基于無線傳輸策略的松軟煤層鉆孔測(cè)斜儀

秦 怡

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400037）

鑒于松軟煤層瓦斯[1-3]壓力大、地形復(fù)雜、透氣性差等自然因數(shù)，加上操作人員經(jīng)驗(yàn)不足、鉆具自重等人為和設(shè)備因數(shù)，導(dǎo)致煤層中鉆孔不均勻，進(jìn)而帶來瓦斯抽放效率低。而中小型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)由于體積小、易拆卸、方便運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在短距離、施工空間有限等方面較水平定向千米鉆機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上，普遍存在測(cè)斜儀都是基于有線策略實(shí)現(xiàn)電腦、同步機(jī)和探管之間的數(shù)據(jù)傳輸和繪制，該方法存在線纜成本高、接口處工藝復(fù)雜等問題。

研究了兼?zhèn)浜Y管下放工藝的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備，當(dāng)松軟煤層鉆孔分布過疏時(shí)，就采取補(bǔ)鉆孔措施，進(jìn)而提高瓦斯抽放效率，消除煤層瓦斯抽放盲區(qū)，對(duì)相鄰鉆孔的設(shè)計(jì)和布置進(jìn)行理論指導(dǎo)。同時(shí)，采用無線藍(lán)牙傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)測(cè)斜儀和同步機(jī)之間的通訊，該技術(shù)可以有效解決通訊接口受煤渣煤灰?guī)矶氯?、通訊不可靠等問題，同時(shí)具有便于攜帶、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)勢(shì)。

1 存儲(chǔ)測(cè)斜儀總體方案

1.1 隨鉆測(cè)量技術(shù)

鉆孔空間軌跡[4-5]最重要的2個(gè)參數(shù)為方位角和傾角，這2個(gè)角的方位決定了鉆孔軌跡空間姿態(tài)。為實(shí)時(shí)測(cè)量水平定向鉆孔軌跡信息，就必須將磁強(qiáng)計(jì)和三軸式重力加速度計(jì)裝入無磁鉆桿內(nèi)部，通過這2個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，就可以完成定向鉆孔實(shí)時(shí)軌跡信息的測(cè)量。

定向鉆孔軌跡姿態(tài)如圖1，空間中曲線為實(shí)時(shí)鉆孔軌跡，O與Oz代表鉆孔點(diǎn)和垂直指向地面方向。曲線任意2點(diǎn)和在水平面的投影為M’和P’。軸和鉆孔當(dāng)前點(diǎn)切線在水平面投影之間的夾角，則被稱為方位角φ，φ代表鉆具在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡方向；鉆具的軸線與水平面之間的夾角，則被稱為傾角φ，φ代表被測(cè)鉆孔偏離水平面的傾斜程度。

圖1 定向鉆孔軌跡姿態(tài)

坐標(biāo)系旋如圖2，根據(jù)歐拉定理和地理坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)理論，探管電路傳感器單元能夠?qū)崟r(shí)測(cè)得的三維正交磁強(qiáng)計(jì)和重力加速度計(jì)的矢量值。為方便計(jì)算，將探管的軸線方向定義為y軸，以O(shè)y方向建立鉆具空間姿態(tài)坐標(biāo)系xyz。將地理坐標(biāo)系UNE，經(jīng)過一系列等價(jià)旋轉(zhuǎn)變換到xyz坐標(biāo)系，變換過程中，所需的旋轉(zhuǎn)角度就是鉆具當(dāng)前空間姿態(tài)角度。

圖2 坐標(biāo)系旋

初始狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系xyz和UNE重合，軸x對(duì)應(yīng)軸U，軸y對(duì)應(yīng)E，軸N和軸z對(duì)應(yīng)軸。坐標(biāo)系UNE經(jīng)過旋轉(zhuǎn)角φ、旋轉(zhuǎn)角φ和旋轉(zhuǎn)角γ角，就可以得到鉆具當(dāng)前的坐標(biāo)系xyz。其中旋轉(zhuǎn)角φ、旋轉(zhuǎn)角φ和旋轉(zhuǎn)角γ角分別代表方位角φ、傾角φ和工具面角γ。

軸E繞著軸U旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為φ，旋轉(zhuǎn)變換矩陣為 Rφ，如式（1），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系為x1y1U。

坐標(biāo)系為x1y1U繞x1旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為φ，旋轉(zhuǎn)變換矩陣為 Rφ，如式（2），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系為 x1yz1。

坐標(biāo)系為x1yz1繞y1旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為γ，旋轉(zhuǎn)變換矩陣為 Rγ，如式（3），旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系為xyz。

綜上，按照一定的旋轉(zhuǎn)次序，可以實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)坐標(biāo)系xyz和地理坐標(biāo)系UNE的變換，變換矩陣為Rbl，Rbl=RφRφRγ。探管中加速度傳感器和磁強(qiáng)計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)得的值分別為 gx、gy、gz和 Bx、By、Bz。根據(jù)坐標(biāo)變換和矩陣方程組[6]，可以得到傾角和方位角，分別為式（4）和式（5）。

式中：g0為當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹怠?/p>

1.2 篩管下放結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）探管結(jié)構(gòu)改進(jìn)。采用微小加速度計(jì)芯片與磁強(qiáng)計(jì)芯片，將探管外徑縮小為20 mm。

2）探管供電改進(jìn)。電池采用穩(wěn)定性好的可充電鎳氫電池組，同時(shí)增加減震環(huán)。

3）傳輸接口改進(jìn)。采用無線傳輸模式，省去連接線纜和接口工藝處理。

無磁鉆桿內(nèi)部剖面圖如圖3，探管直徑20 mm，長度為692 mm，這樣可使篩管在鉆桿內(nèi)下放的空間足夠大。探管固定架是大于鉆桿內(nèi)徑半圓的月牙型槽，能夠使探管固定架在鉆桿內(nèi)固定卡死，同時(shí)也避免了對(duì)篩管下放工藝造成過多的干涉影響。

圖3 無磁鉆桿內(nèi)部剖面圖

2 無線傳輸軟件流程

手持式終端為一款自制防爆手機(jī)，該手機(jī)自帶藍(lán)牙接受模塊，并配備相應(yīng)的藍(lán)牙測(cè)斜儀系統(tǒng)APP開發(fā)軟件，可在井下查看實(shí)時(shí)鉆孔軌跡等信息，又可將其帶回地面進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸和分析[7-9]，探管軟件流程如圖4。

圖4 探管軟件流程

1）狀體開關(guān)切換。主要用于探管狀態(tài)模式的切換,包含2種模式：命令模式和測(cè)量模式。命令模式是探管工作完畢取出時(shí)，開關(guān)切換于命令模式，此時(shí)手持終端開機(jī)，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳送；測(cè)量模式是探管進(jìn)入測(cè)量工作時(shí)，開關(guān)切換于測(cè)量模式。

2）波特率設(shè)置。設(shè)置探管中的單片機(jī)串口波特率與藍(lán)牙模塊的波特率保持一致。波特率配置好后，對(duì)藍(lán)牙模塊系統(tǒng)進(jìn)行斷電、復(fù)位。此時(shí)“控制主程序”進(jìn)入啟動(dòng)、待命狀態(tài)，和終端保持實(shí)時(shí)通訊。

3）從手持終端發(fā)出的數(shù)據(jù)被單片機(jī)接收到后，單片機(jī)按照電池電量信息、系統(tǒng)時(shí)間、文件等測(cè)量信息，按照對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式分別進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，并將信息返回到終端手持設(shè)備上。同時(shí)，單片機(jī)上內(nèi)存裝置實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)發(fā)給手持終端設(shè)備的信息，以保證手持終端設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，仍能記錄數(shù)據(jù)傳輸歷史。

4）單片機(jī)執(zhí)行Ymodem文件傳輸協(xié)議，將獲取的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)，最終寫入存儲(chǔ)介質(zhì)，本次通訊結(jié)束，單片機(jī)退出Ymodem文件傳輸協(xié)議的函數(shù)。

5）當(dāng)單片機(jī)跳出Ymodem文件傳輸協(xié)議的函數(shù)后，進(jìn)入主循環(huán)函數(shù)。手持終端仍然會(huì)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，單片機(jī)也會(huì)按照電池電量信息、系統(tǒng)時(shí)間、文件等測(cè)量信息，按照對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式分別進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，并將信息返回到終端手持設(shè)備上。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

研制的測(cè)斜儀裝置[10-11]主要由手持終端設(shè)備、螺旋凹槽無磁鉆桿、微小型探管等主要部件組成。操作人員將探管帶回井上并可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。通過藍(lán)牙設(shè)備來獲取儲(chǔ)存大量鉆孔數(shù)據(jù)信息，便于分析、處理和改進(jìn)不足。

為驗(yàn)證隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和有效性，選擇淮南礦業(yè)有限責(zé)任公司張集礦北區(qū)作為試驗(yàn)場(chǎng)所,篩管下放操作流程如圖5，經(jīng)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、實(shí)鉆軌跡平滑，篩管下放過程流暢，數(shù)據(jù)報(bào)告自動(dòng)生成，數(shù)據(jù)精度高，測(cè)量鉆孔據(jù)傾角數(shù)據(jù)見表1,測(cè)量鉆孔據(jù)方位角數(shù)據(jù)見表2。

圖5 篩管下放操作流程

表1 傾角數(shù)據(jù)

表2 方位角數(shù)據(jù)

由表1和表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，3#鉆孔、4#鉆孔、5#鉆孔、6#鉆孔的設(shè)計(jì)孔深和實(shí)際測(cè)得孔深基本保持一致(鉆孔隨鉆軌跡圖略)。由手持式終端無線測(cè)得5#鉆孔的數(shù)據(jù)得到的鉆孔隨鉆軌跡(圖略)可知，由于松軟煤層地質(zhì)特殊和鉆桿自重因數(shù)的影響，實(shí)際鉆孔軌跡和理論設(shè)計(jì)軌跡，在一定深度下，會(huì)存在較大的偏差，這時(shí)候便需要采取補(bǔ)鉆措施。

4 結(jié)語

基于無線傳輸策略的測(cè)斜儀裝置，有效解決了松軟煤層中由于篩管下放工藝導(dǎo)致的鉆孔盲打、漏打、鉆孔分布稀疏等問題，極大地降低了瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，省去了連接線纜，節(jié)約成本，接口工藝得到有效地加強(qiáng)。試驗(yàn)證明了基于無線傳輸策略測(cè)量?jī)x具有很高的工作穩(wěn)定性和較強(qiáng)的可靠性。