矿用钻孔深度声波测量装置设计与应用

高 珺

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

1 声波反射测量钻孔深度原理

煤矿井下钻孔深度测量原理如图1所示。钻孔深度按式(1)计算[9-10]：

L=S-L1

(1)

式中，L为钻孔深度；S为钻孔中钻杆柱总长度；L1为孔口裸露段钻杆柱长度。

图1 钻孔深度测量示意Fig.1 Drilling depth measurement

正常工作时，孔深测量装置与钻杆柱的连接方式如图2所示。主机保持在采集模式，当探头采集到激震源的触发信号时，主机开始记录声波波形，声波从孔口向孔底纵向传播，直至钻头端遇到不同介质反射回来，主机采集完整反射波形，方可计算钻孔深度。

图2 孔深测量装置与钻杆柱连接示意Fig.2 Connection diagram of hole depth measuring device and drill pipe string

主机采集到的完整波形如图3所示。

图3 检测仪采集波形Fig.3 Waveform acquisition by detector

钻杆柱长度按式(2)计算：

(2)

式中，S为终孔提钻杆前钻孔中钻杆柱总长度；V为声波在钻杆柱中的传播速度；t1为记录的首波峰值时刻；t2为记录的反射波峰值时刻。

在现场应用中，在测量钻孔深度之前，需对声波在钻杆柱中的传播速度进行标定，标定步骤如下：①连接测试钻杆柱，实际长度为S0；②用示波器接探头测量标准钻杆柱首波和回波的时间差Δt=t2-t1；③根据式(2)，计算钻杆柱中的波速V。

2 孔深测量装置硬件设计

孔深测量装置的电气部分主要由孔深测量主机和探头组成，主机负责声波信号处理、显示和存储等，探头负责声波信号采集，配套防爆榔头作为敲击钻杆产生声波信号的激震源[11-15]。孔深测量装置组成如图4所示。

2.由于企业投入研发费用须承担研发风险，因此建议企业在客观分析自身盈利及偿债能力的基础上，正确评估研发支出的科学性和合理性，避免因决策失误而造成资金损失，甚至要利用将研发费用资本化来平滑企业利润。企业作为整个经济社会的重要组成部分，应当致力于提升企业价值，避免弄虚作假，承担相应的社会责任，向投资者及社会公众传递真实的企业信息，保证企业长足发展。

图4 装置组成Fig.4 Device composition

2.1 孔深测量主机设计

基于声波反射测量钻孔深度的原理，确定了矿用钻孔深度测量主机的硬件框图，如图5所示，在此基础上进行电路设计及硬件选型。

图5 测量装置硬件组成Fig.5 Hardware block diagram of measuring device

从图5中可以看出，主机由电源模块、核心板模块、触发电路、A/D模块、差分放大电路和探头等组成。其中核心板是装置的核心单元，可实现数据计算、波形处理和上位机通信等功能；触摸屏及液晶显示屏模块可方便快捷地进行人机交互；触发电路由探头收到的声波信号触发，启动主机开始记录波形；A/D模块和差分放大电路可实现数据转换、放大及滤波功能，提高波形的辨析度。

测量钻孔深度时，探头依靠磁铁吸附在钻杆尾端，直到接收到激震源纵向敲击钻杆产生的声波时触发电路并开始记录波形，波形经过放大、滤波处理后送入核心板，再进行处理和计算，得到的波形和测量结果可在液晶屏显示。

电源模块由4节5 Ah磷酸铁锂电池串联组成，充电前端配有防反充保护电路，放电后端后接两级过压过流保护电路，之后经过DCDC模块分别转化为3.3、5、15 V直流电压，给其他模块供电。在电池充满的情况下，仪器可持续工作8 h以上。

2.2 声波接收探头设计

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能材料，利用其在机械应力作用下，两端表面出现符号相反的束缚电荷而设计具有敏感的特性的声波信号接收探头，其结构如图6所示。压电陶瓷与磁铁通过浇封材料和外壳紧密相连，磁铁吸附在钻杆上将接收的声波信号传导到压电陶瓷上产生电压变化。

图6 探头设计结构Fig.6 Probe design structure

3 孔深测量装置的软件设计

基于Altera-Cyclone器件的嵌入式开发平台，在通信接口、控制、存储方面管脚分配自由、设计选择灵活性大，足以实现声波信号处理、波形及波形信息存储和钻孔深度计算等功能，其软件功能如图7所示。

钻孔深度测量软件的主流程如图8所示。主机开机测量后，持续采集探头信息，程序控制装置仅采集并显示激振器在钻杆上产生的首个周期声波反射信号用于钻孔深度的计算。孔深测量装置实物照片如图9所示。

图7 软件功能Fig.7 Software function

图8 测量软件主流程Fig.8 Main flow chart of measurement software

4 现场试验

为了验证矿用钻孔深度测量装置的应用效果，在陕西彬长矿业集团有限公司大佛寺煤矿和山西晋城煤业集团寺河矿等不同的工况条件进行了现场试验。在陕西彬长矿业集团有限公司大佛寺煤矿，共测孔15个，全程跟踪测孔8个，最大孔深180 m，主要在大佛寺4煤西部胶带集中大巷22号钻场和4煤西部2号大巷33号钻场进行，设计孔深100～180 m，试验中声波波速全部选择为5 150 m/s，由1号、2号、3号孔的检测数据拟合出适合该矿钻杆的测量曲线，如图10(a)所示；再根据4号、5号、6号、7号、8号孔的测量数据，反算出钻杆长度的修正值，与钻杆实际长度比较，如图10(b)所示。得到最后的误差曲线如图11所示。图11中，78%的测量误差在5 m以内，22%的误差在5～9 m，检测结果的不稳定情况，将之归结为该矿钻杆混用及钻杆老旧情况严重。

图9 孔深测量装置实物照片Fig.9 Physical photos of hole depth measuring device

图10 钻孔深度测量曲线Fig.10 Borehole depth measurement curves

图11 误差曲线Fig.11 Error curve

在山西晋城煤业集团寺河矿53022巷8号横穿钻场定向钻进成孔后，进行了现场试验，检测钻孔中钻杆长度，最大测孔深度222 m，全程测孔1个，跟踪测孔过程中共测点8次，前7次检测时波速设置恒定5 150 m/s，检测误差随着钻杆长度增加而增加。根据前7组检测数据，得到拟合曲线及拟合公式如图12所示。将拟合公式系数输入仪器，进行第8次检测，检测波形如图13所示。

图12 检测值与实际值拟合曲线Fig.12 Fitting curve between detected value and actual value

现场试验表明，仪器各项功能及技术指标正常，已基本具备工业化推广的条件，满足目标应用领域的基本要求。

5 结论

在充分调研当前煤矿井下钻孔施工现场情况和钻孔深度测量技术现状的基础上，重点研究了煤矿井下应用声波反射检测钻孔深度的技术方法和装置软硬件设计。通过现场试验，验证了装置的测量深度大于200 m，测量误差不大于10 m，确认了该装置应用于煤矿井下孔深测量的性能可靠性。