为实现煤矿井下定向钻进数据与地面电脑进行数据互联，笔者基于定向钻机、信息化发展阶段、建设周期、成本因素等提出了3种数据互联方案：无专用服务器数据互联方案、专用服务器数据互联方案、“云-边-端”数据实时互联方案。3种方案对应煤矿智能化循序发展的初级、中级、高级阶段，同时对应建设成本、技术要求、建设周期的低、中、高3种层次。针对第1种方案，开发了对应的基于Socket通信的数据互联方案并在南岭煤矿进行了实践应用，实现了井下到地面定向钻进数据传递的自动化即时传输，简化了数据传递流程，相关成果获得“中国计协煤炭专业2023年度职工技术创新成果一等奖”。
文章来源：《智能矿山》2024年第7期 专题报道：智能钻探技术与应用
作者简介：张先韬，高级工程师，主要从事煤矿钻探技术与装备、随钻测量技术、软件开发等工作
作者单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司
引用格式：张先韬，闫保永 . 煤矿定向钻进数据互联方案的研究与应用[J].智能矿山，2024，5（7）：40-44.
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。
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。
图1 无专用服务器的数据互联方案
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。
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。
图 2 专用服务器数据互联方案
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。
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。
图 3 “云−边−端”技术的数据互联方案
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。
图 4 基于 Socket 通信的数据互联软件功能
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。
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。
图 5 应用前后操作方法对比
图 6 应用前后效果对比
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。
