礦用隨鉆軌跡測量裝置的設(shè)計(jì)

天地（常州）自動化股份有限公司 單成偉

引言

目前我國煤礦井下的鉆孔大多采用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)施工，存在施工精度低、鉆孔軌跡不可控、鉆孔深度小、無效進(jìn)尺多、鉆孔利用率低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致單孔瓦斯抽采效率低、鉆進(jìn)工作量大、采掘成本高，無法適應(yīng)高效綜采技術(shù)要求[1]。鉆孔軌跡的隨鉆定向測量是進(jìn)行導(dǎo)向孔施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對鉆孔軌跡的精確控制，保證鉆孔軌跡在目的層中的有效延伸，并可進(jìn)行分支孔施工，具有鉆進(jìn)效率高、一孔多用，集中抽采等優(yōu)點(diǎn)，增加了煤層瓦斯有效抽采距離，目前已成為國內(nèi)外瓦斯高效抽采的主要技術(shù)途徑，并逐漸開始應(yīng)用到地質(zhì)構(gòu)造探測和探放水等領(lǐng)域。

針對定向鉆進(jìn)的極大優(yōu)勢及鉆探施工對測量精度的要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于三軸加速度計(jì)和磁阻傳感器的隨鉆軌跡測量裝置。該裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測傾角、方位角、工具面向角等位置信息，實(shí)現(xiàn)對鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)測量和糾偏，能有效提高鉆井效率，避免井下事故的發(fā)生。

1 裝置組成及設(shè)計(jì)要求

隨鉆軌跡測量裝置主要由孔口計(jì)算機(jī)、測量短節(jié)、供電電池筒及裝置測量軟件組成，如圖1所示。該裝置通過供電電池筒給測量短節(jié)提供本安電源，測量短節(jié)將實(shí)時(shí)采集的姿態(tài)信息包括傾角、方位角、工具面向角發(fā)送給孔口計(jì)算機(jī)。

圖1 隨鉆測量裝置組成

裝置主要測量精度要求如表一所示：

表一

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 測量短節(jié)設(shè)計(jì)

測量短節(jié)由MCU芯片、傳感器模塊、通訊電路、本安電源等組成，如圖2所示。

圖2 測量短節(jié)硬件組成

運(yùn)算模塊是以MKL15Z12VLH4單片機(jī)為核心的最小運(yùn)算系統(tǒng)，其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，同時(shí)，由于其功耗較低，考慮到要計(jì)算得到傾角、方位角及工具面向角可能涉及到較為復(fù)雜的運(yùn)算，且具有一定實(shí)時(shí)性要求，因此將其作為測量短節(jié)控制核心。

傳感器模塊由磁阻傳感器、三軸加速度計(jì)以及溫度傳感器組成。為了實(shí)現(xiàn)裝置的小型化、高精度以及低功耗，采取AMR技術(shù)生產(chǎn)的HMC2003。它是一種用于測量低磁場強(qiáng)度的三軸磁性傳感器混合電路組件，可檢測到40μG的磁場強(qiáng)度，能實(shí)現(xiàn)寬范圍的地磁測量，適用于強(qiáng)磁場地質(zhì)環(huán)境[2]。測量短節(jié)采用3個(gè)石英撓性加速度傳感器測量地球重力加速度，具有線性度高，溫漂小、重復(fù)性好、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。

通信模塊負(fù)責(zé)測量短節(jié)與孔口計(jì)算機(jī)的相互通訊。測量短節(jié)與孔口計(jì)算機(jī)之間的通信距離最長可達(dá)1500m，且為單串行總線。為保證信號不失真且支持長距離，采用曼徹斯特編碼傳輸。由于信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)是單線的，不能全雙工通信，所以增加方向控制，如圖3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 通信模塊整體設(shè)計(jì)

2.2 測量軟件設(shè)計(jì)

測量軟件主要用于對測量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、顯示、鉆孔軌跡繪制、存儲及導(dǎo)出等功能，測量短節(jié)獲取鉆孔軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)[3]，獲取測點(diǎn)數(shù)據(jù)包含傾角、方位角、工具面向角、電池電壓、溫度等信息，通過時(shí)間比對篩選，得到鉆孔軌跡數(shù)據(jù)以及設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)信息。測量軟件按照功能模塊可分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)報(bào)告等，如圖4所示。

圖4 測試軟件功能模塊

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)在室溫空曠環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)平臺選用JJG-2測斜儀和ZZQ-1自轉(zhuǎn)器組成的無磁轉(zhuǎn)臺。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。表中的Gx、Gy、Gz是經(jīng)過慣性組件標(biāo)定算法[4]校準(zhǔn)后得到的三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)，單位為9.8*m/s2（g）；Bx、By、Bz是經(jīng)過橢圓擬合算法[5]校準(zhǔn)后得到的磁阻傳感器數(shù)據(jù)，單位為79.58*A/m（Gauss）。，，為測量偏差值。

4 結(jié)語

針對隨鉆測量在定向鉆進(jìn)中的巨大優(yōu)勢，提出了基于三軸加速度計(jì)和磁阻傳感器的隨鉆測量裝置的設(shè)計(jì)方案，通過實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證，該方案能達(dá)到預(yù)期精度目標(biāo)，但在重合度以及穩(wěn)定性方面還有待加強(qiáng)，后續(xù)值得進(jìn)一步研究并推廣試用。

[1]石智軍,董書寧,姚寧平,等.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013(3):53-57.

[2]謝子殿,朱秀.基于磁通門與重力加速度傳感器的鉆進(jìn)測斜儀[J].傳感器技術(shù),2003,23(7):30-33.

[3]黃麟森,張先韜.回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)隨鉆測量裝置數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)[J].工礦自動化,2015,41(7):112-114.

[4]劉錫祥,徐曉蘇.慣性測量組件整體標(biāo)定技術(shù)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2009,17(5):568-571.

[5]朱建良,王興全,等.基于橢球曲面擬合的三維磁羅盤誤差補(bǔ)償算法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2012,20(5):562-566.