻进的安全性、可靠性,研究定向钻机钻进轨迹数据实时动态的传输方案,以实现钻进数据从井下实时回传地面服务器,地面监控中心实时监测钻进动态数据,避免或减少孔内事故、轨迹不可控、钻机故障或运转风险等事件发生。定向钻机井下钻进数据上传、地面指令下达的实时互传功能,是定向钻进技术和装备智能化研究方向之一。
鉴于此,研究煤矿定向钻进井上井下数据互联的应用方案,满足动态数据传输共享、优化钻进策略、预防安全隐患;同时,深入分析钻进实时数据,制定动态、科学、合理的钻进方案,实现高效、精准、安全开采。
定向钻进井上井下数据互联方案
无专用服务器数据互联方案
井下1 台或多台钻机搭载的防爆电脑,自动运行测量软件,通过井下基站、交换机接入矿井环网,钻孔轨迹数据实时传输至地面监控中心,动态展示最新数据和轨迹图形,监控中心同步回传文件或消息任务,实现井上井下钻进数据与地面实时动态互联,无专用服务器的数据互联方案如图1 所示。
无专用服务器的数据互联方案主要优点为无需专用独立服务器,对井下环网带宽、网速无特殊要求,客户端、服务端安装测量软件后,无需全天候实时在线,只需终端接入运行测量软件,即可自动查看井下实时钻孔数据、井上井下点对点的消息通信和交互。该方案开发、建设、升级成本较低,系统构建、网络传输、软件安装和使用便捷,满足钻进数据传输的快速实现等功能。
专用服务器数据互联方案
采用专用服务器进行井上井下定向钻进数据实时交互,专用服务器运行定向钻进信息化系统或集成式子系统、矿井数字孪生系统等软件,可接收、存储、展示、处理钻机运转、测孔、钻场监测等数据,在线监测交互、管理、零部件、物料、整机和零部件全生命周期等数据,专用服务器数据互联方案如图2 所示。
专用服务器数据互联方案井下钻机搭载防爆电脑,可实时动态回传数据至井上服务器,监测中心终端显示最新钻机的轨迹、状态、消息等数据,信息化系统具有控制、决策、展示、存储、预警等功能;该方案建设周期长、开发成本高、功能和逻辑较复杂、涉及部门和过程多,每个阶段都需阶段性论证和建设,系统功能需不断升级完善。
“云-边-端”数据实时交互方案
将定向钻机设为“云−边−端”1 个接入端节点,融入本地矿井服务、集成管控、云服务等系统,使用“云−边−端”技术实现定向钻进井上井下数据实时交互;该方案适于国有大型综合煤炭集团公司的顶层、长期、统一规划,并分批逐步实施。“云−边−端”技术的数据实时交互方案如图3 所示。
基于Socket 通信的数据互联方案
基于Socket 通信的数据互联软件开发是针对前文第1 种“无专用服务器的数据实时互联方案”,实现定向钻进井上井下数据互通功能。
数据互联网络通信方式包括Socket、HTTP、WebSocket、FTP、NFC、SIP、XMPP、Thrift、GRPC、邮件、蓝牙等,以适用不同开发场景需求。根据定向钻机应用的实际需求,原有随钻测量软件为桌面客户端软件,适合采用Socket 通信方式,满足不同计算机进程间建立端到端连接,实现数据传输和通信。基于Socket 通信的定向钻进数据实时互联,根据核心需求构建软件逻辑,并设计软件功能,基于 Socket 通信的数据互联软件功能如图4 所示。
井下钻进数据上传分为地面客户端软件在线和离线2 种状态。当地面客户端在线时,井下服务端实时上传数据;地面客户端离线时,井下服务端提供请求式服务和主动式服务:请求式服务为客户端上线时手动请求数据,井下服务端响应后发送;主动式服务为客户端上线时,自动向井下客户端发送最新数据文件。服务端执行一对一、一对多的消息和文件发送,并显示对应信息,客户端执行一对一向服务端发送消息和文件。该数据传输模式满足现场生产实际需求,可提高钻进施工安全性、减少钻孔轨迹失控,提升钻机信息化水平和操作便捷性。
基于Socket 通信的数据互联方案应用
2023 年7 月,中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的ZYWL—6000DS型定向钻机率先成功应用于西山煤电(集团) 有限责任公司南岭煤业(简称南岭煤矿),在煤矿井下开始定向钻孔施工,基于Socket 通信的数据互联方案实现了实时动态监控钻孔轨迹,并指导钻孔施工进度,减少了数据传递时间、提高了定向钻孔施工实时监测的精准钻进水平。相关成果获得了“中国计协煤炭专业2023 年度职工技术创新成果一等奖”。
基于Socket 通信的数据互联方案在南岭煤矿应用现场,钻机搭载防爆电脑安装随钻测量数据处理软件,并接入井下环网,地面终端安装相应数据管理软件,信息中心分配IP 地址、授权使用权限,运行软件即可自动完成井上井下数据实时上传、接收、更新显示钻孔轨迹数据。基于Socket 通信的数据互联方案应用前后操作方法对比、应用前后使用效果对比分别如图5、图6 所示。
总 结
本文研究的3 种定向钻进井上井下数据互联方案,分别适用于煤矿智能化发展的不同阶段。
(1) 无专用服务器数据互联方案
适用于智能化发展的初级阶段,以钻机搭载防爆电脑、矿井环网、地面终端、防爆手机、井上井下软件,构建数据交互载体,基于Socket 通信的数据互联可实现井上井下实时数据交互,较低成本实现现场钻机升级改造,满足地面实时动态监控钻孔轨迹的要求。
(2) 专用服务器数据互联方案
适用于智能化发展的进阶阶段,需独立开发成套产品,改造已有钻机或配套新出厂钻机,以钻机主体、钻机传感器、钻场传感器、视频监控、矿井网络、井上井下服务器集群、多类操作终端等系统,构建矿井互联的区域集成化管控体系,以矿井独立系统的方式,实现矿井钻机数据交互,钻进信息化管理、决策和调度管控等进阶功能。
(3)“云−边−端”数据实时互联方案
适用于智能化发展的高级阶段,从顶层规划系统架构和数据融合体系,用以辅助实现高级决策和多类型智能化应用,提升煤矿智能化整体水平和安全保障能力,建设过程需规划、资源、技术、时间等诸多要素,不断迭代完善,是未来智能化煤矿的重要发展部分。
综上,基于第1 种方案的无专用服务器数据互联方案,可实现钻机钻进井上井下数据互联,符合目前多数煤矿智能化建设初级阶段,满足当前技术发展过程和钻进现场的实际需求。能够快速完成开发和应用,解决煤矿井下定向钻进数据实时互联的痛点问题, 并在短时间内取得明显效果。基于Socket 通信的数据互联的无专用服务器方案应用研究,可作为短期、低成本实现数据互联应用范例,为煤矿现场钻机井上井下数据互联改造,提供数据支持和辅助决策。