一種應(yīng)用于小孔徑的手持式鉆孔測(cè)斜儀研制*

李淵

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

在煤礦安全生產(chǎn)中，鉆探方法是針對(duì)隱蔽致災(zāi)因素探查最直接、最有效的一種勘探方法，在煤礦防治煤與瓦斯突出、煤礦防治水方面起著至關(guān)重要的作用。如何判斷鉆孔的實(shí)際軌跡是否按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)，終孔點(diǎn)是否達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)靶點(diǎn)對(duì)于鉆探施工來(lái)說(shuō)顯得尤為重要[1]。礦用鉆孔測(cè)斜儀是一種測(cè)量鉆孔實(shí)際鉆進(jìn)軌跡與鉆孔設(shè)計(jì)軌跡偏差的測(cè)量類(lèi)儀器，在煤礦鉆探領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)階段煤礦井下瓦斯抽放領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)大多采用底抽巷和高抽巷的方式，運(yùn)用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工鉆孔，利用存儲(chǔ)式測(cè)斜儀測(cè)量鉆孔進(jìn)行測(cè)量[2-3]。然而對(duì)于大多數(shù)瓦斯抽放鉆孔而言，距離較短(50～150 m)，數(shù)量較多(單巷道超過(guò)1 000個(gè))，施工空間有限，利用鉆機(jī)推送的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式施工較為復(fù)雜，手持式鉆孔測(cè)斜儀具有操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛[4-5]。然而在實(shí)際使用過(guò)程中，特別是針對(duì)松軟煤層施工瓦斯抽放孔，若采用目前市場(chǎng)上的大直徑的手持式鉆孔測(cè)斜儀對(duì)成孔的鉆孔進(jìn)行測(cè)量，往往孔內(nèi)易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，造成測(cè)量事故。鉆孔成孔后往往通過(guò)下放篩管對(duì)鉆孔進(jìn)行護(hù)孔操作，防止孔內(nèi)發(fā)生塌孔現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證瓦斯抽放效果。下放篩管后的鉆孔通常直徑僅為25.4 mm，對(duì)于鉆孔的軌跡測(cè)量則是一個(gè)難題，目前市場(chǎng)上沒(méi)有應(yīng)用于小直徑的鉆孔測(cè)斜儀。因此，研制小直徑的鉆孔測(cè)斜儀對(duì)于瓦斯抽放孔測(cè)量，提高瓦斯抽放效率具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

為了滿(mǎn)足煤礦井下小直徑鉆孔的測(cè)量要求，所設(shè)計(jì)的鉆孔測(cè)斜儀應(yīng)從以下3個(gè)主要方面考慮：

1) 本安防爆。煤礦井下常含有甲烷和其它爆炸性氣體，因此系統(tǒng)必須滿(mǎn)足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》[6]。煤礦井下裝備的防爆種類(lèi)主要包括本質(zhì)安全型、隔爆型、澆封型，同時(shí)根據(jù)采用防爆的類(lèi)型，其裝備也必須滿(mǎn)足相應(yīng)的防爆要求。

2) 尺寸要求。本文適應(yīng)于小孔徑的瓦斯抽放孔(Φ25.4 mm)，從理論上直徑越小越能滿(mǎn)足鉆孔的測(cè)量，但測(cè)量電路和電池的直徑又不可能無(wú)限制地縮小，因此必須兼容電池容量、工作時(shí)間以及電路板的尺寸大小。

3) 測(cè)量精度要求。在滿(mǎn)足小孔徑尺寸的要求的情況下，同時(shí)系統(tǒng)必須保證鉆孔測(cè)斜儀的精度，因此在傳感器的選型方面應(yīng)全面考慮。

綜合以上3個(gè)方面的考慮因素，小孔徑鉆孔測(cè)斜儀的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔測(cè)斜儀的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

依照上節(jié)1.1所述的系統(tǒng)目標(biāo)，本文進(jìn)行了系統(tǒng)方案的整體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)可以分為孔中和孔外顯示兩個(gè)部分?？字胁糠种饕ū景搽娫磫卧?、姿態(tài)測(cè)量單元以及通信傳輸單元。本安電源單元主要功能是利用礦用防爆電池為孔內(nèi)的探管供電；姿態(tài)測(cè)量單元主要是用來(lái)測(cè)量?jī)A角和方位角這兩個(gè)主要的鉆孔參數(shù)。通信模塊用于將姿態(tài)測(cè)量模塊采集解算后的數(shù)據(jù)發(fā)送到孔外顯示終端?？淄獠糠种饕秋@示終端，系統(tǒng)采用本質(zhì)安全型手機(jī)一方面設(shè)置鉆孔測(cè)量的參數(shù)，另一方面完成數(shù)據(jù)的處理。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)測(cè)量原理即首先完成孔內(nèi)探管與本質(zhì)安全型顯示終端的時(shí)間同步;其次將探管推送到鉆孔內(nèi)，利用推送鉆桿的數(shù)量，完成深度的測(cè)量，同時(shí)在防爆手機(jī)上完成傾角和方位角測(cè)量，記錄有效的測(cè)量點(diǎn)；最終待鉆孔完成測(cè)量后，利用防爆手機(jī)取出所有有效點(diǎn)的姿態(tài)和深度信息，繪制成鉆孔的軌跡。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 本安電源設(shè)計(jì)

鑒于該儀器使用場(chǎng)合和測(cè)量時(shí)間，在滿(mǎn)足GB 3836.1—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》下，依據(jù)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》，本文選擇了本質(zhì)安全型防爆設(shè)計(jì)。本質(zhì)安全型包含“ia”、“ib”、“ic” 3個(gè)保護(hù)等級(jí)，煤礦井下要求采用“ib”等級(jí)，即本質(zhì)安全型電路在正常工作或一個(gè)計(jì)數(shù)故障發(fā)生時(shí)不能引起點(diǎn)燃。

本文采用兩級(jí)MAX14571電源管理芯片對(duì)輸出電流進(jìn)行限制，經(jīng)過(guò)兩級(jí)限壓限流保護(hù)，輸出本安電壓、電流驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載[6]。這種組合方式具有保護(hù)電路簡(jiǎn)單、功耗小、限壓限流值可精確控制的特點(diǎn)。電源部分的兩級(jí)保護(hù)電路原理圖如圖2所示。EN端和RIEN端兩個(gè)使能端均接至3.3 V高電平，喚醒芯片使其器件工作正常。另外，C1、C2、C3、C4為旁路電容，防止發(fā)生瞬間短路時(shí)輸入電壓的跌落，以維持器件的穩(wěn)定工作。系統(tǒng)采用電池供電，本文由于適用于小孔徑的緣故，測(cè)斜儀直徑不大于18 mm，所以本文采用直徑14 mm、單節(jié)3.7 V/1.4Ah錳酸鋰電池作為系統(tǒng)供電單元，經(jīng)測(cè)試整機(jī)工作電流小于20 mA，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工作要求。

圖2 兩級(jí)保護(hù)電路原理圖

2.2 姿態(tài)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

通常，施工鉆孔的軌跡是用空間的直線或曲線來(lái)表示，要得到空間曲線，需要知道鉆孔內(nèi)相關(guān)點(diǎn)的兩個(gè)關(guān)鍵幾何參數(shù),即傾角、方位角。本文采用姿態(tài)測(cè)量模塊來(lái)獲取這兩個(gè)參數(shù)[7-9]。

2.2.1 傾角測(cè)量

傾角測(cè)量一般通過(guò)測(cè)量X、Y、Z三軸的加速度，利用重力加速度與加速度傳感器的X、Y、Z三軸分量關(guān)系, 計(jì)算出各軸與重力加速度的夾角, 從而得出系統(tǒng)傾角。傾角計(jì)算公式如式1所示，式中，GX，GY，GZ表示加速度傳感器三軸輸出響應(yīng)[10-11]。本文考慮到小孔徑、低功耗、分辨率高等要求。經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩選，采用ADI公司的MEMS三軸加速度計(jì)ADXL355作為感知地球重力場(chǎng)的加速度計(jì)。ADXL355是一款低噪聲漂移、低功耗的3軸加速度計(jì)，量程±2～±8 g可選，具有1 Hz～1 kHz可選數(shù)字濾波，內(nèi)置20位高分辨數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC),同時(shí)集成溫度傳感器，功耗不到200 μA，采用SPI模式輸出數(shù)字量，同時(shí)該加速度計(jì)芯片尺寸僅為5.2 mm×5.2 mm×2.05 mm，所占空間較少，抗振動(dòng)和沖擊能力較強(qiáng)。圖3為該加速度計(jì)硬件連接電路，電路簡(jiǎn)單，只需要若干個(gè)電容就可以完成電路設(shè)計(jì)，非常方便。

圖3 傾角測(cè)量電路

(1)

2.2.2 方位角測(cè)量

采用磁傳感器和光纖陀螺是目前方位角測(cè)量的兩種主要方式。利用光纖陀螺這種敏感元件來(lái)感知地球自轉(zhuǎn)，配合傾角測(cè)量值最終得到方位角[12-13]，不受井下鐵磁性物質(zhì)干擾，有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于本文設(shè)計(jì)的測(cè)斜儀孔內(nèi)部分直徑只有不到18 mm，目前絕大多數(shù)光纖陀螺不能滿(mǎn)足尺寸和功耗要求，所以采用磁性元件來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)分量計(jì)算方位角成為可行方案[14-15]。按照地球磁場(chǎng)的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系如式2所示：

(2)

式中：BX，BY，BZ分別是地磁場(chǎng)在儀器坐標(biāo)系下，X軸、Y軸和Z軸上的測(cè)量值。B0是在地理坐標(biāo)下的地磁場(chǎng)的值。

可得方位角表達(dá)式，如式(3)所示：

(3)

而磁性元件按照測(cè)量原理不同可以分為磁通門(mén)式、磁阻式以及磁感式，三者相比較各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮尺寸和功耗，最終選用PNI公司磁感式傳感器SEN-R65/Z65搭配集成度較高的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊3D MagIC—PNI12927驅(qū)動(dòng)芯片作為測(cè)量方位角的敏感元件。其具有低功耗(電流最大0.5 mA)、體積小、傳感器長(zhǎng)寬高僅為5.8 mm×3.2 mm×5.6 mm，測(cè)量范圍廣(±11Gauss)、溫漂小和價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。PNI12927驅(qū)動(dòng)的振蕩電路的頻率會(huì)隨環(huán)境磁場(chǎng)的不同發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量特定個(gè)數(shù)振蕩周期的時(shí)間，就能夠推導(dǎo)出被測(cè)磁場(chǎng)的大小。為滿(mǎn)足高速頻率變化的數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)模塊3D MagIC的標(biāo)準(zhǔn)模式，能夠?qū)?個(gè)軸的磁場(chǎng)依次測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間較短，達(dá)到15～30 ms。圖4給出了PNI12927驅(qū)動(dòng)芯片和SEN-R65/Z65的電路連接圖。

圖4 方位角測(cè)量電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)基于Keil MDK軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用C語(yǔ)言編寫(xiě)下位機(jī)程序。下位機(jī)程序主要功能是完成姿態(tài)測(cè)量模塊數(shù)據(jù)的采集、處理以及與本安手機(jī)通信。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，包括系統(tǒng)初始化，微控制器通讀取姿態(tài)測(cè)量值，對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算傾角和方位角并存儲(chǔ)，需要時(shí)通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)發(fā)送給本安手機(jī)。

圖5 軟件流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小孔徑鉆孔測(cè)斜儀用本安手機(jī)作為顯示終端，具有輕便小巧、容易使用等特點(diǎn)。所以上位機(jī)的測(cè)量軟件采用Android操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于Linux平臺(tái)的、開(kāi)源的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，其具有優(yōu)秀的人機(jī)交互界面，豐富可利用的開(kāi)發(fā)資源。專(zhuān)用軟件APP使用專(zhuān)業(yè)安卓軟件開(kāi)發(fā)工具Android Studio進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件界面簡(jiǎn)潔美觀，通過(guò)手機(jī)WiFi與測(cè)量單元通信后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、檢測(cè)、繪圖等功能。測(cè)量軟件功能界面如圖6所示，數(shù)據(jù)上傳界面如圖7所示。

圖6 探管自檢模式

圖7 數(shù)據(jù)上傳界面

4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和工程樣機(jī)

4.1 工程樣機(jī)

本文設(shè)計(jì)研制的適用于小孔徑的鉆孔測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)如圖8所示，其探管的直徑僅為17 mm，搭配本安型手機(jī)作為顯示終端，滿(mǎn)足現(xiàn)階段小孔徑鉆孔測(cè)斜的施工技術(shù)要求。

圖8 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的測(cè)量精度，使用大連華天精密儀器有限公司生產(chǎn)的精密無(wú)磁姿態(tài)調(diào)校裝置TX-3S作為測(cè)試設(shè)備。該裝置用LED顯示屏顯示姿態(tài)角，三軸姿態(tài)角測(cè)量精度為±0.001°；兩兩軸正交度≤0.1°；三軸相交度≤1 mm，滿(mǎn)足對(duì)鉆孔測(cè)斜儀的精度測(cè)試要求[16-18]。

圖9為本文設(shè)計(jì)的鉆孔測(cè)斜儀傾角在-90°～90°時(shí)的測(cè)量誤差，每隔10°測(cè)量一個(gè)點(diǎn)。顯然，傾角最大測(cè)量誤差為±0.19°，能夠滿(mǎn)足測(cè)量要求。圖10為本文設(shè)計(jì)的鉆孔測(cè)斜儀方位角在0°～360°時(shí)的測(cè)量誤差，每隔30°測(cè)量一個(gè)點(diǎn)。顯然，方位角最大測(cè)量誤差為±1.5°，能夠滿(mǎn)足當(dāng)前礦方對(duì)礦用鉆孔測(cè)斜儀的測(cè)量要求。

圖9 傾角測(cè)量誤差

圖10 方位角測(cè)量誤差

5 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文研制的鉆孔測(cè)斜儀的可靠性，在淮北某礦1035機(jī)巷底抽巷進(jìn)行了試驗(yàn)。該巷道位于10煤層底板15.6～25.1 m，10煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚度1.40～5.90 m，平均4.14 m。工作面整體傾角4°～8°，平均6°。煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，根據(jù)1033風(fēng)巷實(shí)揭，1035機(jī)巷底抽巷探查及鉆孔資料綜合分析，該工作面屬于突出危險(xiǎn)區(qū)。在1035機(jī)巷底抽巷每隔4 050 m，垂直于底板巖巷布置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)的尺寸為5.0 m×5.0 m×3.5 m，共施工20個(gè)鉆場(chǎng)。條帶預(yù)抽鉆孔軸向間距為5 m，列間距為5 m，鉆孔終孔穿過(guò)10煤頂板3 m，控制巷道兩幫輪廓線外15 m。其中在22#鉆場(chǎng)使用本文研制的鉆孔測(cè)斜儀共施工穿層鉆孔76個(gè)，補(bǔ)孔37個(gè)，共計(jì)113個(gè)。利用鉆孔測(cè)斜儀采集數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔進(jìn)行三維圖上圖分析,結(jié)果如圖11所示。實(shí)驗(yàn)表明，本文研制的鉆孔測(cè)斜儀工作可靠，可以作為礦方對(duì)抽采效果進(jìn)行佐證和對(duì)補(bǔ)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

圖11 鉆孔三維成圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并研制了一種應(yīng)用于小孔徑的鉆孔測(cè)斜儀，介紹了目前礦用手持式測(cè)斜儀的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)原理，并對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述。為驗(yàn)證測(cè)斜儀的測(cè)量精度和可靠性，對(duì)本文研制的鉆孔測(cè)斜儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際工程應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的鉆孔測(cè)斜儀測(cè)量精度較高，穩(wěn)定性好，對(duì)礦井小孔徑鉆孔施工結(jié)果有良好的評(píng)價(jià)能力，可以準(zhǔn)確地反映出實(shí)鉆軌跡結(jié)果，為煤炭安全生產(chǎn)提供了有力的保障。