煤矿用钻孔可视轨迹仪的研究

史晓帆

（晟泰公司机电安装分公司，山西 晋城 048006）

晋能控股煤业集团凤凰山矿在工作面采掘过程中经常会遇到一些地质构造，主要使用全液压钻机ZDY3200S 或ZDY1200S 施工Φ94 mm 和Φ75 mm钻孔进行构造探测，施工长度最长达150 m。如果钻探取芯进行构造识别，工期太长，严重影响生产，但无芯钻进，通过返水和岩粉识别构造又很容易造成误断。钻孔施工较长时其轨迹与设计直孔偏差较明显，无法通过调整钻孔倾角对其进行预先校正，从而确保终孔到达指定位置。为此，需研究一套技术先进、性能可靠的钻孔可视化轨迹测量仪[1-6]，对钻孔的方位、倾角进行精确测量，确保探放水钻孔按照设计要求布设。

1 系统设计

矿用可视轨迹仪硬件部分，主要包括矿用本安型钻孔可视轨迹仪主机、探管、测距仪以及视频传输电缆、信号电缆等附件。该系统电气部分连接图如图1。

图1 电气部分连接图

测距仪的主要作用是测量并记录探管深入到钻孔内所行走的距离，同时钻孔孔壁的具体情况通过探管内置的摄像头拍摄成图像，通过电缆将测距仪测量的探管深度和探管拍摄的孔壁图像视频发送给主机，主机将接收到的探管深度信号通过单片机进行分析，从而测算出探管在钻孔内的行进位置，并将接收到的探管拍摄的视频信号转换为数字信号，然后对图像进行显示和处理。

主机不仅可以对接收到的图像进行处理，还可实现实时监测图像的显示，并且对接收到的图像进行保存。保存后的图像可以通过USB 口传输到PC机上做进一步分析。仪器原理框图如图2。

图2 仪器原理框图

（1）矿用本安型钻孔可视轨迹仪测距仪系统

测距仪与绕线架组成的测距仪系统通过航空插头接入主机测距仪端口，以感应式旋转编码器为测量部件的旋转测量传感器为测距仪的主要结构，用来记录探管在钻孔内行进的深度。

（2）矿用本安型钻孔可视轨迹仪探管系统

探管系统为钻孔可视轨迹仪的重要组成部分，它由具有计算分析能力的单片机和各类不同功能的外围电路组成。其中核心部件为单片机，主要进行数据的采集控制；同时配备了一块外部存储芯片，主要进行数据的存储。钻孔可视轨迹仪内设数据通道，通过单片机控制开关进行通道的选择，被选通的磁力计的电信号经过模拟开关后会通过放大电路进行信号放大，然后通过信号转换电路将模拟信号转换成数字信号。单片机对数字信号进行分析处理，完成计数功能，进而实现采样的全过程。探管内部设计摄像头，主要对孔壁的具体情况进行拍摄，同时设计一圈LED 发光二极管进行补光，摄像头拍摄的视频信号通过电缆发送给主机。

（3）矿用本安型钻孔可视轨迹仪主机系统

矿用本安型钻孔可视轨迹仪主机系统包括图形显示单元彩色液晶显示屏、数据存储单元及主控制单元；对外接口系统包括充电断口、探管断口、测距仪断口及操作旋钮；另外还包含一组电池组（4 Ah，12 V）。

矿用本安型钻孔可视轨迹仪主机接收测距仪传来的RS485 信号和探管传来的视频信号，计算探管所在的深度位置，并将视频信号转换为数字信号，然后对图像进行显示和处理。主机不仅可以对接收到的图像进行处理，同时还可实现实时监测图像的显示，并且对接收到的图像进行保存。保存后的图像可以通过USB 口传输到PC 机上做进一步分析。

2 系统关键技术

（1）新型精密钻孔轨迹测试仪器探管与主机的智能化自动处理技术

钻孔轨迹仪主要由主机部分和探管部分构成。探管选用高精度地磁敏感传感器，实现钻孔轨迹的数据测量；主机部分实现数据的处理和存储，通过测量钻杆长度来确定每一测点的孔深，并完成测量结果的计算与显示。

探管与主机采用智能化自动处理技术，由探管记录数据并传输给主机，主机自动处理并显示测点轨迹，并将各测点的俯仰角和方位角进行自动显示。该技术将大大提高数据采集及轨迹成图的效率。

（2）保证轨迹仪在井下稳定运行的关键技术

轨迹仪在煤矿环境下工作，需要有一定的稳定性，研发中对仪器的工艺设计和装配技术进行了改良与提高。采用精湛的工艺设计和装配，防护等级达到IP54，极大地提高了仪器的抗震性能和防水性能，保证了煤矿环境下的稳定性。

（3）提高轨迹仪数据准确性及测量精度的关键技术

以往的轨迹仪采集数据的准确性及精度不高，有很大的改进空间。轨迹仪研发过程中，在探管内部采用高精度电子罗盘，极大提高了数据测量精度和稳定性。通过提高轨迹仪数据准确性及精度的关键技术，研发的系统具备硬件校正和软件校正功能，进一步保障数据的准确性。

（4）可视轨迹仪图像及轨迹信息采集的高智能性技术

研发的可视轨迹仪采用图像及轨迹信息采集的高智能性技术，配合专业算法，实现图像信息及钻孔轨迹仪信息的自动采集和自动校正显示。测距仪记录探管在钻孔内行进的深度，探管摄取孔壁图像，并将视频信号传送到主机，主机将视频信号转换为数字信号，并对图像进行显示和处理。

（5）钻孔可视轨迹仪数据解析软件相关技术研发

研发可视轨迹仪的同时，进行了相关解析软件的研发，最终软件成果为矿用钻孔可视钻孔轨迹仪数据解析软件系统。该软件是一款基于Windows 平台的数据处理软件，可以对钻孔轨迹仪采集到的原始数据进行导入、钻孔信息输入、成图显示、保存数据及输出报告等操作。

3 工业性试验

该钻孔可视轨迹仪在晋能控股煤业集团凤凰山矿进行了试验，初次在凤凰山矿XV3210 巷随钻机往里走了3 m，能清晰观察钻孔内的构造情况，随后依次在XV3206 巷随钻机往里走了30 m，在XV3202 巷随钻机往里走了40 m，在XV3212 巷随钻机往里走了95 m，均能清晰观察钻孔内的构造情况。

4 结语

钻孔可视轨迹仪的使用可查明钻孔偏斜情况，能有效地探测钻孔方位角及倾角，实时直观地观测到钻孔内的各种构造，并且对整个钻孔进行成像；不仅可以有效避免探陷落柱钻孔和探放水钻孔施工报废钻孔，减少经济损失，还可以有效探测煤层产状、厚度等赋存情况，科学合理地指导并组织生产，保证防治水工作的有效开展。