新型多用钻孔测斜仪的研制及应用

张典荣，李　静，张　佳，刘京科，王霄菲，张桁维，陈　盼

(1.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049)

0　引　言

煤与瓦斯突出一直是煤矿生产的最大隐患，也是世界性煤矿安全治理的难题之一。中国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，为治理煤与瓦斯突出，世界各采煤国均采取了许多措施、进行了多方面的研究。经过长期实践证明，通过采前钻孔预抽瓦斯，降低煤岩层中瓦斯的压力，是防止煤与瓦斯突出直接和较为有效的办法[1-2]。

利用钻孔抽放瓦斯，使钻孔按设计的方向钻进，以到达预期的抽放目的，则成为技术性难题，多用钻孔测斜仪就是为此设计的。在顺煤层受控定向钻探技术的发展中，如何对顺煤层受控钻进状态进行监测，以便保证钻孔顺煤层和设计方向钻进，不仅影响钻探效率，更直接影响煤层瓦斯抽放效果，决定了防止煤与瓦斯突出的可能性和可靠性，具体地说，通过钻进监测，要确定钻孔的轨迹，计算出偏移设计方向的距离，以便确定下一步的防治措施[3-4]。

钻孔测斜技术在钻孔检测、钻孔定向、煤矿安全等方面起着极其重要的作用，常规地面有线测斜仪种类繁多，通常由探管、控制面板和缆车组成，体积大，搬运困难；而煤矿井下超前探测，特别是抽采瓦斯钻孔，由于矿井下钻孔多为水平孔，常规有线测斜仪无法测量，因此进行无缆测斜仪的研究，开发出了相应的仪器[5-6]，系统对顺煤层钻孔在钻进过程中是否顺煤层和沿设计方向进行实时测量，对顺煤层定向钻进提供技术参数，以便保证钻孔顺煤层和沿设计方向钻进；但受过去技术限制，开发出的测斜仪过于笨重，人工上下井携带相当不便，仅能测量水平孔，无法适应现在各种钻孔测量需求[7]；开发出一种小巧、轻便，既能在地面有线测量垂直钻孔，又能在井下无线测量水平钻孔的多用钻孔测斜仪，且测斜仪具有防爆功能，可用于煤矿井下含有甲烷、煤尘爆炸危险场所；同时采用最新优良器件，不仅提高了可靠性和测量精度，同时缩小体积、极大减轻了重量，它具有小型、全空间、有线无线多用等特点，因此新型多用钻孔测斜仪用途十分广泛[8]。

1　测斜基本原理与数值计算方程

1.1　钻孔测斜的基本原理

对于钻孔倾斜可以用倾角(或顶角)和方位角两个参数来确定，如图1所示，用仪器轴线OP与水平面的锐夹角β表示倾斜角，称β为倾角；物体轴线OP在水平面上的投影OP′与地球磁北方向ON顺时针计量的夹角α即为磁方位角；在地球重力场方向(OV)，地球水平面磁北(ON)及磁东(OE)方向组成的三维直角坐标系中，钻孔倾斜参数以重力场和地磁场为参照基准，在建立三维正交的重力和三维正交的磁力坐标系后，以仪器轴线方向为Y轴(即OP方向)建立测量仪器坐标系，通过空间坐标旋转便可唯一地确定钻孔倾斜参数[9-10]。

图1　钻孔倾角和方位角的定义Fig.1　Definition of the borehole inclination and azimuth

1.2　数值计算

重力场和磁场是空间矢量，采用三维正交的重力传感器和磁场传感器可分别确定

(1)

(2)

式中gx，gy，gz，Hx，Hy，Hz分别为3个加速度计对g的响应值和3个磁力计对T的感应值，依据这些响应值，便可确定钻孔的倾斜参数[11-12]。

建立以垂直方向为Z轴、水平面为XOY，Y指向地球磁北、X为磁东向的大地坐标系，设测斜仪的空间位置倾斜的方位角为α，倾角为β，测斜仪本身的旋转角为γ，数值计算如下

1.2.1倾角的计算

因重力垂直向下，当测斜仪沿钻孔倾斜时有

gy=gsinβ

(3)

(4)

式中，顶角θ=90°-β.

考虑到一定地区的重力加速度g为常数，则得到倾角(顶角)的数值计算方程

(5)

1.2.2方位角的计算

设磁场强度在测量仪器坐标系下的测角传感器分量分别为Hx，Hy，Hz，则有

(6)

故有方位角的计算方程为

(7)

2　新型多用钻孔测斜仪设计

2.1　新型多用钻孔测斜仪系统测量原理

新型多用钻孔测斜仪主要由主机和采集单元组成，仪器配有专用充电机，如图2所示。

图2　新型多用钻孔测斜仪系统Fig. 2　System diagram of the new multi-purpose borehole inclinometer

测量原理：工作时，先将主机和采集单元同步，使主机和采集单元同时开始工作，之后将采集单元接到钻杆上(或用钢丝绳连接)送入测量之处进行测量，与采集单元同步工作的主机则记录测点的有效性，测量完成，将采集单元中的数据通讯到主机中，由主机计算并显示出测量结果[13]。

2.2　防爆电源

多用钻孔测斜仪既能在地面有线测量垂直钻孔，又能在煤矿井下含有甲烷、煤尘爆炸等危险场所进行无线钻孔测量，因此仪器必须防爆，仪器电路采用本质安全型防爆设计，采用双稳压双限流电路，使仪器既达到本质安全型要求，又体积小巧。

2.3　采集单元

采集单元的功能是采集倾角和方位角传感器电压信号并存储，并将采集的数据通信给主机。采集电路原理框图如图3所示，处理器选用德州仪器(TI)的MSC1210单片机，它集成了一个增强型8051内核，有8路A/D转换；全双工UART；片内集成32 K字节FLASH；由于具有如此高的模拟和数字集成度，是各种小体积、高集成度仪器仪表的理想选择[14-15]。

倾角测量选用新型MEMS加速度传感器，它体积小、精度高、抗震性能强[10]；方位角传感器选用高集成度、小体积的磁感传感器；采集单元外部须扩展1片存贮器芯片24LC1024用来存放采样数据，加速度计和磁感传感器的电压经单片机的A/D模数转换，将模拟信号变换成数字信号后存储数据，最后再将采集的数据通信给主机[16]。

图3　采集单元电路原理Fig.3　Principle diagram of acquisition unit circuit

2.4　主机单元

主机的主要功能是采集有效数据，并向采集单元发送控制指令，同时对数据进行处理计算，最终显示出测量结果；主机系统采用基于ARM 32位的CortexTM-M3微处理器产品STM32F103，作为最新一代的嵌入式ARM处理器，它具有低成本、低功耗、高性能、高集成度等优点，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统，丰富的片上资源使得STM32F103系列微处理器在多种领域获得了广泛应用。多达51个快速I /O端口； FSMC可以配置成与多数图形LCD控制器的无缝连接；含有丰富的通信接口，3个USART异步串行通信接口和一个USB接口，为实现数据通信提供了保证[17-18]。

主机电路原理框图如图4所示，主要由STM32F103处理器、键盘、显示器、通信电路及本安电源等组成；在主机中，由于STM32F103处理器配置非常丰富[19]，外围电路极为简单，仅配置了4*5行列式键盘、图形液晶显示模块CMJ4*16及通信芯片，便可以完成控制、显示、通信及计算等任务[20-21]。

图4　主机电路原理框图Fig.4　Principle block diagram of host circuit

2.5　新型多用钻孔测斜仪检测试验

首先将探管固定在调试好的标定架上，按给定的自转角、倾角和方位角转动探管进行标定，标定的角度须按一定的间隔覆盖三维全空间，再将采集的数据通过标定软件进行数据处理，计算出该探管的标定参数，最后将标定参数写入主机，从而完成标定过程。

检测仪器时，也须将探管固定在标定架上，按设定的倾角和方位角进行检测，倾角在-90°～+90°之间每隔10°检验一次，方位角分别调至44°，90°，134°，180°，224°，270°，314°进行测量，再将测量的数据通信到计算机，通过检测软件将测量与设定的角度比较、分析，计算出测量的角度误差，对比是否满足仪器精度要求，表1，表2为测斜仪测量精度检测结果。

由精度检测表中可以得出：新型多用钻孔测斜仪在全空间范围内倾角测量最大误差小于0.13°，方位角测量误差小于0.92°，测量精度到达设计要求。

3　新型多用钻孔测斜仪主要技术指标

新型多用钻孔测斜仪主要由测斜仪主机与采集单元组成，适用于地面垂直孔和煤矿井下含有甲烷、煤尘爆炸危险场所的水平孔测斜。

1)工作时间：≥16 h

2)测角范围及精度

倾角：-90°～+90°/±0.15°

方位角：0～360°/±1.5°

3)外型尺寸及重量：

测量单元：φ45×800 mm/5 kg

主机：190×95×44 mm/0.5 kg

表1　测斜仪测量精度检测(倾角)

表2　测斜仪测量精度检测(方位角)

4　应用实例

新型多用钻孔测斜仪因精度高、体积小、操作方便、适用性强，在龙煤矿业集团、郑煤矿业集团、淮南矿业集团等各地获得了广泛应用，应用实例如下。

淮南某矿地质条件复杂，褶皱与断层较发育，曾多次发生煤和瓦斯突出现象，为确保高效抽采，对瓦斯抽放钻孔进行检测[22-23]，保障煤矿安全生产；表3为一钻孔检测结果及数据处理，图5为钻孔三维空间轨迹图。

从测量结果及三维轨迹图形可知，由于煤岩层赋存状况及施工工艺等原因，导致向上钻进的钻孔轨迹偏离设计方向严重，在终孔时实际钻孔轨迹较设计方向偏南14.12 m，偏东6.62 m，向下偏移10.98 m，钻孔偏斜较严重，矿方根据测量结果，及时补打抽采钻孔，避免瓦斯抽放盲区，严防煤与瓦斯突出[24-25]，实现了安全生产。

表3　钻孔测斜结果及数据处理

图5　三维空间轨迹Fig.5　Three-dimensional trajectory

5　结　论

1)采用新型传感器、微型单片机设计的测斜仪系统、体积小，重量轻、携带和操作方便；

2)新算法解决了垂直孔和水平孔的高精度测量问题，实现了全空间高精度测量；

3)系统既能有线测量垂直钻孔，又能无线测量水平钻孔，且仪器具有防爆性能，适用于各种钻孔测斜。

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