基于无线传输策略的松软煤层钻孔测斜仪

2019-08-05秦怡

煤矿安全 2019年6期

秦怡

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037）

鉴于松软煤层瓦斯[1-3]压力大、地形复杂、透气性差等自然因数，加上操作人员经验不足、钻具自重等人为和设备因数，导致煤层中钻孔不均匀，进而带来瓦斯抽放效率低。而中小型回转钻机由于体积小、易拆卸、方便运输等优点，在短距离、施工空间有限等方面较水平定向千米钻机有很大的优势。目前市场上，普遍存在测斜仪都是基于有线策略实现电脑、同步机和探管之间的数据传输和绘制，该方法存在线缆成本高、接口处工艺复杂等问题。

研究了兼备筛管下放工艺的随钻测量系统设备，当松软煤层钻孔分布过疏时，就采取补钻孔措施，进而提高瓦斯抽放效率，消除煤层瓦斯抽放盲区，对相邻钻孔的设计和布置进行理论指导。同时，采用无线蓝牙传输技术来实现测斜仪和同步机之间的通讯，该技术可以有效解决通讯接口受煤渣煤灰带来堵塞、通讯不可靠等问题，同时具有便于携带、数据传输率高等优势。

1 存储测斜仪总体方案

1.1 随钻测量技术

钻孔空间轨迹[4-5]最重要的2个参数为方位角和倾角，这2个角的方位决定了钻孔轨迹空间姿态。为实时测量水平定向钻孔轨迹信息，就必须将磁强计和三轴式重力加速度计装入无磁钻杆内部，通过这2个传感器测得的数据，就可以完成定向钻孔实时轨迹信息的测量。

定向钻孔轨迹姿态如图1，空间中曲线为实时钻孔轨迹，O与Oz代表钻孔点和垂直指向地面方向。曲线任意2点和在水平面的投影为M’和P’。轴和钻孔当前点切线在水平面投影之间的夹角，则被称为方位角φ，φ代表钻具在水平面内运动的轨迹方向；钻具的轴线与水平面之间的夹角，则被称为倾角φ，φ代表被测钻孔偏离水平面的倾斜程度。

图1 定向钻孔轨迹姿态

坐标系旋如图2，根据欧拉定理和地理坐标系旋转理论，探管电路传感器单元能够实时测得的三维正交磁强计和重力加速度计的矢量值。为方便计算，将探管的轴线方向定义为y轴，以Oy方向建立钻具空间姿态坐标系xyz。将地理坐标系UNE，经过一系列等价旋转变换到xyz坐标系，变换过程中，所需的旋转角度就是钻具当前空间姿态角度。

图2 坐标系旋

初始状态，旋转坐标系xyz和UNE重合，轴x对应轴U，轴y对应E，轴N和轴z对应轴。坐标系UNE经过旋转角φ、旋转角φ和旋转角γ角，就可以得到钻具当前的坐标系xyz。其中旋转角φ、旋转角φ和旋转角γ角分别代表方位角φ、倾角φ和工具面角γ。

轴E绕着轴U旋转，旋转角为φ，旋转变换矩阵为 Rφ，如式（1），旋转后坐标系为x1y1U。

坐标系为x1y1U绕x1旋转，旋转角为φ，旋转变换矩阵为 Rφ，如式（2），旋转后坐标系为 x1yz1。

坐标系为x1yz1绕y1旋转，旋转角为γ，旋转变换矩阵为 Rγ，如式（3），旋转后坐标系为xyz。

综上，按照一定的旋转次序，可以实现空间姿态坐标系xyz和地理坐标系UNE的变换，变换矩阵为Rbl，Rbl=RφRφRγ。探管中加速度传感器和磁强计实时测得的值分别为 gx、gy、gz和 Bx、By、Bz。根据坐标变换和矩阵方程组[6]，可以得到倾角和方位角，分别为式（4）和式（5）。

式中：g0为当地重力加速度的值。

1.2 筛管下放结构改进

1）探管结构改进。采用微小加速度计芯片与磁强计芯片，将探管外径缩小为20 mm。

2）探管供电改进。电池采用稳定性好的可充电镍氢电池组，同时增加减震环。

3）传输接口改进。采用无线传输模式，省去连接线缆和接口工艺处理。

无磁钻杆内部剖面图如图3，探管直径20 mm，长度为692 mm，这样可使筛管在钻杆内下放的空间足够大。探管固定架是大于钻杆内径半圆的月牙型槽，能够使探管固定架在钻杆内固定卡死，同时也避免了对筛管下放工艺造成过多的干涉影响。

图3 无磁钻杆内部剖面图

2 无线传输软件流程

手持式终端为一款自制防爆手机，该手机自带蓝牙接受模块，并配备相应的蓝牙测斜仪系统APP开发软件，可在井下查看实时钻孔轨迹等信息，又可将其带回地面进行无线数据传输和分析[7-9]，探管软件流程如图4。

图4 探管软件流程

1）状体开关切换。主要用于探管状态模式的切换,包含2种模式：命令模式和测量模式。命令模式是探管工作完毕取出时，开关切换于命令模式，此时手持终端开机，准备数据传送；测量模式是探管进入测量工作时，开关切换于测量模式。

2）波特率设置。设置探管中的单片机串口波特率与蓝牙模块的波特率保持一致。波特率配置好后，对蓝牙模块系统进行断电、复位。此时“控制主程序”进入启动、待命状态，和终端保持实时通讯。

3）从手持终端发出的数据被单片机接收到后，单片机按照电池电量信息、系统时间、文件等测量信息，按照对应的数据格式分别进行解析和存储，并将信息返回到终端手持设备上。同时，单片机上内存装置实时记录和存储发给手持终端设备的信息，以保证手持终端设备出现异常时，仍能记录数据传输历史。

4）单片机执行Ymodem文件传输协议，将获取的数据放到缓冲区，最终写入存储介质，本次通讯结束，单片机退出Ymodem文件传输协议的函数。

5）当单片机跳出Ymodem文件传输协议的函数后，进入主循环函数。手持终端仍然会单片机发送数据信息，单片机也会按照电池电量信息、系统时间、文件等测量信息，按照对应的数据格式分别进行解析和存储，并将信息返回到终端手持设备上。

3 试验应用

研制的测斜仪装置[10-11]主要由手持终端设备、螺旋凹槽无磁钻杆、微小型探管等主要部件组成。操作人员将探管带回井上并可进行数据分析与处理。通过蓝牙设备来获取储存大量钻孔数据信息，便于分析、处理和改进不足。

为验证随钻测量系统的可靠性和有效性，选择淮南矿业有限责任公司张集矿北区作为试验场所,筛管下放操作流程如图5，经试验所测得的数据稳定、实钻轨迹平滑，筛管下放过程流畅，数据报告自动生成，数据精度高，测量钻孔据倾角数据见表1,测量钻孔据方位角数据见表2。

图5 筛管下放操作流程

表1 倾角数据

表2 方位角数据

由表1和表2试验数据可得，3#钻孔、4#钻孔、5#钻孔、6#钻孔的设计孔深和实际测得孔深基本保持一致(钻孔随钻轨迹图略)。由手持式终端无线测得5#钻孔的数据得到的钻孔随钻轨迹(图略)可知，由于松软煤层地质特殊和钻杆自重因数的影响，实际钻孔轨迹和理论设计轨迹，在一定深度下，会存在较大的偏差，这时候便需要采取补钻措施。