防沖卸壓鉆孔施工鉆桿脫落自動報警系統設計

亞珠

(1.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266000；2.山東交通技師學院 山東 臨沂 276000)

防沖卸壓鉆孔施工鉆桿脫落自動報警系統設計

仲崇濤1郭震1燕明偉1張震1張亞珠1李陽2

(1.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266000；2.山東交通技師學院 山東 臨沂 276000)

在分析鉆孔卸壓施工中鉆桿易脫落問題的基礎上，以超低頻電磁波實現單信道多節點的遠距離無線通信，設計了一種孔內鉆桿脫節自動報警系統，實時顯示鉆桿底部鉆進數據，鉆桿脫節或者斷開時，系統自動報警，避免鉆孔施工鉆進操作的盲目性。

卸壓鉆孔；超低頻電磁波；鉆具參數檢測；鉆桿脫節報警

引言

沖擊地壓積聚區域卸壓鉆孔施工過程中鉆桿在地質環境影響下經常斷裂，退鉆時常有脫節等情況[1]。目前煤礦井下卸壓鉆孔技術不能實時監測孔內鉆桿底部溫度、轉速等參數的變化情況；尤其是在沖擊地壓特別積聚區域卸壓孔孔深較大，鉆進施工過程中孔內真實情況不能及時反饋到地面，鉆具狀況只能憑經驗估計。如果在孔內鉆桿斷裂或脫落情況下繼續施工，將損壞鉆具、鉆桿，發生鉆進事故，嚴重影響卸壓鉆孔施工進度[2-3]。考慮到井下防沖卸壓鉆孔施工鉆具實際應用環境，本文設計了孔內鉆桿脫節自動報警系統，以超低頻電磁波為傳輸媒介實現孔內鉆桿參數信息的無線傳輸；鉆桿脫節斷開時，連接中斷，報警器自動報警[4]。

一、無線數據采集技術的應用

采用無線溫度、轉速采集技術可在卸壓孔鉆進過程中實時監測孔底鉆具的工況并獲取相關數據，利用該數據就可以與孔外鉆具實時工作參數做出準確比較、分析，幫助判斷鉆具工作狀況，為現場施工提供準確可靠的決策依據從而及時采取各種措施，調整鉆進工作程序，提高施工效率。

基于超低頻電磁波實現單信道多節點的遠距離無線通信，基本傳輸原理與CATS類似，能夠利用單級或多級接力傳輸的工作模式，實現遠距離通信。該類電磁隨鉆測量技術是油氣勘探開發試井測試方面的先進技術，現根據本系統的應用要求將其應用在防沖卸壓鉆孔孔內鉆桿脫落自動報警系統中。該技術與國外EXPRO無線遙測(CATS)系統技術水平相當，具有廣闊的開發前景[5]。

二、孔內鉆桿脫落自動報警系統的組成

本系統在鉆頭與鉆桿之間增加一節“類鉆桿”(分兩個短接部)。其上部與鉆桿間增設“上部短接”；下部與鉆頭間增設“下部短接”。另外，在動力頭處添加霍爾轉速傳感器檢測動力頭實時轉速，再加上“地面”解調系統和巷道接收天線就構成了整個孔內鉆桿脫落自動報警系統。

上部短接由調頻發射電路、電源電路組成，下部短接由懸重、扭矩傳感器及其配套電路組成，該電路配合壓頻變換單元電路對兩傳感器信號放大后，篩選、變換成正比于鉆桿底部懸重扭矩的頻率信號，然經相加放大電路處理后送至上部短接調頻并發射。上、下部短接內包含的這兩部分統稱為孔內鉆桿脫落自動報警系統的“發送電路”。

鉆桿底部發射系統發射的數據信號向上傳輸，巷道接收天線和解調系統能夠在巷道上接收到無差異信息，并成功解調成當前時刻的鉆桿底部扭矩和懸重(鉆頭重)數據，從而實現鉆進數據的實時測量。其原理如圖1所示。

圖1 發送電路原理框圖

接收單元電路接收到“發送電路”的信號后，經解調處理還原出與鉆桿底部懸重、扭矩成正比的電壓信號。處理后的電壓信號一方面送至信號儲存模塊記錄儲存，另一方面送至以STM32為核心的轉換顯示單元，直接顯示出鉆桿底部的扭矩。這部分電路統稱為“接收電路”。

三、發送電路

懸重與扭矩信號由專用傳感器產生，該信號是迭加的微弱差模信號。發送電路為隨鉆測量單元，隨鉆環境溫度變化范圍大，會使放大電路出現明顯漂移，如圖2所示，本系統選用的專用精密測量放大器AD524。由于信號處理中壓頻轉換單元需要提供-1.2V偏移電壓，故在AD524引腳6連接一個-1.2V參考電壓。

壓頻轉換選用ICL8038，懸重和扭矩的兩路信號要求頻帶不可過寬，且易分離。設計扭矩從零到最大值，對應的頻率設為4.8—6KHz；懸重從零到最大值，對應的頻率范圍設定為1—1.5KHz。即當懸重為最大值，扭矩達到最小值時，兩信號對應頻率差也會是兩倍以上，不會產生相互干擾，此時信號也較易分離。

圖2 信號放大及壓頻轉換單元電路

下部短接檢測到的懸重與扭矩的頻率信號f懸、f扭經信號放大及壓頻轉換單元相加放大后，送至上部短接中的信號調頻發射單元調制后發射。

四、接收電路

調頻接收及解調由集成電路TDA7021完成。為了保證信號穩定接收，將信號接收單元電路密封于金屬盒內，裝在鉆機工作附近巷道煤壁上。經該單元電路解調出的信號是懸重F懸與扭矩F扭的疊加，將該信號至送高、低通濾波器分離頻率；高通濾波截止頻率預設3.5kHz，低通濾波截止頻率預設1.5kHz。經高、低通濾波分離出的兩信號再整為矩形波送至LM331為核心的頻壓轉換電路。工作時，需要經由電平偏移、放大電路，將懸重、扭矩信號V’懸和V’扭變換成0～±2.5V的V扭和0～2.5V的V懸。

代表懸重、扭矩的兩信號V懸、V扭除作為資料用作存儲記錄外，還應輸送至模數轉換計算處理并送數顯模塊顯示，如圖3所示。數顯部分分別顯示孔內鉆桿實時懸重、扭矩和鉆壓參數。該單元電路中，MREQ和A14、A15端輸出的控制信號決定了74LS138對STM32芯片A11～A13譯碼使能。卸壓鉆孔施工過程中，每次裝卸鉆桿，均需一次系統復位，CPU自動檢測出鉆桿懸重最大值與鉆進過程中測量的實時懸重之差決定其實時鉆壓值并輸出。

圖3 數顯及模數轉換單元電路

五、軟件設計

井下卸壓鉆孔施工時，隨鉆鉆壓、扭矩均會波動，那么實施數顯單元的顯示也會實時跳動。為方便數據讀取，本系統設定兩次數據采集間隔500ms一次，孔內鉆桿脫落自動報警系統主程序如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

六、結論

該系統設計在鉆機動力頭處添加霍爾轉速傳感器，在鉆桿底部與鉆頭之間增加的一節“類鉆桿”，以超低頻電磁波為傳輸媒介，顯示鉆桿底部實時鉆進參數，鉆桿脫節或斷開時，實現自動報警，實現了卸壓鉆孔孔內參數可視化，監測實時化，避免二次鉆孔事故，保護鉆孔設備。

[1]豆旭謙,魏宏超,王林杰,曹建明,石會田. 煤礦井下坑道鉆探常見鉆孔事故分析與處理方法探討[J]. 西部探礦工程,2015,(08):21-23.

[2]陳松林. 鉆桿螺紋失效分析及改進措施研究[D].重慶大學,2008.

[3]王清峰,陳松林. 煤礦用坑道鉆機鉆桿斷裂原因分析及采取的措施[J]. 煤礦機械,2007,(06):148-150.

[4]孫紅雨,王娜,郭銀景,張計芬. 透地通信系統研究進展[J]. 山東科技大學學報(自然科學版),2011,30(03):79-85.

[5]邵養濤,姚愛國,張明光. 電磁波隨鉆遙測技術在鉆井中的應用與發展[J]. 煤田地質與勘探,2007,(03):77-80.

仲崇濤(1992-)，男，漢族，山東滕州人，碩士研究生，從事機電液控制與自動化方向研究。