一种应用于小孔径的手持式钻孔测斜仪研制*

李渊

(中国煤炭科工集团 西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)

0 引言

在煤矿安全生产中，钻探方法是针对隐蔽致灾因素探查最直接、最有效的一种勘探方法，在煤矿防治煤与瓦斯突出、煤矿防治水方面起着至关重要的作用。如何判断钻孔的实际轨迹是否按照设计轨迹进行钻进，终孔点是否达到预期设计靶点对于钻探施工来说显得尤为重要[1]。矿用钻孔测斜仪是一种测量钻孔实际钻进轨迹与钻孔设计轨迹偏差的测量类仪器，在煤矿钻探领域得到了广泛的应用。

现阶段煤矿井下瓦斯抽放领域，国内大多采用底抽巷和高抽巷的方式，运用回转钻进施工钻孔，利用存储式测斜仪测量钻孔进行测量[2-3]。然而对于大多数瓦斯抽放钻孔而言，距离较短(50～150 m)，数量较多(单巷道超过1 000个)，施工空间有限，利用钻机推送的回转钻进方式施工较为复杂，手持式钻孔测斜仪具有操作简单方便等优点，在市场应用较为广泛[4-5]。然而在实际使用过程中，特别是针对松软煤层施工瓦斯抽放孔，若采用目前市场上的大直径的手持式钻孔测斜仪对成孔的钻孔进行测量，往往孔内易发生塌孔现象，造成测量事故。钻孔成孔后往往通过下放筛管对钻孔进行护孔操作，防止孔内发生塌孔现象的发生，从而保证瓦斯抽放效果。下放筛管后的钻孔通常直径仅为25.4 mm，对于钻孔的轨迹测量则是一个难题，目前市场上没有应用于小直径的钻孔测斜仪。因此，研制小直径的钻孔测斜仪对于瓦斯抽放孔测量，提高瓦斯抽放效率具有重要意义。

1 系统总体设计

1.1 系统目标

为了满足煤矿井下小直径钻孔的测量要求，所设计的钻孔测斜仪应从以下3个主要方面考虑：

1) 本安防爆。煤矿井下常含有甲烷和其它爆炸性气体，因此系统必须满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》[6]。煤矿井下装备的防爆种类主要包括本质安全型、隔爆型、浇封型，同时根据采用防爆的类型，其装备也必须满足相应的防爆要求。

2) 尺寸要求。本文适应于小孔径的瓦斯抽放孔(Φ25.4 mm)，从理论上直径越小越能满足钻孔的测量，但测量电路和电池的直径又不可能无限制地缩小，因此必须兼容电池容量、工作时间以及电路板的尺寸大小。

3) 测量精度要求。在满足小孔径尺寸的要求的情况下，同时系统必须保证钻孔测斜仪的精度，因此在传感器的选型方面应全面考虑。

综合以上3个方面的考虑因素，小孔径钻孔测斜仪的主要设计参数如表1所示。

表1 钻孔测斜仪的主要设计参数

1.2 系统整体设计

依照上节1.1所述的系统目标，本文进行了系统方案的整体设计，系统的整体设计框图如图1所示。从图中可以看出，系统可以分为孔中和孔外显示两个部分。孔中部分主要包括本安电源单元、姿态测量单元以及通信传输单元。本安电源单元主要功能是利用矿用防爆电池为孔内的探管供电；姿态测量单元主要是用来测量倾角和方位角这两个主要的钻孔参数。通信模块用于将姿态测量模块采集解算后的数据发送到孔外显示终端。孔外部分主要是显示终端，系统采用本质安全型手机一方面设置钻孔测量的参数，另一方面完成数据的处理。

图1 系统整体设计框图

系统测量原理即首先完成孔内探管与本质安全型显示终端的时间同步;其次将探管推送到钻孔内，利用推送钻杆的数量，完成深度的测量，同时在防爆手机上完成倾角和方位角测量，记录有效的测量点；最终待钻孔完成测量后，利用防爆手机取出所有有效点的姿态和深度信息，绘制成钻孔的轨迹。

2 硬件设计

2.1 本安电源设计

鉴于该仪器使用场合和测量时间，在满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》下，依据GB 3836.4—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》，本文选择了本质安全型防爆设计。本质安全型包含“ia”、“ib”、“ic” 3个保护等级，煤矿井下要求采用“ib”等级，即本质安全型电路在正常工作或一个计数故障发生时不能引起点燃。

本文采用两级MAX14571电源管理芯片对输出电流进行限制，经过两级限压限流保护，输出本安电压、电流驱动后级负载[6]。这种组合方式具有保护电路简单、功耗小、限压限流值可精确控制的特点。电源部分的两级保护电路原理图如图2所示。EN端和RIEN端两个使能端均接至3.3 V高电平，唤醒芯片使其器件工作正常。另外，C1、C2、C3、C4为旁路电容，防止发生瞬间短路时输入电压的跌落，以维持器件的稳定工作。系统采用电池供电，本文由于适用于小孔径的缘故，测斜仪直径不大于18 mm，所以本文采用直径14 mm、单节3.7 V/1.4Ah锰酸锂电池作为系统供电单元，经测试整机工作电流小于20 mA，满足设计工作要求。

图2 两级保护电路原理图

2.2 姿态测量模块设计

通常，施工钻孔的轨迹是用空间的直线或曲线来表示，要得到空间曲线，需要知道钻孔内相关点的两个关键几何参数,即倾角、方位角。本文采用姿态测量模块来获取这两个参数[7-9]。

2.2.1 倾角测量

倾角测量一般通过测量X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与加速度传感器的X、Y、Z三轴分量关系, 计算出各轴与重力加速度的夹角, 从而得出系统倾角。倾角计算公式如式1所示，式中，GX，GY，GZ表示加速度传感器三轴输出响应[10-11]。本文考虑到小孔径、低功耗、分辨率高等要求。经过仔细筛选，采用ADI公司的MEMS三轴加速度计ADXL355作为感知地球重力场的加速度计。ADXL355是一款低噪声漂移、低功耗的3轴加速度计，量程±2～±8 g可选，具有1 Hz～1 kHz可选数字滤波，内置20位高分辨数模转换器(ADC),同时集成温度传感器，功耗不到200 μA，采用SPI模式输出数字量，同时该加速度计芯片尺寸仅为5.2 mm×5.2 mm×2.05 mm，所占空间较少，抗振动和冲击能力较强。图3为该加速度计硬件连接电路，电路简单，只需要若干个电容就可以完成电路设计，非常方便。

图3 倾角测量电路

(1)

2.2.2 方位角测量

采用磁传感器和光纤陀螺是目前方位角测量的两种主要方式。利用光纤陀螺这种敏感元件来感知地球自转，配合倾角测量值最终得到方位角[12-13]，不受井下铁磁性物质干扰，有诸多优点，但是由于本文设计的测斜仪孔内部分直径只有不到18 mm，目前绝大多数光纤陀螺不能满足尺寸和功耗要求，所以采用磁性元件来测量地球磁场分量计算方位角成为可行方案[14-15]。按照地球磁场的坐标系的旋转关系如式2所示：

(2)

式中：BX，BY，BZ分别是地磁场在仪器坐标系下，X轴、Y轴和Z轴上的测量值。B0是在地理坐标下的地磁场的值。

可得方位角表达式，如式(3)所示：

(3)

而磁性元件按照测量原理不同可以分为磁通门式、磁阻式以及磁感式，三者相比较各有优缺点，综合考虑尺寸和功耗，最终选用PNI公司磁感式传感器SEN-R65/Z65搭配集成度较高的专用驱动模块3D MagIC—PNI12927驱动芯片作为测量方位角的敏感元件。其具有低功耗(电流最大0.5 mA)、体积小、传感器长宽高仅为5.8 mm×3.2 mm×5.6 mm，测量范围广(±11Gauss)、温漂小和价格低等优点。PNI12927驱动的振荡电路的频率会随环境磁场的不同发生变化，通过测量特定个数振荡周期的时间，就能够推导出被测磁场的大小。为满足高速频率变化的数据采集，本系统采用驱动模块3D MagIC的标准模式，能够对3个轴的磁场依次测量，响应时间较短，达到15～30 ms。图4给出了PNI12927驱动芯片和SEN-R65/Z65的电路连接图。

图4 方位角测量电路

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

系统软件设计包括下位机软件和上位机软件两部分。下位机基于Keil MDK软件开发平台，利用C语言编写下位机程序。下位机程序主要功能是完成姿态测量模块数据的采集、处理以及与本安手机通信。软件采用模块化设计思路，软件设计流程图如图5所示，包括系统初始化，微控制器通读取姿态测量值，对读取到的数据进行处理，计算倾角和方位角并存储，需要时通过WiFi将数据发送给本安手机。

图5 软件流程图

3.2 上位机软件设计

系统设计的小孔径钻孔测斜仪用本安手机作为显示终端，具有轻便小巧、容易使用等特点。所以上位机的测量软件采用Android操作系统，该系统是基于Linux平台的、开源的智能手机操作系统，其具有优秀的人机交互界面，丰富可利用的开发资源。专用软件APP使用专业安卓软件开发工具Android Studio进行设计，软件界面简洁美观，通过手机WiFi与测量单元通信后，可实现数据传输、检测、绘图等功能。测量软件功能界面如图6所示，数据上传界面如图7所示。

图6 探管自检模式

图7 数据上传界面

4 实验室测试和工程样机

4.1 工程样机

本文设计研制的适用于小孔径的钻孔测斜仪结构如图8所示，其探管的直径仅为17 mm，搭配本安型手机作为显示终端，满足现阶段小孔径钻孔测斜的施工技术要求。

图8 整机结构示意图

4.2 实验室测试

为了验证本文设计的测量精度，使用大连华天精密仪器有限公司生产的精密无磁姿态调校装置TX-3S作为测试设备。该装置用LED显示屏显示姿态角，三轴姿态角测量精度为±0.001°；两两轴正交度≤0.1°；三轴相交度≤1 mm，满足对钻孔测斜仪的精度测试要求[16-18]。

图9为本文设计的钻孔测斜仪倾角在-90°～90°时的测量误差，每隔10°测量一个点。显然，倾角最大测量误差为±0.19°，能够满足测量要求。图10为本文设计的钻孔测斜仪方位角在0°～360°时的测量误差，每隔30°测量一个点。显然，方位角最大测量误差为±1.5°，能够满足当前矿方对矿用钻孔测斜仪的测量要求。

图9 倾角测量误差

图10 方位角测量误差

5 工程应用

为了验证本文研制的钻孔测斜仪的可靠性，在淮北某矿1035机巷底抽巷进行了试验。该巷道位于10煤层底板15.6～25.1 m，10煤层赋存较稳定，煤层厚度1.40～5.90 m，平均4.14 m。工作面整体倾角4°～8°，平均6°。煤层结构较简单，根据1033风巷实揭，1035机巷底抽巷探查及钻孔资料综合分析，该工作面属于突出危险区。在1035机巷底抽巷每隔4 050 m，垂直于底板岩巷布置一个钻场，钻场的尺寸为5.0 m×5.0 m×3.5 m，共施工20个钻场。条带预抽钻孔轴向间距为5 m，列间距为5 m，钻孔终孔穿过10煤顶板3 m，控制巷道两帮轮廓线外15 m。其中在22#钻场使用本文研制的钻孔测斜仪共施工穿层钻孔76个，补孔37个，共计113个。利用钻孔测斜仪采集数据对钻孔进行三维图上图分析,结果如图11所示。实验表明，本文研制的钻孔测斜仪工作可靠，可以作为矿方对抽采效果进行佐证和对补孔进行设计指导。

图11 钻孔三维成图

6 结论

本文设计并研制了一种应用于小孔径的钻孔测斜仪，介绍了目前矿用手持式测斜仪的优缺点，并提出了本文的设计目标，重点介绍了系统的整体设计原理，并对系统的硬件和软件设计进行了详细论述。为验证测斜仪的测量精度和可靠性，对本文研制的钻孔测斜仪进行了实验室测试和实际工程应用。实验结果表明，本文研制的钻孔测斜仪测量精度较高，稳定性好，对矿井小孔径钻孔施工结果有良好的评价能力，可以准确地反映出实钻轨迹结果，为煤炭安全生产提供了有力的保障。