基于無線傳輸策略的松軟煤層鉆孔測斜儀

秦 怡

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400037）

鑒于松軟煤層瓦斯[1-3]壓力大、地形復雜、透氣性差等自然因數，加上操作人員經驗不足、鉆具自重等人為和設備因數，導致煤層中鉆孔不均勻，進而帶來瓦斯抽放效率低。而中小型回轉鉆機由于體積小、易拆卸、方便運輸等優點，在短距離、施工空間有限等方面較水平定向千米鉆機有很大的優勢。目前市場上，普遍存在測斜儀都是基于有線策略實現電腦、同步機和探管之間的數據傳輸和繪制，該方法存在線纜成本高、接口處工藝復雜等問題。

研究了兼備篩管下放工藝的隨鉆測量系統設備，當松軟煤層鉆孔分布過疏時，就采取補鉆孔措施，進而提高瓦斯抽放效率，消除煤層瓦斯抽放盲區，對相鄰鉆孔的設計和布置進行理論指導。同時，采用無線藍牙傳輸技術來實現測斜儀和同步機之間的通訊，該技術可以有效解決通訊接口受煤渣煤灰帶來堵塞、通訊不可靠等問題，同時具有便于攜帶、數據傳輸率高等優勢。

1 存儲測斜儀總體方案

1.1 隨鉆測量技術

鉆孔空間軌跡[4-5]最重要的2個參數為方位角和傾角，這2個角的方位決定了鉆孔軌跡空間姿態。為實時測量水平定向鉆孔軌跡信息，就必須將磁強計和三軸式重力加速度計裝入無磁鉆桿內部，通過這2個傳感器測得的數據，就可以完成定向鉆孔實時軌跡信息的測量。

定向鉆孔軌跡姿態如圖1，空間中曲線為實時鉆孔軌跡，O與Oz代表鉆孔點和垂直指向地面方向。曲線任意2點和在水平面的投影為M’和P’。軸和鉆孔當前點切線在水平面投影之間的夾角，則被稱為方位角φ，φ代表鉆具在水平面內運動的軌跡方向；鉆具的軸線與水平面之間的夾角，則被稱為傾角φ，φ代表被測鉆孔偏離水平面的傾斜程度。

圖1 定向鉆孔軌跡姿態

坐標系旋如圖2，根據歐拉定理和地理坐標系旋轉理論，探管電路傳感器單元能夠實時測得的三維正交磁強計和重力加速度計的矢量值。為方便計算，將探管的軸線方向定義為y軸，以Oy方向建立鉆具空間姿態坐標系xyz。將地理坐標系UNE，經過一系列等價旋轉變換到xyz坐標系，變換過程中，所需的旋轉角度就是鉆具當前空間姿態角度。

圖2 坐標系旋

初始狀態，旋轉坐標系xyz和UNE重合，軸x對應軸U，軸y對應E，軸N和軸z對應軸。坐標系UNE經過旋轉角φ、旋轉角φ和旋轉角γ角，就可以得到鉆具當前的坐標系xyz。其中旋轉角φ、旋轉角φ和旋轉角γ角分別代表方位角φ、傾角φ和工具面角γ。

軸E繞著軸U旋轉，旋轉角為φ，旋轉變換矩陣為 Rφ，如式（1），旋轉后坐標系為x1y1U。

坐標系為x1y1U繞x1旋轉，旋轉角為φ，旋轉變換矩陣為 Rφ，如式（2），旋轉后坐標系為 x1yz1。

坐標系為x1yz1繞y1旋轉，旋轉角為γ，旋轉變換矩陣為 Rγ，如式（3），旋轉后坐標系為xyz。

綜上，按照一定的旋轉次序，可以實現空間姿態坐標系xyz和地理坐標系UNE的變換，變換矩陣為Rbl，Rbl=RφRφRγ。探管中加速度傳感器和磁強計實時測得的值分別為 gx、gy、gz和 Bx、By、Bz。根據坐標變換和矩陣方程組[6]，可以得到傾角和方位角，分別為式（4）和式（5）。

式中：g0為當地重力加速度的值。

1.2 篩管下放結構改進

1）探管結構改進。采用微小加速度計芯片與磁強計芯片，將探管外徑縮小為20 mm。

2）探管供電改進。電池采用穩定性好的可充電鎳氫電池組，同時增加減震環。

3）傳輸接口改進。采用無線傳輸模式，省去連接線纜和接口工藝處理。

無磁鉆桿內部剖面圖如圖3，探管直徑20 mm，長度為692 mm，這樣可使篩管在鉆桿內下放的空間足夠大。探管固定架是大于鉆桿內徑半圓的月牙型槽，能夠使探管固定架在鉆桿內固定卡死，同時也避免了對篩管下放工藝造成過多的干涉影響。

圖3 無磁鉆桿內部剖面圖

2 無線傳輸軟件流程

手持式終端為一款自制防爆手機，該手機自帶藍牙接受模塊，并配備相應的藍牙測斜儀系統APP開發軟件，可在井下查看實時鉆孔軌跡等信息，又可將其帶回地面進行無線數據傳輸和分析[7-9]，探管軟件流程如圖4。

圖4 探管軟件流程

1）狀體開關切換。主要用于探管狀態模式的切換,包含2種模式：命令模式和測量模式。命令模式是探管工作完畢取出時，開關切換于命令模式，此時手持終端開機，準備數據傳送；測量模式是探管進入測量工作時，開關切換于測量模式。

2）波特率設置。設置探管中的單片機串口波特率與藍牙模塊的波特率保持一致。波特率配置好后，對藍牙模塊系統進行斷電、復位。此時“控制主程序”進入啟動、待命狀態，和終端保持實時通訊。

3）從手持終端發出的數據被單片機接收到后，單片機按照電池電量信息、系統時間、文件等測量信息，按照對應的數據格式分別進行解析和存儲，并將信息返回到終端手持設備上。同時，單片機上內存裝置實時記錄和存儲發給手持終端設備的信息，以保證手持終端設備出現異常時，仍能記錄數據傳輸歷史。

4）單片機執行Ymodem文件傳輸協議，將獲取的數據放到緩沖區，最終寫入存儲介質，本次通訊結束，單片機退出Ymodem文件傳輸協議的函數。

5）當單片機跳出Ymodem文件傳輸協議的函數后，進入主循環函數。手持終端仍然會單片機發送數據信息，單片機也會按照電池電量信息、系統時間、文件等測量信息，按照對應的數據格式分別進行解析和存儲，并將信息返回到終端手持設備上。

3 試驗應用

研制的測斜儀裝置[10-11]主要由手持終端設備、螺旋凹槽無磁鉆桿、微小型探管等主要部件組成。操作人員將探管帶回井上并可進行數據分析與處理。通過藍牙設備來獲取儲存大量鉆孔數據信息，便于分析、處理和改進不足。

為驗證隨鉆測量系統的可靠性和有效性，選擇淮南礦業有限責任公司張集礦北區作為試驗場所,篩管下放操作流程如圖5，經試驗所測得的數據穩定、實鉆軌跡平滑，篩管下放過程流暢，數據報告自動生成，數據精度高，測量鉆孔據傾角數據見表1,測量鉆孔據方位角數據見表2。

圖5 篩管下放操作流程

表1 傾角數據

表2 方位角數據

由表1和表2試驗數據可得，3#鉆孔、4#鉆孔、5#鉆孔、6#鉆孔的設計孔深和實際測得孔深基本保持一致(鉆孔隨鉆軌跡圖略)。由手持式終端無線測得5#鉆孔的數據得到的鉆孔隨鉆軌跡(圖略)可知，由于松軟煤層地質特殊和鉆桿自重因數的影響，實際鉆孔軌跡和理論設計軌跡，在一定深度下，會存在較大的偏差，這時候便需要采取補鉆措施。

4 結語

基于無線傳輸策略的測斜儀裝置，有效解決了松軟煤層中由于篩管下放工藝導致的鉆孔盲打、漏打、鉆孔分布稀疏等問題，極大地降低了瓦斯災害風險。同時，省去了連接線纜，節約成本，接口工藝得到有效地加強。試驗證明了基于無線傳輸策略測量儀具有很高的工作穩定性和較強的可靠性。