定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统框架设计

申朝阳

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

煤与瓦斯突出防治、煤层突出危险性鉴定及预测、瓦斯抽采及消突效果评价等活动的进行都离不开高效、精确测量煤层瓦斯压力。目前瓦斯压力测定方法主要是在巷道向煤层打钻孔，并进行封孔形成密闭测压室，最后测定密闭测压室内瓦斯压力大小。远距离原位测定瓦斯压力是当前迫切需要解决的问题，在煤与瓦斯突出危险性鉴定时这一问题更加突出：《防治煤与瓦斯突出细则》规定不鉴定煤层突出危险性又不允许在未鉴定区域掘进煤巷，有些省甚至不允许在未鉴定区域掘进岩巷，导致突出危险性鉴定与掘进测压专用巷道成为死循环。故而迫切需要一套既不用掘进测压专用巷道又能方便、快捷、经济的远距离原位测定瓦斯压力系统。

目前，钻井术技术展迅速，千米定向钻机在煤矿逐渐普及，在多个煤矿得到了实际应用，并为煤矿创造良好的经济效益。井下通信技术的快速发展，井下模拟载波通信产品从传统的电子管到晶体管、再发展到集成电路，产品已经更换了几代，并且模拟载波也在向数字载波通信方向发展，使得载波通信的传输质量进一步改善。

鉴于上述情况，针对难以实现远距离原位测定瓦斯压力的问题，基于定向钻机并结合通信、传感技术，本文开展了定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统框架设计研究，以需求分析为着手点，研究瓦斯压力测定探管的PCB设计、结构设计、工业设计的核心内容；系统以通信电缆为传输媒介，研究信号传输方式，研究孔口监视器的软硬件升级改造总体方案。系统集瓦斯压力数据采集、传输、处理、还原于一体，可以实现对某一区域瓦斯赋存规律的判断，为是否需要采取煤与瓦斯突出防治措施提供依据，可为日后的工程装备制造提供理论指导，为实现远距离原位测定瓦斯压力奠定基础。

1 国内外研究现状

1.1 瓦斯传感测压装置的发展和应用现状

目前，对瓦斯传感器的研究已显示出快速增长的趋势，现代煤矿安全生产中瓦斯传感器能够实时监测巷道中瓦斯参数，为煤矿高效安全运转提供有力支撑。

章清等设计了一款基于单片机的能动态监测、实时显示、储存瓦斯压力数据并可将数据上传监控系统的智能化瓦斯压力测定仪[1]。宋广东等设计了一种基于薄壁圆筒结构并具有温度补偿的新型光纤光栅瓦斯压力传感器，该传感器避免了温度因素的干扰，提高了结果的准确性[2]。张登攀等为了降低因误差等因素造成的影响并利于多点分布测量提出一种基于弹性膜片的光纤光栅瓦斯压力传感器设计方案[3]。苏子康等以51单片机为核心开发了瓦斯突出应急处理系统并讨论瓦斯涌出及突出预测中瓦斯传感器与压力传感器配合应用的作用[4]。魏世明等在光纤光栅传感原理的基础上设计实现了一种基于圆柱结构的只感受支承压力变化的传感器[5]。

1.2 随钻测量技术及其发展现状

表1 国内外随钻测量技术发展一览[6-18]

周策，陈文俊提出了一种既可满足传输并存储数据需求又可优化因电缆而造成的通信问题的存储式连续测斜仪[19]。单片机因其能满足实现测量仪器体积更小、更方便携带、更容易上手操控的需求使其成为测控系统的首选最佳平台[20]。因存储式测量方法需要在钻机停止状态时才能使用且大多数测量仪器需要二次下钻后才能进行测量工作，无形当中使测量时间和复杂度都提升了[21]。钻孔轨迹绘制受井下恶劣条件、电磁干扰及传感器自身因素影响较大，并且随着需求的进一步多样化、规范化使得对仪器的精度和稳定性要求日趋严格[22]。

1.3 信号远距离传输技术的发展和应用现状

李涛等介绍了一种基于CAN技术既可解决远距离信号传输也可提升系统可靠、实时、灵活性的方案[23]。王华东通过供电方式、电缆直径、供电电压等方面进行计算解释，最终确定满足远距离传输需求的传感器数量[24]。李艳娟等为提高远距离传输可靠性提出一种在转位机构上处理数据后再发送至控制盒的改进设计方案[25]。赵哲谦等通过瓦斯传感器、RS485总线及以太网等技术手段设计了一套千米钻场瓦斯监控系统并实现数据远距离传输[26]。

从以上可以看出，对于瓦斯传感测压装置而言集中在新型瓦斯传感器的研制、测压装置与常规钻具连接进行原位测量的方式研究上；对于随钻测量技术而言国内外均研发出了有线和无线传输的随钻测量系统能够对测量的数据实时传输并可以对数据进行显示、存储；对于信号远距离传输技术而言集中在使用CAN总线通信协议和RS485总线通信协议通过电缆进行信号的远距离传输研究。

综上所述前人对瓦斯传感测压、随钻测量技术、信号远距离传输技术进行了大量研究，但没有将定向钻机与瓦斯压力测定有机结合的相关研究。本文在已有研究的基础上，开展定向钻孔内置瓦斯压力测试系统设计，可解决超远距离(数百米)煤层瓦斯压力快速高效原位测定的问题，可为全国类似条件下的瓦斯治理提供参考。

2 需求分析

2.1 瓦斯压力传感器需求

(1) 实际需求：所适用的压力传感器将使用在煤矿井下深孔钻孔(钻孔孔深≥100 m)之中，用来测量煤层瓦斯压力，单点单路采集数据；

尺寸大小：根据实际情况配套使用外径73 mm，内径53 mm的钻杆，钻杆内测量仪器应分为两部分，靠近孔口部分为通信测量探管，主控模块、载波变换模块、测斜模块、电源模块及通信模块安装在通信测量探管中用以完成与上位机的数据通信、钻孔轨迹测量以及AD采样；靠近孔底部分为瓦斯压力探管，其中只有瓦斯压力传感器用以完成瓦斯压力参数的测量。两部分通过多芯连接器进行电气连接。探管底端应留有测试孔底气体压力的传感气孔，由底端支撑密封环实现探管的支撑和压力腔体的密封。

防爆标准：ExibI，本安防爆I类(煤矿)；

量程：0～2.0 MPa。

(2) 装置连接：瓦斯压力传感器能够搭载在煤矿千米定向钻机的中心通缆钻杆之上，能安全可靠的测定采集钻孔内的瓦斯压力数据，由中心通缆钻杆对传感器进行电源和数据传输，由孔口监视器提供电源并且显示并保存压力传感器所提供的数据。

2.2 探管设计需求

(1) 功能需求：钻孔瓦斯压力测量探管负责采集钻头姿态参数和钻孔内瓦斯压力数据并上传矿用防爆计算机。其中探管测斜功能的工作流程与现有探管相同，采用现有轨迹测量软件；探管压力测量功能的工作过程，主要由上位机软件控制，在接收到上位机测量信号后，即时采集压力传感器模拟信号转化为数字信号上传，再等待下一次测量信号。

(2) 结构需求：探管与现有探管结构类似，安装在无磁外管内部。为确保孔内瓦斯不能从无磁外管内部泄露，必须将探管与无磁外管之间的环空进行密封；由于气体压力传感器的气体接触端面向孔底，为避免孔内煤渣封住或破坏接触薄膜需设计保护结构；外管前端需有替代钻头的结构，既便于二次下钻又便于不通水情况保护气体压力传感器有效与孔底瓦斯相通测量孔底瓦斯压力。

2.3 通信系统设计需求

(1) 探管部分：在接收到上位机测定瓦斯压力指令后，探管中的软件和控制电路系统能够准确能够将瓦斯压力传感器输出的模拟信号转化为数字信号，并能对采集到的信号进行放大、处理，通过载波变换将探管中控制电路的输出信号加载到通信电缆上进行传输，最终实现稳定、准确、可靠地将信号远距离传输到孔口监视器。

(2) 通信电缆部分：通缆钻杆能够进行数据传输，是因其内部有一根通信电缆，可以进行电源和信号传输；利用原来的传输系统传输煤层瓦斯压力数据，选用合适的电气连接方式、通信协议标准及变送器进行信号远距离传输，保证传输信号的稳定性、可靠性。

(3) 上位机部分：为实现钻孔瓦斯压力测量的功能，上位机的主程序需要增加瓦斯压力测定模块，可设置定时向探管发送压力测量命令并接收、存储和显示压力测量数据，采用Win10操作系统，通过串口方式与底层系统通信。

3 探管设计纲要

3.1 结构设计

装置结构如图1所示。靠近孔口部分为封孔钻杆，靠近孔底部分为测量仪器。封孔钻杆和测量仪器外管通过螺纹连接，电气信号通过通缆接头连接。封孔钻杆上端通过通缆接头和通缆钻杆连接。

图1 探管结构连接示意图

仪器由两部分组成，上端部分为通信测量探管，完成与孔口计算机的数据通信和钻孔轨迹测量；下端部分为瓦斯测量探管，完成封孔与瓦斯参数的测量。两部分探管共用一个外壳，两部分探管通过多芯连接器进行电气连接。

探管由固定环辅助居中安装在外管中间。探管底端留有测试孔底气体压力的传感气孔，由底端支撑密封环实现探管的支撑和压力腔体的密封。

3.2 探管PCB设计

探管主控模块PCB结构图如图2所示。探管内部与电路相关的模块主要由五部分组成，载波变换模块、主控模块、瓦斯压力传感器、电源模块、测斜模块。载波变换模块负责通过通缆钻杆与上位机进行载波通信，主控模块负责控制探管的开关控制和数字信息的转换，瓦斯压力传感器负责采集孔底瓦斯压力，测斜模块负责钻杆的行进轨迹，在载波功率不足以满足瓦斯压力传感器的功耗情况下，需要电源模块，为瓦斯压力传感器供电。

图2 探管主控模块PCB示意图

3.3 工业设计

探管的各功能模块由外部壳体以及安装在壳体内部的压力测量模块、封孔模块、气体填充模块以及电路和通信测斜模块组成。压力测量模块包括内置的瓦斯压力传感器和气体网罩；封孔模块包括封孔胶囊；气体填充模块包括位于钻孔孔口位置的气压泵、压力表、第一气体通道和第二气体通道；电路及通信测斜模块包括芯管和芯管内螺纹接头，芯管内的导线为瓦斯压力传感器、通信测斜的传感器供电和传输数据。钻进过程中，通信测斜探管负责采集钻头姿态参数并上传到上位机；上位机负责控制、接收、显示和存储钻孔轨迹变化；当钻进方向需要调整时，可以通过定向钻机回转钻柱以调整液动螺杆马达弯头朝向来实现特定方向钻进。瓦斯抽采孔施工完毕后，退钻排渣，卸下定向钻机钻头到上无磁钻杆间的器件。然后将包括通信测量探管和瓦斯压力测量探管的探管安装在通缆钻杆上二次下钻如图3所示设备进入孔底，其中，封孔胶囊在不充气状态下，通过固定在通缆钻杆上进入孔底。到达测试位置后，打开气瓶的阀门2，往钻孔内注气，注气完成后保持孔内瓦斯压力稳定；开启气瓶的阀门1，高压气体通过水便和通缆，以4 MPa的压力注入封孔胶囊，当压力保持稳定时，封孔完成，孔底形成密闭的测压气室。瓦斯通过气体网罩的孔洞进入瓦斯压力测量装置的腔体内，压力测量探管在接收到上位机测量信号后，即时采集压力信息，压力传感器模拟信号转化为数字信号上传，再等待下一次测量信号。压力测量探管通过通缆钻杆与上位机进行通信，将采集到的孔底压力传输到上位机显示。当孔口监视器界面显示瓦斯压力值达到平衡时，测压结束。需要退钻时通过定向钻机进行，使用的通缆钻杆3米一根，通缆钻杆间通过螺纹连接，退钻时将通缆钻杆一根根卸下即可。

图3 探管工业设计图

4 通信系统设计纲要

瓦斯压力测量探管中传感器测量的数据信号、各类仪器的相关参数数据信号均经主控模块处理后经载波变换模块将数字信号加载到通信电缆中，通过RS485通信协议进行传输，传送到上位机后经载波变换模块将通信电缆中传输的信号转换为数字信号，并进行接收、存储和显示压力测量数据。

4.1 探管电路设计

探管电路框图如图4所示。探管控制电路结构由以STM32芯片及供电模块、晶振电路、复位电路、启动配置电路、下载端口电路所构成的最小系统电路作为主控模块、信号调制解调电路作为载波变换模块、三轴加速度传感器和三轴磁传感器作为测斜模块、南京高华的GPD(60)矿用本安型压力变送器作为瓦斯压力传感器模块、电源电路作为电源模块及RS485通信电路组成。

图4 探管电路框图

其中通过中心通缆钻杆将电力传输到本质安全型电源电路中，经过处理后为各工作模块提供电力保障，保障各模块安全稳定运行。测斜模块负责获得钻头姿态参数数据、瓦斯压力传感器模块负责获得瓦斯压力数据并通过导线将钻头姿态参数和钻孔内瓦斯压力数据信号传入STM32的模数转换器将模拟信号转化为可识别的数字信号，STM32的数模转换器同样也可将数字信号转化为模拟信号。信号调制解调电路将数字信号载波调制到通信电缆上以实现远距离信号传输到孔口监视器，也可实现将孔口监视器的信号解调并传输到主控模块中。RS485通信电路通过中心通缆的通信电缆实现测压模块、测斜模块与孔口监视器的通信连接，实现信息交互。

当封孔形成测压密室后，上位机发送“启动压力测定”指令。主控模块收到上位机的通信指令后，瓦斯压力传感器开始工作，待压力平衡后，读取瓦斯压力传感器的数据并将数据通过通信电缆传输到上位机。当上位机中显示的数据曲线变为平稳，则上位机向主控模块发送“测定结束”指令，主控模块在收到指令后关闭瓦斯压力传感器，结束一个测定周期。

4.2 通信电缆

按传感器的接线方式分有以下四种：二线制、三线制、四线制、五线制。受中心通缆钻杆内部只有一根导线的限制，无法使用除二线制以外的其他连接方式。最终瓦斯压力传感器与定向钻机之间的电气连接方式为“二线制”，二线制的两个端子分别为“电源+”和“输出+”，分别将导线与瓦斯压力传感器的两个接线端连接后，既能使压力传感器正常运行也能实现测量探管与上位机间的信号传输。

4.3 上位机电路设计

上位机电路框图如图5所示。采用以STM32芯片及供电模块、晶振电路、复位电路、启动配置电路、下载端口电路所构成的最小系统电路为主控模块并结合RS485通信模块、载波变换模块、声光报警模块、显示模块、按键电路模块、数据存储模块及本质安全型电源电路模块组成上位机电路结构。

图5 上位机电路框图

其中通过中心通缆钻杆将电力传输到本质安全型电源电路中，经过处理后为各工作模块提供电力保障，保障各模块安全稳定运行。载波变换模块实现将从测量探管传输来的载波信号进行滤波变换转换为上位机电路可识别的信号，也可将上位机发出的控制信号进行载波变换加载到通信电缆上以实现对测量探管的控制。数据存储模块用于保存测量数据及记录各设备工作日志。RS485通信模块通过通信电缆实现测量探管与上位机之间的信息传输。上位机通过按键模块将指令下达给测压装置、随钻测量装置，并接受其返回的测量数据信号，通过数据处理及图形显示使数据可视化。如果遇到异常情况，触发声光报警模块来声光提示。

4.4 上位机软件设计

软件功能框图如图6所示，通过编程实现软硬件间的联系，能够满足用户登录软件、操作控制、查看数据等需求。其中软件登录功能用于用户登录软件系统、串口通信功能用于与底层系统进行通信实现数据接收与测量指令的发送、数据处理功能用于将接收到的数据进行图形显示和数据存储、数据回放功能用于历史数据的回放查询。

图6 上位机软件功能框图

5 对比分析

从钻孔深度、测压巷道、塌孔、钻孔密封难易及钻孔重复利用五方面进行对比，对比结果见表2。

表2 传统测压方法与新方法对比

从经济性来说：采用传统测压方法需要先掘进底板行到达测压地点附近，然后向煤层钻孔测压，而底板岩巷工程量大，掘进速度慢；岩石量给矿井运输、提升及地面环保工作带来新的困难，给矿井正常生产带来新的问题；成本费用高。而采用定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统进行煤层瓦斯压力测定则不需要掘进岩巷，不需要矸石治理，可以节省挖掘岩巷、矸石运输、矸石治理、地面环保等方面的费用，节约成本。

从安全性来说：传统测压方法只能在巷道中就近向煤层钻孔测定瓦斯压力，没有巷道就无法在所需的测压地点测定瓦斯压力，而在巷道掘进过程中可能会发生瓦斯超限、瓦斯预警事故，形成了安全隐患。而采用定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统进行煤层瓦斯压力测定钻孔距离远，控制范围广，可有效消除煤层远端的安全隐患。

从测压效率来说：传统测压方法只能等掘进好测压巷道之后才能进行后续瓦斯压力测定工作，掘进巷道需要几个月的时间，传统测压方法多采用被动测压法，瓦斯压力平衡和观测时间较长，观测时间一般需20～30天。测压点位置距离巷道等采动区距离短，可能受采动影响使得围岩裂隙发育，容易造成塌孔，并且需要退钻之后重新将测压装置安装到钻杆并送至孔底测压气室边缘，反复钻孔，钻孔密封难度大，工作量繁复，从而影响瓦斯压力测定结果的准确性，降低测压效率。而采用定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统施工不需要掘进岩巷、钻孔直径大、施工速度快、工程量小、可以施工多个分支孔测定多组数据、不易受采动影响造成塌孔、钻孔密封性好、瓦斯压力平衡和观测时间短、提升测压效率。

6 结论

(1) 从需求分析入手，研究了瓦斯压力测定探管的PCB设计、结构设计、工业设计，能够实现采集钻头姿态参数和瓦斯压力数据并上传到上位机并接受上位机的指令控制。

(2) 系统以通信电缆为传输媒介，瓦斯压力传感器与定向钻机之间的电气连接方式为“二线制”，通过载波变换模块将数字信号加载到通信电缆上以RS485协议进行远距离传输。

(3) 根据需求，优化了上位机的软硬件设计，能够实现控制、接收、显示和存储钻孔轨迹和瓦斯压力变化。

(4) 通过从经济性、安全性、测压效率三方面对传统测压方法与定向钻孔内置原位瓦斯压力测定系统进行比较，新方法有成本低、安全系数高、钻孔利用率高、测压时间短、效率高等优点，为后续的系统集成打下良好基础。

(5) 目前该系统只能用于测定煤层瓦斯压力参数，其他参数尚不能完成测定，可后续优化系统设计，以实现多种参数测定；上位机可后续增设网络模块，以实现上位机可将测定的数据上传至服务器，实现数据参数共享，更好地推动钻探装备智能化、信息化建设。