鉆井作業過程監測儀研制

李 欣，徐正宣，吳 麗

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031;2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

我國現在處于高速發展的階段，每年都會有許多鐵路工程項目開始設計或者開工建設，傳統的管理思想、管理方式和管理工具已不適應新時代的要求。鐵路工程項目將進入信息化管理時代，與此同時每年因為工程質量監管不力造成的損失十分巨大，其中地質工程中，鉆孔孔深的測量直接關系到此類工程的工程質量，由于多為隱蔽工程，可驗證性較差，傳統鉆孔測試方法容易給人為的不當行為留下空間，如少數鉆探勘測隊伍為了壓縮工期、追求經濟利益，謊報鉆孔深度，損害業主的利益，給工程埋下隱患。

本項目研制的鉆井作業過程監測儀(圖1)，實現鉆井作業進尺自動監測，可以解決傳統人工監測存在的管理柔性問題，對提高管理效益、確保鉆井作業質量具有重要意義。

圖1 儀器機械部分總裝配體

另外，配合為儀器專門開發的單片機系統，還可以實現振動檢測，定時攝像，孔位定時GPS監測等可根據客戶需要定制添加的功能。

1 國內外研究現狀

鉆井作業過程中需要對鉆井的深度進行測量，了解鉆井現場情況并核對工作量，目前應用較多的測量方法有以下4種。

第一種為卷尺測量法，該方法直接用卷尺測量鉆井桿具進入鉆井中的長度，該長度即為鉆井的深度，該方法雖然簡單易行，但由于人為因素，測量值精確性難以保證，且需要停機進行測量，無法實現實時監測。

第二種為鉆桿刻度法，該方法是在鉆桿上按照一定標準打上刻度，再用卷尺測量法測量鉆桿鉆具的長度，最后根據刻度值可計算出鉆井的深度。該方法的測量值雖然比卷尺測量法的測量值準確，但由于實際工作中應用的鉆桿長度不一，該方法的通用性較差，只有個別型號的鉆桿可以在其上打上刻度，而且打刻度的標準目前還沒有統一。

第三種方法為激光干涉法，第四種方法為鉆頭傳感技術，這兩種方法理論上可以在鉆井作業過程中應用，對鉆井深度進行測量，但由于相關儀器結構復雜，對測量環境要求苛刻，儀器價格高昂，使用維護費用高，實際上難以在鉆井作業過程中推廣使用。

相較以上諸種方法，本儀器結構簡單，因而使用和維護都很方便，所受使用環境的限制也較小，不受鉆桿或鉆具型號的限制，通用性較好且成本不高，能在鉆井作業過程中自動及時采集與時間相對應的進尺及孔深等相關參數并形成難以篡改的電子數據資料。

2 研究方法和理論原理

本研究項目采用的方法主要為:室內研制出樣品然后在地質工程鉆探實際作業環境下進行實驗并調整。

2.1 霍爾效應

霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的2個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。若在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓。

2.2 霍爾傳感器

根據霍爾原理制成的傳感器利用天然磁電效應產生脈沖(該傳感器不需消耗能源)。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。比如汽車的里程表基本都依據該原理制成。

2.3 單片機

單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)，單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。

霍爾傳感器和單片機技術是本項目主要的技術理論依據。這兩項技術均已十分成熟可靠，為本項目的實施提供了堅實的基礎。霍爾傳感器為數據采集傳感器，負責收集鉆桿唯一數據轉化為電磁脈沖輸出于單片機而單片機則負責處理及存儲霍爾傳感器采集之數據。

3 研究成果

3.1 儀器結構介紹

儀器樣機(圖2)。在儀器前端設置一個旋轉機構，旋轉機構的旋轉體上設置有與其同步轉動的磁性信號發生器，輪軸內設有與磁性信號發生器適配的霍爾傳感器，霍爾傳感器與處理模塊連接;鉆井桿具與旋轉體配合，鉆井桿具沿鉆進方向運動時，帶動旋轉體轉動。采用霍爾傳感器及相關結構可實時監測鉆井桿具的位移量，通過該位移量即可得出鉆井的深度。

圖2 儀器樣機

圖3 單片機部分

圖3為儀器單片機部分，用于采集霍爾傳感器采集的電磁信息并轉化為可讀取的數據。

3.2 儀器使用介紹

使用時，將儀器置于井口處，將鉆井桿具與旋轉體配合，鉆井桿具沿著鉆進方向發生位移，并帶動旋轉體轉動，與此同時，隨著鉆井的深度不斷增加，鉆井桿具逐漸進入鉆井中并沿鉆井的延伸方向繼續發生位移，在鉆井作業過程中，由于旋轉體的轉動會帶動其上連接的磁性信號發生器的轉動，進而使得霍爾傳感器產生脈沖信號。該脈沖信號經過處理模塊的處理后，可轉變為鉆井桿具的位移量，再通過相應計算便可得出鉆井的深度。由以上分析可知，本鉆井作業過程監測儀可在鉆井作業過程中對鉆井桿具沿鉆進方向的位移量進行監測，進而可對鉆井深度實時監測，同時通過處理模塊還可以得出鉆井桿具單位時間內的位移量等數據。

3.3 儀器優勢

(1)采用成熟單片機技術結合簡單機械結構，因而性能穩定持久，操作簡便。

(2)霍爾效應作為一種磁電效應，相較光學測量、傳感測量等其他測量方法抗干擾能力強，能夠適應復雜的鉆探工程現場環境。

(3)一個霍爾傳感器成本僅需不到1元人民幣，單片機板價格也是按米計量，加上簡單的機械部分，儀器整體造價可控制在千元左右的較低范圍內。

(4)全過程實時監測鉆井作業，提供與時間相對應的完整資料鏈，可協助相關專業人員深入了解鉆探鉆進情況及現場地質情況。

(5)作為鐵路工程信息化管理的一種新方法，自動客觀、公正地進行實時記錄，實現了數據難以篡改的保存以及備查備用，節約人力資源且避免弄虛作假。

3.4 存儲文件格式

本儀器在采集結束后會以TXT文件的格式保存在SD存儲卡中。單個鉆孔監測數據大小僅為數MB甚至更小，在目前動輒8、16 GB的SD存儲卡容量下幾乎可忽略不計。為日后擴展GPS定位，定時攝像，振動監控等功能留下了極其充裕的空間。

3.5 可進一步實現的功能

本儀器預留有進一步開發模塊?，F可進一步實現的功能有:

(1)振動監控(主要監控被監測設備是否處于工作狀態);

(2)GPS定位(可實時對孔位進行校核，精度可達1 m以內);

(3)定時拍照、攝像等。

亦可根據客戶單位的需要對本產品訂制功能進行進一步的開發。

4 現場試驗應用

為保證儀器的功能實用以及穩定耐用，反復在室內進行試驗和到地質工程鉆探現場進行現場試驗。其中現場實驗主要在成綿樂城際高速鐵路、成渝客運專線以及都江堰水文化博物館等鉆探現場進行。

4.1 工程概況

成綿樂高速鐵路起于沙河堡新客站，沿寶成鐵路引入既有江油站，另外一個方向經成都南至雙流國際機場，最終抵樂山，正線長323.19 km，主要經綿陽、德陽、廣漢、成都、彭山、眉山、夾江、峨眉至樂山，全線50%左右的路段為橋梁隧道，其中新建橋梁121座長148.85 km，隧道11座長12.525 km。

該工程中涉及大量的鉆孔工程量，在設計方中鐵二院工程集團有限責任公司的支持下，完成了本項目的部分現場試驗和調試工作。

4.2 現場試驗

圖4為試驗現場，當時正在鉆探工程現場進行試驗前的準備工作。

圖4 試驗現場

儀器測試采集反饋的原始數據形式如表1所示，括號中文字為對數據含義的注解。

表1 儀器采集的原始數據形式

本項目通過大量的現場對比試驗、調試，檢測和改進儀器性能和準確度。鑒于篇幅限制，表1僅列出1組工作量數據。

部分現場試驗情況統計分析如表2所示。試驗數據統計見圖5。

表2 部分現場試驗情況統計分析

圖5 試驗數據統計

結合圖5及表2可以得出，儀器測量數據與現場實際測量的數據非常接近，最大絕對誤差僅為0.21 m，平均絕對誤差為0.155 m;最大相對誤差約為0.56%，平均相對誤差約為0.38%;能夠滿足實際地質工程中對鉆探作業工作量監測的要求。

5 結語

(1)我國目前有大量的鐵路工程需要實施，而隨著科學技術的發展進步，鐵路工程信息化管理是未來鐵路工程技術發展的一個趨勢，本項目研制的鉆井作業過程監測儀為在鐵路工程中監測鉆探作業提供了一種新方法，符合這一趨勢。

(2)經過反復現場試驗及調試改進，本儀器的監測精度已完全能夠滿足實際地質工程中對鉆探作業工作量監測的要求。而相較于其他監測方法，本儀器具有以全過程實時自動監測為核心的一系列特有優勢。

(3)本儀器已經完成了樣品機機械部分和單片機處理模塊的研制，本儀器的基本功能已經實現，并已獲得國家實用新型專利(專利號:ZL2010201358478)。且基于專門為本儀器開發的單片機系統，本儀器預留有進一步開發模塊，可根據工程現場需要進一步實現定時拍照、攝像及振動監測等功能。

(4)本儀器已獲得聯合研發企業、亦是潛在客戶——中鐵二院工程集團有限責任公司的推廣意向。目前，在本項目成果的基礎上，正同客戶單位就儀器的進一步改進以及商業化推廣進行更加深入的合作，本儀器具有廣闊的推廣應用前景。

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