史曉帆

（晟泰公司機電安裝分公司，山西 晉城 048006）

晉能控股煤業(yè)集團鳳凰山礦在工作面采掘過程中經(jīng)常會遇到一些地質(zhì)構(gòu)造，主要使用全液壓鉆機ZDY3200S 或ZDY1200S 施工Φ94 mm 和Φ75 mm鉆孔進行構(gòu)造探測，施工長度最長達150 m。如果鉆探取芯進行構(gòu)造識別，工期太長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，但無芯鉆進，通過返水和巖粉識別構(gòu)造又很容易造成誤斷。鉆孔施工較長時其軌跡與設(shè)計直孔偏差較明顯，無法通過調(diào)整鉆孔傾角對其進行預(yù)先校正，從而確保終孔到達指定位置。為此，需研究一套技術(shù)先進、性能可靠的鉆孔可視化軌跡測量儀[1-6]，對鉆孔的方位、傾角進行精確測量，確保探放水鉆孔按照設(shè)計要求布設(shè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

礦用可視軌跡儀硬件部分，主要包括礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機、探管、測距儀以及視頻傳輸電纜、信號電纜等附件。該系統(tǒng)電氣部分連接圖如圖1。

圖1 電氣部分連接圖

測距儀的主要作用是測量并記錄探管深入到鉆孔內(nèi)所行走的距離，同時鉆孔孔壁的具體情況通過探管內(nèi)置的攝像頭拍攝成圖像，通過電纜將測距儀測量的探管深度和探管拍攝的孔壁圖像視頻發(fā)送給主機，主機將接收到的探管深度信號通過單片機進行分析，從而測算出探管在鉆孔內(nèi)的行進位置，并將接收到的探管拍攝的視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對圖像進行顯示和處理。

主機不僅可以對接收到的圖像進行處理，還可實現(xiàn)實時監(jiān)測圖像的顯示，并且對接收到的圖像進行保存。保存后的圖像可以通過USB 口傳輸?shù)絇C機上做進一步分析。儀器原理框圖如圖2。

圖2 儀器原理框圖

（1）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀測距儀系統(tǒng)

測距儀與繞線架組成的測距儀系統(tǒng)通過航空插頭接入主機測距儀端口，以感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器為測量部件的旋轉(zhuǎn)測量傳感器為測距儀的主要結(jié)構(gòu)，用來記錄探管在鉆孔內(nèi)行進的深度。

（2）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀探管系統(tǒng)

探管系統(tǒng)為鉆孔可視軌跡儀的重要組成部分，它由具有計算分析能力的單片機和各類不同功能的外圍電路組成。其中核心部件為單片機，主要進行數(shù)據(jù)的采集控制；同時配備了一塊外部存儲芯片，主要進行數(shù)據(jù)的存儲。鉆孔可視軌跡儀內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)通道，通過單片機控制開關(guān)進行通道的選擇，被選通的磁力計的電信號經(jīng)過模擬開關(guān)后會通過放大電路進行信號放大，然后通過信號轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。單片機對數(shù)字信號進行分析處理，完成計數(shù)功能，進而實現(xiàn)采樣的全過程。探管內(nèi)部設(shè)計攝像頭，主要對孔壁的具體情況進行拍攝，同時設(shè)計一圈LED 發(fā)光二極管進行補光，攝像頭拍攝的視頻信號通過電纜發(fā)送給主機。

（3）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機系統(tǒng)

礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機系統(tǒng)包括圖形顯示單元彩色液晶顯示屏、數(shù)據(jù)存儲單元及主控制單元；對外接口系統(tǒng)包括充電斷口、探管斷口、測距儀斷口及操作旋鈕；另外還包含一組電池組（4 Ah，12 V）。

礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機接收測距儀傳來的RS485 信號和探管傳來的視頻信號，計算探管所在的深度位置，并將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對圖像進行顯示和處理。主機不僅可以對接收到的圖像進行處理，同時還可實現(xiàn)實時監(jiān)測圖像的顯示，并且對接收到的圖像進行保存。保存后的圖像可以通過USB 口傳輸?shù)絇C 機上做進一步分析。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）新型精密鉆孔軌跡測試儀器探管與主機的智能化自動處理技術(shù)

鉆孔軌跡儀主要由主機部分和探管部分構(gòu)成。探管選用高精度地磁敏感傳感器，實現(xiàn)鉆孔軌跡的數(shù)據(jù)測量；主機部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲，通過測量鉆桿長度來確定每一測點的孔深，并完成測量結(jié)果的計算與顯示。

探管與主機采用智能化自動處理技術(shù)，由探管記錄數(shù)據(jù)并傳輸給主機，主機自動處理并顯示測點軌跡，并將各測點的俯仰角和方位角進行自動顯示。該技術(shù)將大大提高數(shù)據(jù)采集及軌跡成圖的效率。

（2）保證軌跡儀在井下穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)

軌跡儀在煤礦環(huán)境下工作，需要有一定的穩(wěn)定性，研發(fā)中對儀器的工藝設(shè)計和裝配技術(shù)進行了改良與提高。采用精湛的工藝設(shè)計和裝配，防護等級達到IP54，極大地提高了儀器的抗震性能和防水性能，保證了煤礦環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（3）提高軌跡儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及測量精度的關(guān)鍵技術(shù)

以往的軌跡儀采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及精度不高，有很大的改進空間。軌跡儀研發(fā)過程中，在探管內(nèi)部采用高精度電子羅盤，極大提高了數(shù)據(jù)測量精度和穩(wěn)定性。通過提高軌跡儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及精度的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)的系統(tǒng)具備硬件校正和軟件校正功能，進一步保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）可視軌跡儀圖像及軌跡信息采集的高智能性技術(shù)

研發(fā)的可視軌跡儀采用圖像及軌跡信息采集的高智能性技術(shù)，配合專業(yè)算法，實現(xiàn)圖像信息及鉆孔軌跡儀信息的自動采集和自動校正顯示。測距儀記錄探管在鉆孔內(nèi)行進的深度，探管攝取孔壁圖像，并將視頻信號傳送到主機，主機將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對圖像進行顯示和處理。

（5）鉆孔可視軌跡儀數(shù)據(jù)解析軟件相關(guān)技術(shù)研發(fā)

研發(fā)可視軌跡儀的同時，進行了相關(guān)解析軟件的研發(fā)，最終軟件成果為礦用鉆孔可視鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)解析軟件系統(tǒng)。該軟件是一款基于Windows 平臺的數(shù)據(jù)處理軟件，可以對鉆孔軌跡儀采集到的原始數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入、鉆孔信息輸入、成圖顯示、保存數(shù)據(jù)及輸出報告等操作。

3 工業(yè)性試驗

該鉆孔可視軌跡儀在晉能控股煤業(yè)集團鳳凰山礦進行了試驗，初次在鳳凰山礦XV3210 巷隨鉆機往里走了3 m，能清晰觀察鉆孔內(nèi)的構(gòu)造情況，隨后依次在XV3206 巷隨鉆機往里走了30 m，在XV3202 巷隨鉆機往里走了40 m，在XV3212 巷隨鉆機往里走了95 m，均能清晰觀察鉆孔內(nèi)的構(gòu)造情況。

4 結(jié)語

鉆孔可視軌跡儀的使用可查明鉆孔偏斜情況，能有效地探測鉆孔方位角及傾角，實時直觀地觀測到鉆孔內(nèi)的各種構(gòu)造，并且對整個鉆孔進行成像；不僅可以有效避免探陷落柱鉆孔和探放水鉆孔施工報廢鉆孔，減少經(jīng)濟損失，還可以有效探測煤層產(chǎn)狀、厚度等賦存情況，科學(xué)合理地指導(dǎo)并組織生產(chǎn)，保證防治水工作的有效開展。