礦用鉆孔深度聲波測量裝置設計與應用

高 珺

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 聲波反射測量鉆孔深度原理

煤礦井下鉆孔深度測量原理如圖1所示。鉆孔深度按式(1)計算[9-10]：

L=S-L1

(1)

式中，L為鉆孔深度；S為鉆孔中鉆桿柱總長度；L1為孔口裸露段鉆桿柱長度。

圖1 鉆孔深度測量示意Fig.1 Drilling depth measurement

正常工作時，孔深測量裝置與鉆桿柱的連接方式如圖2所示。主機保持在采集模式，當探頭采集到激震源的觸發信號時，主機開始記錄聲波波形，聲波從孔口向孔底縱向傳播，直至鉆頭端遇到不同介質反射回來，主機采集完整反射波形，方可計算鉆孔深度。

圖2 孔深測量裝置與鉆桿柱連接示意Fig.2 Connection diagram of hole depth measuring device and drill pipe string

主機采集到的完整波形如圖3所示。

圖3 檢測儀采集波形Fig.3 Waveform acquisition by detector

鉆桿柱長度按式(2)計算：

(2)

式中，S為終孔提鉆桿前鉆孔中鉆桿柱總長度；V為聲波在鉆桿柱中的傳播速度；t1為記錄的首波峰值時刻；t2為記錄的反射波峰值時刻。

在現場應用中，在測量鉆孔深度之前，需對聲波在鉆桿柱中的傳播速度進行標定，標定步驟如下：①連接測試鉆桿柱，實際長度為S0；②用示波器接探頭測量標準鉆桿柱首波和回波的時間差Δt=t2-t1；③根據式(2)，計算鉆桿柱中的波速V。

2 孔深測量裝置硬件設計

孔深測量裝置的電氣部分主要由孔深測量主機和探頭組成，主機負責聲波信號處理、顯示和存儲等，探頭負責聲波信號采集，配套防爆榔頭作為敲擊鉆桿產生聲波信號的激震源[11-15]。孔深測量裝置組成如圖4所示。

2.由于企業投入研發費用須承擔研發風險，因此建議企業在客觀分析自身盈利及償債能力的基礎上，正確評估研發支出的科學性和合理性，避免因決策失誤而造成資金損失，甚至要利用將研發費用資本化來平滑企業利潤。企業作為整個經濟社會的重要組成部分，應當致力于提升企業價值，避免弄虛作假，承擔相應的社會責任，向投資者及社會公眾傳遞真實的企業信息，保證企業長足發展。

圖4 裝置組成Fig.4 Device composition

2.1 孔深測量主機設計

基于聲波反射測量鉆孔深度的原理，確定了礦用鉆孔深度測量主機的硬件框圖，如圖5所示，在此基礎上進行電路設計及硬件選型。

圖5 測量裝置硬件組成Fig.5 Hardware block diagram of measuring device

從圖5中可以看出，主機由電源模塊、核心板模塊、觸發電路、A/D模塊、差分放大電路和探頭等組成。其中核心板是裝置的核心單元，可實現數據計算、波形處理和上位機通信等功能；觸摸屏及液晶顯示屏模塊可方便快捷地進行人機交互；觸發電路由探頭收到的聲波信號觸發，啟動主機開始記錄波形；A/D模塊和差分放大電路可實現數據轉換、放大及濾波功能，提高波形的辨析度。

測量鉆孔深度時，探頭依靠磁鐵吸附在鉆桿尾端，直到接收到激震源縱向敲擊鉆桿產生的聲波時觸發電路并開始記錄波形，波形經過放大、濾波處理后送入核心板，再進行處理和計算，得到的波形和測量結果可在液晶屏顯示。

電源模塊由4節5 Ah磷酸鐵鋰電池串聯組成，充電前端配有防反充保護電路，放電后端后接兩級過壓過流保護電路，之后經過DCDC模塊分別轉化為3.3、5、15 V直流電壓，給其他模塊供電。在電池充滿的情況下，儀器可持續工作8 h以上。

2.2 聲波接收探頭設計

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能材料，利用其在機械應力作用下，兩端表面出現符號相反的束縛電荷而設計具有敏感的特性的聲波信號接收探頭，其結構如圖6所示。壓電陶瓷與磁鐵通過澆封材料和外殼緊密相連，磁鐵吸附在鉆桿上將接收的聲波信號傳導到壓電陶瓷上產生電壓變化。

圖6 探頭設計結構Fig.6 Probe design structure

3 孔深測量裝置的軟件設計

基于Altera-Cyclone器件的嵌入式開發平臺，在通信接口、控制、存儲方面管腳分配自由、設計選擇靈活性大，足以實現聲波信號處理、波形及波形信息存儲和鉆孔深度計算等功能，其軟件功能如圖7所示。

鉆孔深度測量軟件的主流程如圖8所示。主機開機測量后，持續采集探頭信息，程序控制裝置僅采集并顯示激振器在鉆桿上產生的首個周期聲波反射信號用于鉆孔深度的計算。孔深測量裝置實物照片如圖9所示。

圖7 軟件功能Fig.7 Software function

圖8 測量軟件主流程Fig.8 Main flow chart of measurement software

4 現場試驗

為了驗證礦用鉆孔深度測量裝置的應用效果，在陜西彬長礦業集團有限公司大佛寺煤礦和山西晉城煤業集團寺河礦等不同的工況條件進行了現場試驗。在陜西彬長礦業集團有限公司大佛寺煤礦，共測孔15個，全程跟蹤測孔8個，最大孔深180 m，主要在大佛寺4煤西部膠帶集中大巷22號鉆場和4煤西部2號大巷33號鉆場進行，設計孔深100～180 m，試驗中聲波波速全部選擇為5 150 m/s，由1號、2號、3號孔的檢測數據擬合出適合該礦鉆桿的測量曲線，如圖10(a)所示；再根據4號、5號、6號、7號、8號孔的測量數據，反算出鉆桿長度的修正值，與鉆桿實際長度比較，如圖10(b)所示。得到最后的誤差曲線如圖11所示。圖11中，78%的測量誤差在5 m以內，22%的誤差在5～9 m，檢測結果的不穩定情況，將之歸結為該礦鉆桿混用及鉆桿老舊情況嚴重。

圖9 孔深測量裝置實物照片Fig.9 Physical photos of hole depth measuring device

圖10 鉆孔深度測量曲線Fig.10 Borehole depth measurement curves

圖11 誤差曲線Fig.11 Error curve

在山西晉城煤業集團寺河礦53022巷8號橫穿鉆場定向鉆進成孔后，進行了現場試驗，檢測鉆孔中鉆桿長度，最大測孔深度222 m，全程測孔1個，跟蹤測孔過程中共測點8次，前7次檢測時波速設置恒定5 150 m/s，檢測誤差隨著鉆桿長度增加而增加。根據前7組檢測數據，得到擬合曲線及擬合公式如圖12所示。將擬合公式系數輸入儀器，進行第8次檢測，檢測波形如圖13所示。

圖12 檢測值與實際值擬合曲線Fig.12 Fitting curve between detected value and actual value

現場試驗表明，儀器各項功能及技術指標正常，已基本具備工業化推廣的條件，滿足目標應用領域的基本要求。

5 結論

在充分調研當前煤礦井下鉆孔施工現場情況和鉆孔深度測量技術現狀的基礎上，重點研究了煤礦井下應用聲波反射檢測鉆孔深度的技術方法和裝置軟硬件設計。通過現場試驗，驗證了裝置的測量深度大于200 m，測量誤差不大于10 m，確認了該裝置應用于煤礦井下孔深測量的性能可靠性。