一種應用于小孔徑的手持式鉆孔測斜儀研制*

李淵

(中國煤炭科工集團 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

在煤礦安全生產中，鉆探方法是針對隱蔽致災因素探查最直接、最有效的一種勘探方法，在煤礦防治煤與瓦斯突出、煤礦防治水方面起著至關重要的作用。如何判斷鉆孔的實際軌跡是否按照設計軌跡進行鉆進，終孔點是否達到預期設計靶點對于鉆探施工來說顯得尤為重要[1]。礦用鉆孔測斜儀是一種測量鉆孔實際鉆進軌跡與鉆孔設計軌跡偏差的測量類儀器，在煤礦鉆探領域得到了廣泛的應用。

現階段煤礦井下瓦斯抽放領域，國內大多采用底抽巷和高抽巷的方式，運用回轉鉆進施工鉆孔，利用存儲式測斜儀測量鉆孔進行測量[2-3]。然而對于大多數瓦斯抽放鉆孔而言，距離較短(50～150 m)，數量較多(單巷道超過1 000個)，施工空間有限，利用鉆機推送的回轉鉆進方式施工較為復雜，手持式鉆孔測斜儀具有操作簡單方便等優點，在市場應用較為廣泛[4-5]。然而在實際使用過程中，特別是針對松軟煤層施工瓦斯抽放孔，若采用目前市場上的大直徑的手持式鉆孔測斜儀對成孔的鉆孔進行測量，往往孔內易發生塌孔現象，造成測量事故。鉆孔成孔后往往通過下放篩管對鉆孔進行護孔操作，防止孔內發生塌孔現象的發生，從而保證瓦斯抽放效果。下放篩管后的鉆孔通常直徑僅為25.4 mm，對于鉆孔的軌跡測量則是一個難題，目前市場上沒有應用于小直徑的鉆孔測斜儀。因此，研制小直徑的鉆孔測斜儀對于瓦斯抽放孔測量，提高瓦斯抽放效率具有重要意義。

1 系統總體設計

1.1 系統目標

為了滿足煤礦井下小直徑鉆孔的測量要求，所設計的鉆孔測斜儀應從以下3個主要方面考慮：

1) 本安防爆。煤礦井下常含有甲烷和其它爆炸性氣體，因此系統必須滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》[6]。煤礦井下裝備的防爆種類主要包括本質安全型、隔爆型、澆封型，同時根據采用防爆的類型，其裝備也必須滿足相應的防爆要求。

2) 尺寸要求。本文適應于小孔徑的瓦斯抽放孔(Φ25.4 mm)，從理論上直徑越小越能滿足鉆孔的測量，但測量電路和電池的直徑又不可能無限制地縮小，因此必須兼容電池容量、工作時間以及電路板的尺寸大小。

3) 測量精度要求。在滿足小孔徑尺寸的要求的情況下，同時系統必須保證鉆孔測斜儀的精度，因此在傳感器的選型方面應全面考慮。

綜合以上3個方面的考慮因素，小孔徑鉆孔測斜儀的主要設計參數如表1所示。

表1 鉆孔測斜儀的主要設計參數

1.2 系統整體設計

依照上節1.1所述的系統目標，本文進行了系統方案的整體設計，系統的整體設計框圖如圖1所示。從圖中可以看出，系統可以分為孔中和孔外顯示兩個部分。孔中部分主要包括本安電源單元、姿態測量單元以及通信傳輸單元。本安電源單元主要功能是利用礦用防爆電池為孔內的探管供電；姿態測量單元主要是用來測量傾角和方位角這兩個主要的鉆孔參數。通信模塊用于將姿態測量模塊采集解算后的數據發送到孔外顯示終端。孔外部分主要是顯示終端，系統采用本質安全型手機一方面設置鉆孔測量的參數，另一方面完成數據的處理。

圖1 系統整體設計框圖

系統測量原理即首先完成孔內探管與本質安全型顯示終端的時間同步;其次將探管推送到鉆孔內，利用推送鉆桿的數量，完成深度的測量，同時在防爆手機上完成傾角和方位角測量，記錄有效的測量點；最終待鉆孔完成測量后，利用防爆手機取出所有有效點的姿態和深度信息，繪制成鉆孔的軌跡。

2 硬件設計

2.1 本安電源設計

鑒于該儀器使用場合和測量時間，在滿足GB 3836.1—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》下，依據GB 3836.4—2010《爆炸性環境第1部分：設備通用要求》，本文選擇了本質安全型防爆設計。本質安全型包含“ia”、“ib”、“ic” 3個保護等級，煤礦井下要求采用“ib”等級，即本質安全型電路在正常工作或一個計數故障發生時不能引起點燃。

本文采用兩級MAX14571電源管理芯片對輸出電流進行限制，經過兩級限壓限流保護，輸出本安電壓、電流驅動后級負載[6]。這種組合方式具有保護電路簡單、功耗小、限壓限流值可精確控制的特點。電源部分的兩級保護電路原理圖如圖2所示。EN端和RIEN端兩個使能端均接至3.3 V高電平，喚醒芯片使其器件工作正常。另外，C1、C2、C3、C4為旁路電容，防止發生瞬間短路時輸入電壓的跌落，以維持器件的穩定工作。系統采用電池供電，本文由于適用于小孔徑的緣故，測斜儀直徑不大于18 mm，所以本文采用直徑14 mm、單節3.7 V/1.4Ah錳酸鋰電池作為系統供電單元，經測試整機工作電流小于20 mA，滿足設計工作要求。

圖2 兩級保護電路原理圖

2.2 姿態測量模塊設計

通常，施工鉆孔的軌跡是用空間的直線或曲線來表示，要得到空間曲線，需要知道鉆孔內相關點的兩個關鍵幾何參數,即傾角、方位角。本文采用姿態測量模塊來獲取這兩個參數[7-9]。

2.2.1 傾角測量

傾角測量一般通過測量X、Y、Z三軸的加速度，利用重力加速度與加速度傳感器的X、Y、Z三軸分量關系, 計算出各軸與重力加速度的夾角, 從而得出系統傾角。傾角計算公式如式1所示，式中，GX，GY，GZ表示加速度傳感器三軸輸出響應[10-11]。本文考慮到小孔徑、低功耗、分辨率高等要求。經過仔細篩選，采用ADI公司的MEMS三軸加速度計ADXL355作為感知地球重力場的加速度計。ADXL355是一款低噪聲漂移、低功耗的3軸加速度計，量程±2～±8 g可選，具有1 Hz～1 kHz可選數字濾波，內置20位高分辨數模轉換器(ADC),同時集成溫度傳感器，功耗不到200 μA，采用SPI模式輸出數字量，同時該加速度計芯片尺寸僅為5.2 mm×5.2 mm×2.05 mm，所占空間較少，抗振動和沖擊能力較強。圖3為該加速度計硬件連接電路，電路簡單，只需要若干個電容就可以完成電路設計，非常方便。

圖3 傾角測量電路

(1)

2.2.2 方位角測量

采用磁傳感器和光纖陀螺是目前方位角測量的兩種主要方式。利用光纖陀螺這種敏感元件來感知地球自轉，配合傾角測量值最終得到方位角[12-13]，不受井下鐵磁性物質干擾，有諸多優點，但是由于本文設計的測斜儀孔內部分直徑只有不到18 mm，目前絕大多數光纖陀螺不能滿足尺寸和功耗要求，所以采用磁性元件來測量地球磁場分量計算方位角成為可行方案[14-15]。按照地球磁場的坐標系的旋轉關系如式2所示：

(2)

式中：BX，BY，BZ分別是地磁場在儀器坐標系下，X軸、Y軸和Z軸上的測量值。B0是在地理坐標下的地磁場的值。

可得方位角表達式，如式(3)所示：

(3)

而磁性元件按照測量原理不同可以分為磁通門式、磁阻式以及磁感式，三者相比較各有優缺點，綜合考慮尺寸和功耗，最終選用PNI公司磁感式傳感器SEN-R65/Z65搭配集成度較高的專用驅動模塊3D MagIC—PNI12927驅動芯片作為測量方位角的敏感元件。其具有低功耗(電流最大0.5 mA)、體積小、傳感器長寬高僅為5.8 mm×3.2 mm×5.6 mm，測量范圍廣(±11Gauss)、溫漂小和價格低等優點。PNI12927驅動的振蕩電路的頻率會隨環境磁場的不同發生變化，通過測量特定個數振蕩周期的時間，就能夠推導出被測磁場的大小。為滿足高速頻率變化的數據采集，本系統采用驅動模塊3D MagIC的標準模式，能夠對3個軸的磁場依次測量，響應時間較短，達到15～30 ms。圖4給出了PNI12927驅動芯片和SEN-R65/Z65的電路連接圖。

圖4 方位角測量電路

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

系統軟件設計包括下位機軟件和上位機軟件兩部分。下位機基于Keil MDK軟件開發平臺，利用C語言編寫下位機程序。下位機程序主要功能是完成姿態測量模塊數據的采集、處理以及與本安手機通信。軟件采用模塊化設計思路，軟件設計流程圖如圖5所示，包括系統初始化，微控制器通讀取姿態測量值，對讀取到的數據進行處理，計算傾角和方位角并存儲，需要時通過WiFi將數據發送給本安手機。

圖5 軟件流程圖

3.2 上位機軟件設計

系統設計的小孔徑鉆孔測斜儀用本安手機作為顯示終端，具有輕便小巧、容易使用等特點。所以上位機的測量軟件采用Android操作系統，該系統是基于Linux平臺的、開源的智能手機操作系統，其具有優秀的人機交互界面，豐富可利用的開發資源。專用軟件APP使用專業安卓軟件開發工具Android Studio進行設計，軟件界面簡潔美觀，通過手機WiFi與測量單元通信后，可實現數據傳輸、檢測、繪圖等功能。測量軟件功能界面如圖6所示，數據上傳界面如圖7所示。

圖6 探管自檢模式

圖7 數據上傳界面

4 實驗室測試和工程樣機

4.1 工程樣機

本文設計研制的適用于小孔徑的鉆孔測斜儀結構如圖8所示，其探管的直徑僅為17 mm，搭配本安型手機作為顯示終端，滿足現階段小孔徑鉆孔測斜的施工技術要求。

圖8 整機結構示意圖

4.2 實驗室測試

為了驗證本文設計的測量精度，使用大連華天精密儀器有限公司生產的精密無磁姿態調校裝置TX-3S作為測試設備。該裝置用LED顯示屏顯示姿態角，三軸姿態角測量精度為±0.001°；兩兩軸正交度≤0.1°；三軸相交度≤1 mm，滿足對鉆孔測斜儀的精度測試要求[16-18]。

圖9為本文設計的鉆孔測斜儀傾角在-90°～90°時的測量誤差，每隔10°測量一個點。顯然，傾角最大測量誤差為±0.19°，能夠滿足測量要求。圖10為本文設計的鉆孔測斜儀方位角在0°～360°時的測量誤差，每隔30°測量一個點。顯然，方位角最大測量誤差為±1.5°，能夠滿足當前礦方對礦用鉆孔測斜儀的測量要求。

圖9 傾角測量誤差

圖10 方位角測量誤差

5 工程應用

為了驗證本文研制的鉆孔測斜儀的可靠性，在淮北某礦1035機巷底抽巷進行了試驗。該巷道位于10煤層底板15.6～25.1 m，10煤層賦存較穩定，煤層厚度1.40～5.90 m，平均4.14 m。工作面整體傾角4°～8°，平均6°。煤層結構較簡單，根據1033風巷實揭，1035機巷底抽巷探查及鉆孔資料綜合分析，該工作面屬于突出危險區。在1035機巷底抽巷每隔4 050 m，垂直于底板巖巷布置一個鉆場，鉆場的尺寸為5.0 m×5.0 m×3.5 m，共施工20個鉆場。條帶預抽鉆孔軸向間距為5 m，列間距為5 m，鉆孔終孔穿過10煤頂板3 m，控制巷道兩幫輪廓線外15 m。其中在22#鉆場使用本文研制的鉆孔測斜儀共施工穿層鉆孔76個，補孔37個，共計113個。利用鉆孔測斜儀采集數據對鉆孔進行三維圖上圖分析,結果如圖11所示。實驗表明，本文研制的鉆孔測斜儀工作可靠，可以作為礦方對抽采效果進行佐證和對補孔進行設計指導。

圖11 鉆孔三維成圖

6 結論

本文設計并研制了一種應用于小孔徑的鉆孔測斜儀，介紹了目前礦用手持式測斜儀的優缺點，并提出了本文的設計目標，重點介紹了系統的整體設計原理，并對系統的硬件和軟件設計進行了詳細論述。為驗證測斜儀的測量精度和可靠性，對本文研制的鉆孔測斜儀進行了實驗室測試和實際工程應用。實驗結果表明，本文研制的鉆孔測斜儀測量精度較高，穩定性好，對礦井小孔徑鉆孔施工結果有良好的評價能力，可以準確地反映出實鉆軌跡結果，為煤炭安全生產提供了有力的保障。