防冲卸压钻孔施工钻杆脱落自动报警系统设计

亚珠

(1.山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266000；2.山东交通技师学院 山东 临沂 276000)

防冲卸压钻孔施工钻杆脱落自动报警系统设计

仲崇涛1郭震1燕明伟1张震1张亚珠1李阳2

(1.山东科技大学机械电子工程学院 山东 青岛 266000；2.山东交通技师学院 山东 临沂 276000)

在分析钻孔卸压施工中钻杆易脱落问题的基础上，以超低频电磁波实现单信道多节点的远距离无线通信，设计了一种孔内钻杆脱节自动报警系统，实时显示钻杆底部钻进数据，钻杆脱节或者断开时，系统自动报警，避免钻孔施工钻进操作的盲目性。

卸压钻孔；超低频电磁波；钻具参数检测；钻杆脱节报警

引言

冲击地压积聚区域卸压钻孔施工过程中钻杆在地质环境影响下经常断裂，退钻时常有脱节等情况[1]。目前煤矿井下卸压钻孔技术不能实时监测孔内钻杆底部温度、转速等参数的变化情况；尤其是在冲击地压特别积聚区域卸压孔孔深较大，钻进施工过程中孔内真实情况不能及时反馈到地面，钻具状况只能凭经验估计。如果在孔内钻杆断裂或脱落情况下继续施工，将损坏钻具、钻杆，发生钻进事故，严重影响卸压钻孔施工进度[2-3]。考虑到井下防冲卸压钻孔施工钻具实际应用环境，本文设计了孔内钻杆脱节自动报警系统，以超低频电磁波为传输媒介实现孔内钻杆参数信息的无线传输；钻杆脱节断开时，连接中断，报警器自动报警[4]。

一、无线数据采集技术的应用

采用无线温度、转速采集技术可在卸压孔钻进过程中实时监测孔底钻具的工况并获取相关数据，利用该数据就可以与孔外钻具实时工作参数做出准确比较、分析，帮助判断钻具工作状况，为现场施工提供准确可靠的决策依据从而及时采取各种措施，调整钻进工作程序，提高施工效率。

基于超低频电磁波实现单信道多节点的远距离无线通信，基本传输原理与CATS类似，能够利用单级或多级接力传输的工作模式，实现远距离通信。该类电磁随钻测量技术是油气勘探开发试井测试方面的先进技术，现根据本系统的应用要求将其应用在防冲卸压钻孔孔内钻杆脱落自动报警系统中。该技术与国外EXPRO无线遥测(CATS)系统技术水平相当，具有广阔的开发前景[5]。

二、孔内钻杆脱落自动报警系统的组成

本系统在钻头与钻杆之间增加一节“类钻杆”(分两个短接部)。其上部与钻杆间增设“上部短接”；下部与钻头间增设“下部短接”。另外，在动力头处添加霍尔转速传感器检测动力头实时转速，再加上“地面”解调系统和巷道接收天线就构成了整个孔内钻杆脱落自动报警系统。

上部短接由调频发射电路、电源电路组成，下部短接由悬重、扭矩传感器及其配套电路组成，该电路配合压频变换单元电路对两传感器信号放大后，筛选、变换成正比于钻杆底部悬重扭矩的频率信号，然经相加放大电路处理后送至上部短接调频并发射。上、下部短接内包含的这两部分统称为孔内钻杆脱落自动报警系统的“发送电路”。

钻杆底部发射系统发射的数据信号向上传输，巷道接收天线和解调系统能够在巷道上接收到无差异信息，并成功解调成当前时刻的钻杆底部扭矩和悬重(钻头重)数据，从而实现钻进数据的实时测量。其原理如图1所示。

图1 发送电路原理框图

接收单元电路接收到“发送电路”的信号后，经解调处理还原出与钻杆底部悬重、扭矩成正比的电压信号。处理后的电压信号一方面送至信号储存模块记录储存，另一方面送至以STM32为核心的转换显示单元，直接显示出钻杆底部的扭矩。这部分电路统称为“接收电路”。

三、发送电路

悬重与扭矩信号由专用传感器产生，该信号是迭加的微弱差模信号。发送电路为随钻测量单元，随钻环境温度变化范围大，会使放大电路出现明显漂移，如图2所示，本系统选用的专用精密测量放大器AD524。由于信号处理中压频转换单元需要提供-1.2V偏移电压，故在AD524引脚6连接一个-1.2V参考电压。

压频转换选用ICL8038，悬重和扭矩的两路信号要求频带不可过宽，且易分离。设计扭矩从零到最大值，对应的频率设为4.8—6KHz；悬重从零到最大值，对应的频率范围设定为1—1.5KHz。即当悬重为最大值，扭矩达到最小值时，两信号对应频率差也会是两倍以上，不会产生相互干扰，此时信号也较易分离。

图2 信号放大及压频转换单元电路

下部短接检测到的悬重与扭矩的频率信号f悬、f扭经信号放大及压频转换单元相加放大后，送至上部短接中的信号调频发射单元调制后发射。

四、接收电路

调频接收及解调由集成电路TDA7021完成。为了保证信号稳定接收，将信号接收单元电路密封于金属盒内，装在钻机工作附近巷道煤壁上。经该单元电路解调出的信号是悬重F悬与扭矩F扭的叠加，将该信号至送高、低通滤波器分离频率；高通滤波截止频率预设3.5kHz，低通滤波截止频率预设1.5kHz。经高、低通滤波分离出的两信号再整为矩形波送至LM331为核心的频压转换电路。工作时，需要经由电平偏移、放大电路，将悬重、扭矩信号V’悬和V’扭变换成0～±2.5V的V扭和0～2.5V的V悬。

代表悬重、扭矩的两信号V悬、V扭除作为资料用作存储记录外，还应输送至模数转换计算处理并送数显模块显示，如图3所示。数显部分分别显示孔内钻杆实时悬重、扭矩和钻压参数。该单元电路中，MREQ和A14、A15端输出的控制信号决定了74LS138对STM32芯片A11～A13译码使能。卸压钻孔施工过程中，每次装卸钻杆，均需一次系统复位，CPU自动检测出钻杆悬重最大值与钻进过程中测量的实时悬重之差决定其实时钻压值并输出。

图3 数显及模数转换单元电路

五、软件设计

井下卸压钻孔施工时，随钻钻压、扭矩均会波动，那么实施数显单元的显示也会实时跳动。为方便数据读取，本系统设定两次数据采集间隔500ms一次，孔内钻杆脱落自动报警系统主程序如图4所示。

图4 主程序流程图

六、结论

该系统设计在钻机动力头处添加霍尔转速传感器，在钻杆底部与钻头之间增加的一节“类钻杆”，以超低频电磁波为传输媒介，显示钻杆底部实时钻进参数，钻杆脱节或断开时，实现自动报警，实现了卸压钻孔孔内参数可视化，监测实时化，避免二次钻孔事故，保护钻孔设备。

[1]豆旭谦,魏宏超,王林杰,曹建明,石会田. 煤矿井下坑道钻探常见钻孔事故分析与处理方法探讨[J]. 西部探矿工程,2015,(08):21-23.

[2]陈松林. 钻杆螺纹失效分析及改进措施研究[D].重庆大学,2008.

[3]王清峰,陈松林. 煤矿用坑道钻机钻杆断裂原因分析及采取的措施[J]. 煤矿机械,2007,(06):148-150.

[4]孙红雨,王娜,郭银景,张计芬. 透地通信系统研究进展[J]. 山东科技大学学报(自然科学版),2011,30(03):79-85.

[5]邵养涛,姚爱国,张明光. 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用与发展[J]. 煤田地质与勘探,2007,(03):77-80.

仲崇涛(1992-)，男，汉族，山东滕州人，硕士研究生，从事机电液控制与自动化方向研究。