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        一種應(yīng)用于小孔徑的手持式鉆孔測斜儀研制*

        2021-10-16 07:25:10李淵
        煤礦機(jī)電 2021年4期
        關(guān)鍵詞:方位角孔徑傾角

        李淵

        (中國煤炭科工集團(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)于鉆探施工來說顯得尤為重要[1]。礦用鉆孔測斜儀是一種測量鉆孔實(shí)際鉆進(jìn)軌跡與鉆孔設(shè)計(jì)軌跡偏差的測量類儀器,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)式測斜儀測量鉆孔進(jìn)行測量[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,手持式鉆孔測斜儀具有操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn),在市場應(yīng)用較為廣泛[4-5]。然而在實(shí)際使用過程中,特別是針對(duì)松軟煤層施工瓦斯抽放孔,若采用目前市場上的大直徑的手持式鉆孔測斜儀對(duì)成孔的鉆孔進(jìn)行測量,往往孔內(nèi)易發(fā)生塌孔現(xiàn)象,造成測量事故。鉆孔成孔后往往通過下放篩管對(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)于鉆孔的軌跡測量則是一個(gè)難題,目前市場上沒有應(yīng)用于小直徑的鉆孔測斜儀。因此,研制小直徑的鉆孔測斜儀對(duì)于瓦斯抽放孔測量,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)

        為了滿足煤礦井下小直徑鉆孔的測量要求,所設(shè)計(jì)的鉆孔測斜儀應(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)采用防爆的類型,其裝備也必須滿足相應(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足鉆孔的測量,但測量電路和電池的直徑又不可能無限制地縮小,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) 測量精度要求。在滿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,小孔徑鉆孔測斜儀的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1 鉆孔測斜儀的主要設(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。孔中部分主要包括本安電源單元、姿態(tài)測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)測量單元主要是用來測量傾角和方位角這兩個(gè)主要的鉆孔參數(shù)。通信模塊用于將姿態(tài)測量模塊采集解算后的數(shù)據(jù)發(fā)送到孔外顯示終端。孔外部分主要是顯示終端,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,完成深度的測量,同時(shí)在防爆手機(jī)上完成傾角和方位角測量,記錄有效的測量點(diǎn);最終待鉆孔完成測量后,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)

        鑒于該儀器使用場合和測量時(shí)間,在滿足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)測試整機(jī)工作電流小于20 mA,滿足設(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)測量模塊來獲取這兩個(gè)參數(shù)[7-9]。

        2.2.1 傾角測量

        傾角測量一般通過測量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 傾角測量電路

        (1)

        2.2.2 方位角測量

        采用磁傳感器和光纖陀螺是目前方位角測量的兩種主要方式。利用光纖陀螺這種敏感元件來感知地球自轉(zhuǎn),配合傾角測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)光纖陀螺不能滿足尺寸和功耗要求,所以采用磁性元件來測量地球磁場分量計(jì)算方位角成為可行方案[14-15]。按照地球磁場的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系如式2所示:

        (2)

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

        可得方位角表達(dá)式,如式(3)所示:

        (3)

        而磁性元件按照測量原理不同可以分為磁通門式、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用驅(qū)動(dòng)模塊3D MagIC—PNI12927驅(qū)動(dòng)芯片作為測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、傳感器長寬高僅為5.8 mm×3.2 mm×5.6 mm,測量范圍廣(±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)境磁場的不同發(fā)生變化,通過測量特定個(gè)數(shù)振蕩周期的時(shí)間,就能夠推導(dǎo)出被測磁場的大小。為滿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)軸的磁場依次測量,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軟件開發(fā)平臺(tái),利用C語言編寫下位機(jī)程序。下位機(jī)程序主要功能是完成姿態(tài)測量模塊數(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)的測量軟件采用Android操作系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于Linux平臺(tái)的、開源的智能手機(jī)操作系統(tǒng),其具有優(yōu)秀的人機(jī)交互界面,豐富可利用的開發(fā)資源。專用軟件APP使用專業(yè)安卓軟件開發(fā)工具Android Studio進(jìn)行設(shè)計(jì),軟件界面簡潔美觀,通過手機(jī)WiFi與測量單元通信后,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、檢測、繪圖等功能。測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,滿足現(xiàn)階段小孔徑鉆孔測斜的施工技術(shù)要求。

        圖8 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

        4.2 實(shí)驗(yàn)室測試

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

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

        圖9 傾角測量誤差

        圖10 方位角測量誤差

        5 工程應(yīng)用

        為了驗(yàn)證本文研制的鉆孔測斜儀的可靠性,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,鉆場的尺寸為5.0 m×5.0 m×3.5 m,共施工20個(gè)鉆場。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10煤頂板3 m,控制巷道兩幫輪廓線外15 m。其中在22#鉆場使用本文研制的鉆孔測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斜儀,介紹了目前礦用手持式測斜儀的優(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)證測斜儀的測量精度和可靠性,對(duì)本文研制的鉆孔測斜儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際工程應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文研制的鉆孔測斜儀測量精度較高,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。

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