防沖卸壓鉆孔施工鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)設(shè)計

亞珠

(1.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266000；2.山東交通技師學院 山東 臨沂 276000)

防沖卸壓鉆孔施工鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)設(shè)計

仲崇濤1郭震1燕明偉1張震1張亞珠1李陽2

(1.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266000；2.山東交通技師學院 山東 臨沂 276000)

在分析鉆孔卸壓施工中鉆桿易脫落問題的基礎(chǔ)上，以超低頻電磁波實現(xiàn)單信道多節(jié)點的遠距離無線通信，設(shè)計了一種孔內(nèi)鉆桿脫節(jié)自動報警系統(tǒng)，實時顯示鉆桿底部鉆進數(shù)據(jù)，鉆桿脫節(jié)或者斷開時，系統(tǒng)自動報警，避免鉆孔施工鉆進操作的盲目性。

卸壓鉆孔；超低頻電磁波；鉆具參數(shù)檢測；鉆桿脫節(jié)報警

引言

沖擊地壓積聚區(qū)域卸壓鉆孔施工過程中鉆桿在地質(zhì)環(huán)境影響下經(jīng)常斷裂，退鉆時常有脫節(jié)等情況[1]。目前煤礦井下卸壓鉆孔技術(shù)不能實時監(jiān)測孔內(nèi)鉆桿底部溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化情況；尤其是在沖擊地壓特別積聚區(qū)域卸壓孔孔深較大，鉆進施工過程中孔內(nèi)真實情況不能及時反饋到地面，鉆具狀況只能憑經(jīng)驗估計。如果在孔內(nèi)鉆桿斷裂或脫落情況下繼續(xù)施工，將損壞鉆具、鉆桿，發(fā)生鉆進事故，嚴重影響卸壓鉆孔施工進度[2-3]。考慮到井下防沖卸壓鉆孔施工鉆具實際應用環(huán)境，本文設(shè)計了孔內(nèi)鉆桿脫節(jié)自動報警系統(tǒng)，以超低頻電磁波為傳輸媒介實現(xiàn)孔內(nèi)鉆桿參數(shù)信息的無線傳輸；鉆桿脫節(jié)斷開時，連接中斷，報警器自動報警[4]。

一、無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應用

采用無線溫度、轉(zhuǎn)速采集技術(shù)可在卸壓孔鉆進過程中實時監(jiān)測孔底鉆具的工況并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)就可以與孔外鉆具實時工作參數(shù)做出準確比較、分析，幫助判斷鉆具工作狀況，為現(xiàn)場施工提供準確可靠的決策依據(jù)從而及時采取各種措施，調(diào)整鉆進工作程序，提高施工效率。

基于超低頻電磁波實現(xiàn)單信道多節(jié)點的遠距離無線通信，基本傳輸原理與CATS類似，能夠利用單級或多級接力傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ剑瑢崿F(xiàn)遠距離通信。該類電磁隨鉆測量技術(shù)是油氣勘探開發(fā)試井測試方面的先進技術(shù)，現(xiàn)根據(jù)本系統(tǒng)的應用要求將其應用在防沖卸壓鉆孔孔內(nèi)鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)中。該技術(shù)與國外EXPRO無線遙測(CATS)系統(tǒng)技術(shù)水平相當，具有廣闊的開發(fā)前景[5]。

二、孔內(nèi)鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)在鉆頭與鉆桿之間增加一節(jié)“類鉆桿”(分兩個短接部)。其上部與鉆桿間增設(shè)“上部短接”；下部與鉆頭間增設(shè)“下部短接”。另外，在動力頭處添加霍爾轉(zhuǎn)速傳感器檢測動力頭實時轉(zhuǎn)速，再加上“地面”解調(diào)系統(tǒng)和巷道接收天線就構(gòu)成了整個孔內(nèi)鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)。

上部短接由調(diào)頻發(fā)射電路、電源電路組成，下部短接由懸重、扭矩傳感器及其配套電路組成，該電路配合壓頻變換單元電路對兩傳感器信號放大后，篩選、變換成正比于鉆桿底部懸重扭矩的頻率信號，然經(jīng)相加放大電路處理后送至上部短接調(diào)頻并發(fā)射。上、下部短接內(nèi)包含的這兩部分統(tǒng)稱為孔內(nèi)鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)的“發(fā)送電路”。

鉆桿底部發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的數(shù)據(jù)信號向上傳輸，巷道接收天線和解調(diào)系統(tǒng)能夠在巷道上接收到無差異信息，并成功解調(diào)成當前時刻的鉆桿底部扭矩和懸重(鉆頭重)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)鉆進數(shù)據(jù)的實時測量。其原理如圖1所示。

圖1 發(fā)送電路原理框圖

接收單元電路接收到“發(fā)送電路”的信號后，經(jīng)解調(diào)處理還原出與鉆桿底部懸重、扭矩成正比的電壓信號。處理后的電壓信號一方面送至信號儲存模塊記錄儲存，另一方面送至以STM32為核心的轉(zhuǎn)換顯示單元，直接顯示出鉆桿底部的扭矩。這部分電路統(tǒng)稱為“接收電路”。

三、發(fā)送電路

懸重與扭矩信號由專用傳感器產(chǎn)生，該信號是迭加的微弱差模信號。發(fā)送電路為隨鉆測量單元，隨鉆環(huán)境溫度變化范圍大，會使放大電路出現(xiàn)明顯漂移，如圖2所示，本系統(tǒng)選用的專用精密測量放大器AD524。由于信號處理中壓頻轉(zhuǎn)換單元需要提供-1.2V偏移電壓，故在AD524引腳6連接一個-1.2V參考電壓。

壓頻轉(zhuǎn)換選用ICL8038，懸重和扭矩的兩路信號要求頻帶不可過寬，且易分離。設(shè)計扭矩從零到最大值，對應的頻率設(shè)為4.8—6KHz；懸重從零到最大值，對應的頻率范圍設(shè)定為1—1.5KHz。即當懸重為最大值，扭矩達到最小值時，兩信號對應頻率差也會是兩倍以上，不會產(chǎn)生相互干擾，此時信號也較易分離。

圖2 信號放大及壓頻轉(zhuǎn)換單元電路

下部短接檢測到的懸重與扭矩的頻率信號f懸、f扭經(jīng)信號放大及壓頻轉(zhuǎn)換單元相加放大后，送至上部短接中的信號調(diào)頻發(fā)射單元調(diào)制后發(fā)射。

四、接收電路

調(diào)頻接收及解調(diào)由集成電路TDA7021完成。為了保證信號穩(wěn)定接收，將信號接收單元電路密封于金屬盒內(nèi)，裝在鉆機工作附近巷道煤壁上。經(jīng)該單元電路解調(diào)出的信號是懸重F懸與扭矩F扭的疊加，將該信號至送高、低通濾波器分離頻率；高通濾波截止頻率預設(shè)3.5kHz，低通濾波截止頻率預設(shè)1.5kHz。經(jīng)高、低通濾波分離出的兩信號再整為矩形波送至LM331為核心的頻壓轉(zhuǎn)換電路。工作時，需要經(jīng)由電平偏移、放大電路，將懸重、扭矩信號V’懸和V’扭變換成0～±2.5V的V扭和0～2.5V的V懸。

代表懸重、扭矩的兩信號V懸、V扭除作為資料用作存儲記錄外，還應輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換計算處理并送數(shù)顯模塊顯示，如圖3所示。數(shù)顯部分分別顯示孔內(nèi)鉆桿實時懸重、扭矩和鉆壓參數(shù)。該單元電路中，MREQ和A14、A15端輸出的控制信號決定了74LS138對STM32芯片A11～A13譯碼使能。卸壓鉆孔施工過程中，每次裝卸鉆桿，均需一次系統(tǒng)復位，CPU自動檢測出鉆桿懸重最大值與鉆進過程中測量的實時懸重之差決定其實時鉆壓值并輸出。

圖3 數(shù)顯及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路

五、軟件設(shè)計

井下卸壓鉆孔施工時，隨鉆鉆壓、扭矩均會波動，那么實施數(shù)顯單元的顯示也會實時跳動。為方便數(shù)據(jù)讀取，本系統(tǒng)設(shè)定兩次數(shù)據(jù)采集間隔500ms一次，孔內(nèi)鉆桿脫落自動報警系統(tǒng)主程序如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

六、結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計在鉆機動力頭處添加霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，在鉆桿底部與鉆頭之間增加的一節(jié)“類鉆桿”，以超低頻電磁波為傳輸媒介，顯示鉆桿底部實時鉆進參數(shù)，鉆桿脫節(jié)或斷開時，實現(xiàn)自動報警，實現(xiàn)了卸壓鉆孔孔內(nèi)參數(shù)可視化，監(jiān)測實時化，避免二次鉆孔事故，保護鉆孔設(shè)備。

[1]豆旭謙,魏宏超,王林杰,曹建明,石會田. 煤礦井下坑道鉆探常見鉆孔事故分析與處理方法探討[J]. 西部探礦工程,2015,(08):21-23.

[2]陳松林. 鉆桿螺紋失效分析及改進措施研究[D].重慶大學,2008.

[3]王清峰,陳松林. 煤礦用坑道鉆機鉆桿斷裂原因分析及采取的措施[J]. 煤礦機械,2007,(06):148-150.

[4]孫紅雨,王娜,郭銀景,張計芬. 透地通信系統(tǒng)研究進展[J]. 山東科技大學學報(自然科學版),2011,30(03):79-85.

[5]邵養(yǎng)濤,姚愛國,張明光. 電磁波隨鉆遙測技術(shù)在鉆井中的應用與發(fā)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2007,(03):77-80.

仲崇濤(1992-)，男，漢族，山東滕州人，碩士研究生，從事機電液控制與自動化方向研究。