白 偉

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715400)

0 引言

井下瓦斯抽采鉆孔是進行煤礦瓦斯抽采的主要途徑，而瓦斯抽采鉆孔在施工過程中往往會受到巖層種類、巖層變化、巖石硬度等多種因素影響，導致實際軌跡與設計發(fā)生偏差[1 -6]。張幼振[7]應用D-S證據(jù)理論對鉆孔軌跡進行預測。王清峰等[8]研發(fā)了基于外部供電的礦用隨鉆測量裝置ZSZ 1000，解決了隨鉆測量裝置探管的電池壽命、信號穩(wěn)定性等方面問題。李克松等[9]研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測量系統(tǒng)，解決瓦斯抽放盲區(qū)問題。雷曉榮[10]研制了多用途鉆孔軌跡測量裝置，適用于隨鉆存儲式測量、鉆機或人工輸送式測量多種測量方式。楊阿蘭[11]提出采用分段積分測量進尺消除累積誤差的孔口鉆桿進尺測量方法。其他學者對鉆孔軌跡及設備進行了研發(fā)與現(xiàn)場試驗[12 -16]。

桑樹坪煤礦目前所使用的軌跡探測儀操作復雜，測量誤差大，嚴重影響鉆孔施工。針對上述問題，需要為該礦設計開發(fā)測量精度高，操作簡便且準確測定鉆孔軌跡的儀器，能夠反映鉆孔內(nèi)部真實運動狀態(tài)，解決可能由于打鉆不到位引起的煤與瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸等一系列棘手的煤礦安全問題，加快瓦斯抽采效果達標進程，保障煤與瓦斯共采又好又快發(fā)展。

1 KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀

1.1 設備組成

智能瓦斯鉆孔校檢儀主要分為孔內(nèi)的測量系統(tǒng)，即測量探管和井上的主機設備。

測量探管由前端探頭和尾部探桿組成，其主要作用是完成鉆桿鉆進過程中的姿態(tài)測量，在MCU的控制下對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理的整合，再按照一定的通信協(xié)議存儲在內(nèi)存中，并通過通信接口發(fā)送給尾部測量探管端。

地面主機操作軟件主要實現(xiàn)輔助隨鉆測量的相關(guān)配置、雙向通信等功能，對前端探頭和尾部探桿接收到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示及結(jié)果輸出，如圖1所示。

圖1 設備組成Fig.1 Equipment composition

1.2 設備工作原理

1.2.1 前端探頭工作原理

測量探管的硬件部分主要由3個部分構(gòu)成，主控模塊、傳感器模塊和功能性輔助芯片。

主控模塊：主控模塊由單片機(Micro Controller Unit，MCU)、存儲器、時鐘和通信接口組成。其中MCU是集成電路芯片，可對芯片進行硬件編程，具有處理單元和存儲單元，同時還可以進行數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)模轉(zhuǎn)換、AD采集等功能，MCU在測量探管中主要控制傳感器的通信，并對測點數(shù)據(jù)進行處理和存儲。主控芯片封裝選型選擇LQFP 32。STC15L2K60S2配置見表1。

表1 STC15L2K60S2配置參數(shù)

傳感器模塊：震動傳感器采用SW-420封裝，如圖2所示。震動傳感器模塊采用防抖動算法，去除測量過程中可能存在的噪聲，通過對閾值的相關(guān)設置，完成對鉆桿當前的運動狀態(tài)進行識別。

圖2 震動傳感器Fig.2 Vibration sensor

功能性輔助芯片：慣性導航系統(tǒng)。慣性導航系統(tǒng)采用JY 901模塊(圖3)。JY 901模塊配備有三軸加速度計、三軸陀螺儀。其對姿態(tài)測量的精度精確到0.01°，工作電壓和傳統(tǒng)的單片機工作相當，并且由于其體積小，能夠很好地安裝在測量探管的電路板上。串口的速率也可以根據(jù)需要進行配置?？赏ㄟ^串口和IIC數(shù)據(jù)接口和主控制器相連接，進行數(shù)據(jù)的通信。數(shù)據(jù)的回傳速率可控，最高回傳速度可以高達到200 Hz，在鉆桿運動狀態(tài)識別中數(shù)據(jù)回傳速率可以達到要求。

圖3 JY 901姿態(tài)測量模塊Fig.3 JY 901 attitude measurement module

時鐘模塊DS1302芯片：DS1302芯片負責隨鉆測量系統(tǒng)中的時間數(shù)據(jù)的測量，主要存儲的數(shù)據(jù)有年、月、日、時、分、秒，在測量的過程中可以測量出更多的時間參數(shù)，可以精確到秒，工作電壓可以和測量探管相適應和匹配，可以選擇72 h或者48 h格式輸出。

1.2.2 尾部探桿工作原理

主控芯片：設備采用的主芯片為S5PV210，該主控制器內(nèi)核采用的三星的Cortex-A8，CPU運行的頻率高達1 GHz，遠遠大于傳統(tǒng)的單片機，芯片處理性能優(yōu)越、功率小，可實現(xiàn)測量探桿的智能控制。

電源模塊：電源采用獨立鋰電池供電，在供電系統(tǒng)中需要加入本安電源保護電路。

通信模塊：隨鉆測量過程中，采用Zigbee是長距離無線電技術(shù)進行尾部測量探管和前端測量探管之間的數(shù)據(jù)通信。Zigbee長距離無線電技術(shù)可以在一定距離范圍內(nèi)實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸，簡化有線傳輸?shù)牟僮鲝碗s度，其通信有效距離可達1 000 m。

2 設備現(xiàn)場試驗

2.1 工程背景

桑樹坪煤礦3319綜放工作面位于南一500 m3瓦斯泵站以北700 m，鑿開河以南350 m處，工作面采用“U”型通風系統(tǒng)，井下位于南一采區(qū)南翼下山，運順內(nèi)錯3110運輸巷40 m，回順內(nèi)錯3110軌道巷5 m，切眼內(nèi)錯3110切眼14 m。

3319綜放工作面煤層瓦斯含量相對涌出量為6.0～10.41 m3/t，3319底板補巷瓦斯治理措施共2種，分為2個區(qū)域執(zhí)行，分別為工作面切眼向上0～800 m范圍執(zhí)行開采保護層區(qū)域和切眼向上800～962 m范圍執(zhí)行穿層鉆孔(水力擴孔工藝)。3319采面切眼向上0～420 m、420～800 m執(zhí)行開采下保護層11號煤層并利用穿層卸壓鉆孔預抽的瓦斯防治措施。

鉆孔按照煤層走向與傾向20 m×20 m布置，控制3319采面工作面全部范圍，上部控制到3號煤聯(lián)巷巷道中心。采面800～962 m范圍為實體煤區(qū)域，該區(qū)域執(zhí)行穿層鉆孔(水力擴孔工藝)控制煤層及其輪廓線的瓦斯防治措施，鉆孔控制輪廓線外不小于15 m，鉆孔終孔間距6 m×6 m，抽采時間不小于4個月，抽采達標時殘余瓦斯含量不大于6 m3/t，施工鉆孔690個，為確保工作面瓦斯符合規(guī)定，礦井在工作面兩順槽施工煤層鉆孔用以強化瓦斯治理，鉆孔排間距4 m，孔深70 m，鉆孔煤厚超過5 m區(qū)域進行補孔。設計施工鉆孔496個，如圖4所示。

圖4 3319工作面頂?shù)装逋咚钩榉畔锎鱼@孔布置示意Fig.4 Layout of cross layer drilling hole in roof and floor gas extraction roadway of 3319 working face

2.2 試驗對比方案

在桑樹坪煤礦3319底板補巷選取一試驗地點對穿層鉆孔與順層鉆孔的軌跡進行跟蹤，并對本設備效果進行分析。桑樹坪煤礦3319底板補巷對比布置方案如圖5所示。

在3319底板補巷選取進行鉆孔軌跡儀對比試驗，試驗采用KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀和桑樹坪煤礦原有的軌跡儀對鉆孔軌跡進復合跟蹤監(jiān)測，在3319底板補巷隨機選取試驗鉆孔數(shù)5個進行監(jiān)測。

3 試驗結(jié)果與分析

選取3-5，4-3，8-6，8-8，10-6號鉆孔為試驗鉆孔，使用KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀與YZG 9.6礦用隨鉆軌跡測量儀進行復合監(jiān)測，鉆孔基本參數(shù)見表2。

圖5 3319底板補巷試驗鉆孔布置Fig.5 Layout of test drilling holes for 3319 floor supplemental roadway

如圖6所示，現(xiàn)場試驗的5組對比孔均鉆進速率正常，打鉆過程中無異常狀況發(fā)生。通過對鉆機過程中2套鉆孔軌跡跟蹤儀的結(jié)果進行統(tǒng)計，并將鉆孔跟蹤儀所測得的數(shù)據(jù)值與實際情況進行對比分析，從而確定設備的可行性。

如圖6所示，YZG 9.6測量精度較差，在3-5、8-6、8-8、10-6號4個鉆孔軌跡，其監(jiān)測結(jié)果與設計相比上下偏差4.60 m、5.43 m、11.82 m、3.66 m，左右偏差4.62 m、6.54 m、10.98 m、6.74 m，4個鉆孔軌開孔傾角和方位角，與現(xiàn)場開孔定位儀所得的結(jié)果偏差極大，3-5號鉆孔傾角和方位角與開孔定位儀的誤差為11.9°和120.4°，8-6號鉆孔誤差為30.5°和110.7°，8-8號鉆孔誤差為22.41°和224°，10-6號鉆孔為23.5°和91.9°。且鉆孔運動軌跡更是不符合實際情況，在鉆孔深度小于50 m，且為穿層鉆孔的情況下，鉆孔軌跡波動較大，8-8鉆孔軌跡更是出現(xiàn)了軌跡斷折的現(xiàn)象。

表2 3319底板補巷穿層鉆孔基本參數(shù)

圖6 鉆孔軌跡示意Fig.6 Schematic diagram of drilling hole trajectory

而KA-NC-1所測得的結(jié)果，傾角與方位角與開孔定位儀所得的結(jié)果偏差較小，所測得軌跡更加真實可靠，為礦方鉆孔施工提供可靠幫助。

基于KA-NC-1所測得的結(jié)果，分別對不同進尺深度下的穿層鉆孔平均偏移量進行了分析，由圖7可知，穿層鉆孔在進尺前25 m時，每5 m進尺深度，鉆孔軌跡的平均偏移距離均在0.3 m以下，且每進尺5 m之間的平均偏移距離變化均小于0.1 m，軌跡偏差不明顯。在進尺深度大于25 m時，軌跡平均偏移量較大，尤其是在25～30 m和30～35 m進尺段軌跡偏移距離變化明顯，分別為0.25 m和0.41 m。穿層鉆孔平均偏移量隨進尺長度變化如圖7所示。

圖7 穿層鉆孔平均偏移量隨進尺長度的變化Fig.7 Variation of average drilling hole offset with footage length

4 結(jié)論

(1)通過對桑樹坪煤礦的軌跡儀對比試驗分析，煤礦上原有YZG 9.6鉆孔軌跡儀所測得5個鉆孔軌跡圖中，4個鉆孔軌跡出現(xiàn)異常，精度與便捷性較差。而KA-NC-1測得5個軌跡結(jié)果均正常，便捷且精度、可靠性較高。

(2)分析對比試驗鉆孔的軌跡監(jiān)測結(jié)果，確定穿層鉆孔在進尺30～35 m距離時，鉆孔實際軌跡與設計軌跡平均偏移量較大，約為0.41 m，而終孔位置在偏移方向上有著明顯規(guī)律性，終孔點位的偏移方向集中為左偏與上偏。