煤礦用鉆孔可視軌跡儀的研究

史曉帆

（晟泰公司機(jī)電安裝分公司，山西 晉城 048006）

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

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)、探管、測(cè)距儀以及視頻傳輸電纜、信號(hào)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(cè)距儀的主要作用是測(cè)量并記錄探管深入到鉆孔內(nèi)所行走的距離，同時(shí)鉆孔孔壁的具體情況通過(guò)探管內(nèi)置的攝像頭拍攝成圖像，通過(guò)電纜將測(cè)距儀測(cè)量的探管深度和探管拍攝的孔壁圖像視頻發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)將接收到的探管深度信號(hào)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行分析，從而測(cè)算出探管在鉆孔內(nèi)的行進(jìn)位置，并將接收到的探管拍攝的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)圖像進(jìn)行顯示和處理。

主機(jī)不僅可以對(duì)接收到的圖像進(jìn)行處理，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像的顯示，并且對(duì)接收到的圖像進(jìn)行保存。保存后的圖像可以通過(guò)USB 口傳輸?shù)絇C機(jī)上做進(jìn)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(cè)距儀系統(tǒng)

測(cè)距儀與繞線架組成的測(cè)距儀系統(tǒng)通過(guò)航空插頭接入主機(jī)測(cè)距儀端口，以感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器為測(cè)量部件的旋轉(zhuǎn)測(cè)量傳感器為測(cè)距儀的主要結(jié)構(gòu)，用來(lái)記錄探管在鉆孔內(nèi)行進(jìn)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(jì)算分析能力的單片機(jī)和各類(lèi)不同功能的外圍電路組成。其中核心部件為單片機(jī)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集控制；同時(shí)配備了一塊外部存儲(chǔ)芯片，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。鉆孔可視軌跡儀內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)通道，通過(guò)單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道的選擇，被選通的磁力計(jì)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后會(huì)通過(guò)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，然后通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，完成計(jì)數(shù)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采樣的全過(guò)程。探管內(nèi)部設(shè)計(jì)攝像頭，主要對(duì)孔壁的具體情況進(jìn)行拍攝，同時(shí)設(shè)計(jì)一圈LED 發(fā)光二極管進(jìn)行補(bǔ)光，攝像頭拍攝的視頻信號(hào)通過(guò)電纜發(fā)送給主機(jī)。

（3）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)系統(tǒng)

礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)系統(tǒng)包括圖形顯示單元彩色液晶顯示屏、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元及主控制單元；對(duì)外接口系統(tǒng)包括充電斷口、探管斷口、測(cè)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(jī)接收測(cè)距儀傳來(lái)的RS485 信號(hào)和探管傳來(lái)的視頻信號(hào)，計(jì)算探管所在的深度位置，并將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)圖像進(jìn)行顯示和處理。主機(jī)不僅可以對(duì)接收到的圖像進(jìn)行處理，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像的顯示，并且對(duì)接收到的圖像進(jìn)行保存。保存后的圖像可以通過(guò)USB 口傳輸?shù)絇C 機(jī)上做進(jìn)一步分析。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）新型精密鉆孔軌跡測(cè)試儀器探管與主機(jī)的智能化自動(dòng)處理技術(shù)

鉆孔軌跡儀主要由主機(jī)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(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的數(shù)據(jù)測(cè)量；主機(jī)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，通過(guò)測(cè)量鉆桿長(zhǎng)度來(lái)確定每一測(cè)點(diǎn)的孔深，并完成測(cè)量結(jié)果的計(jì)算與顯示。

探管與主機(jī)采用智能化自動(dòng)處理技術(shù)，由探管記錄數(shù)據(jù)并傳輸給主機(jī)，主機(jī)自動(dòng)處理并顯示測(cè)點(diǎn)軌跡，并將各測(cè)點(diǎn)的俯仰角和方位角進(jìn)行自動(dòng)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(yùn)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(duì)儀器的工藝設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)進(jìn)行了改良與提高。采用精湛的工藝設(shè)計(jì)和裝配，防護(hù)等級(jí)達(dá)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(cè)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(jìn)空間。軌跡儀研發(fā)過(guò)程中，在探管內(nèi)部采用高精度電子羅盤(pán)，極大提高了數(shù)據(jù)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。通過(guò)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(jìn)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(zhuān)業(yè)算法，實(shí)現(xiàn)圖像信息及鉆孔軌跡儀信息的自動(dòng)采集和自動(dòng)校正顯示。測(cè)距儀記錄探管在鉆孔內(nèi)行進(jìn)的深度，探管攝取孔壁圖像，并將視頻信號(hào)傳送到主機(jī)，主機(jī)將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)圖像進(jìn)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(shí)，進(jìn)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(tái)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以對(duì)鉆孔軌跡儀采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、鉆孔信息輸入、成圖顯示、保存數(shù)據(jù)及輸出報(bào)告等操作。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

該鉆孔可視軌跡儀在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦進(jìn)行了試驗(yàn)，初次在鳳凰山礦XV3210 巷隨鉆機(jī)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(jī)往里走了30 m，在XV3202 巷隨鉆機(jī)往里走了40 m，在XV3212 巷隨鉆機(jī)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(yǔ)

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(cè)鉆孔方位角及傾角，實(shí)時(shí)直觀地觀測(cè)到鉆孔內(nèi)的各種構(gòu)造，并且對(duì)整個(gè)鉆孔進(jìn)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(bào)廢鉆孔，減少經(jīng)濟(jì)損失，還可以有效探測(cè)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(kāi)展。