矿用回转钻机离线式随钻测斜系统.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min e Aut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol . 45 No. 10 Oct . 2019 文章编号1671-251X201910-0005-06DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019020032 矿用回转钻机离线式随钻测斜系统 张文杰12,刘宗伟1,宋建成1 1.太原理工大学 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室％山西 太原 2.太原科技大学电子信息工程学院％山西太原03002 扫码移动阅读 摘要针对矿用回转钻机打钻过程中无法直接测量孔底钻具姿态数据和绘制钻孔轨迹的问题，基于随钻 测斜原理和离线式数据同步方法，开发了一种矿用回转钻机离线式随钻测斜系统。该系统由探管、同步仪和 上位机软件组成。探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别测量重力场和地磁场，以采集钻杆姿 态；同步仪通过按键采集钻孔和钻杆编号，并根据钻杆姿态数据进行有效测点筛选；上位机软件通过测点递 推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。功能测试结果表明该系统测量的总地磁场矢量模长接近真实值50〜 60 T,总重力加速度矢量模长接近1g,经传感器校正算法校正后的倾角最大偏差为1,方位角最大偏差为 5h 井下测试结果表明对于已成钻孔，该系统绘制的钻孔轨迹与实际轨迹基本相同；对于钻进钻孔，孔口轨 迹易受钻机本身的磁干扰而出现偏差，导致整条钻孔轨迹偏差较大，应保持钻机距离孔口 3 m以上。 关键词煤矿掘进；巷道掘进；回转钻机；随钻测斜；钻杆姿态测量；钻孔轨迹绘制 中图分类号TD712 文献标志码A Of f -l in e mea sur emen t whil e dr il l in g sy st em f or min e-used sl ewin g dr il l in g r ig ZHANG Wen jie12 , LIU Zon g wei1 , SONG Jia n chen g1 1. Na t ion a l g Pr ov in cia l Join t En g in eer in g La bor a t or y of Min in g In t el l ig en t El ect r ica l Appa r a t us Techn ol og y , Ta iy ua n Un iv er sit y of Techn ol og y , Ta iy ua n 03002, Chin a; 2. School of El ect r on ic In f or ma t ion En g in eer in g , Ta iy ua n Un iv er sit y of Scien ce a n d Techn ol og y , Ta iy ua n 030024, Chin a Abst r a ct For in a bil it y t o dir ect l y mea sur e a t t it ude da t a of dr il l in g t ool a t hol e bot t om a n d dr a w dr il l in g hol e t r a ject or y dur in g dr il l in g pr ocess of min e-used sl ewin g dr il l in g r ig , a n of f -l in e mea sur emen t whil e dr ilin g sy st em f or min e-used sl ewin g dr il in g r ig wa s dev el oped ba sed on mea sur emen t whil e dr ilin g pr in cipl ea n dof-l in eda t a sy n chr on iza t ion met hod.Thesy st emiscomposedof pr obet ube,sy n chr on izer a n dhost comput er sof t wa r e.Pr ob et ub e mea sur es g r a v it a t ion a l f iel d a n d g eoma g n et icf iel d sepa r a t el y t hr oug h t r ia xia l a ccel er omet er a n d t r ia xia l ma g n et omet er , so a s t o a cquir e dr ilin g r od atit ude. Sy n chr on izer a cquir es n umber s of dr il in g hol e a n d dr il in g r od t hr oug h pr ess k ey s,a n d sel ect s v a l id mea sur in g poin t sa ccor din g t odr ilin g r odatit udeda t a .Host comput er sof t wa r edr a ws2Dor 3Dt r a ject or y t hr oug h mea sur in g poin t r ecur sion a l g or it hm.Thef un ct ion a l t est r esul t sshowt ha t mol dheig ht of t ot a l g eoma g n et ic f iel d v ect or s mea sur ed by t he sy st em is cl ose t o r ea l v a l ue of 50-60 T, mol d heig ht of t ot a l g r a v it a t ion a l f iel d v ect or s is cl ose t o 1g, a n d t he ma ximum dip-a n g l e er r or is 1 a n d t he ma ximum a zimut h a n g l e er r or is 5 a f t er cor r ect ion by sen sor cor r ect ion a l g or it hm. The un der g r oun d t est r esul t s show t ha t ,r a jec,or y of r ea d-ma dedr ilin g hol edr a wn b y ,hesy s,emisb a sicaly ,hesa mea sa c,ua l ,r a jec,or y ,b u, hol e-mou,h,r a jec,or y of dr ilin g r ol eisea sil y afec,edby ma g n eicin ,er f er en ceof dr ilin g r ig ,og en er a ,e 收稿日期收稿日期2019-02-08 r oa dwa y t un n el in g; sl ewin g dr il l in g r ig ; mea sur emen t whil e dr il l in g; dr il l in g r od a t t it ude mea sur emen t; dr il l in g hol e t r a ject or y dr a win g 0引言引言 随着钻井技术的快速发展，超前探矿技术在煤 矿掘进中的应用越来越广泛「1-。为保证安全掘进, 采 机 和瓦斯进行超前探测。为指 导掘进工作, 制 轨迹，并形 成 2D或3D轨迹图「2-。目前能够 测量功能的矿用钻机以水平千米定向钻机为主⑶, 该种钻机 运行成本高、体积大、占 作空间大 等 ，不适用于狭窄的掘进工作面。 ，千米定 向钻机主 煤 开采的长距离钻进 而设计的，针对掘进 、 、巷道间管 线敷 距离钻进工况，采 回转钻机 \ 回转钻机 过程中 转传送 来驱动 进， 过中 缆方式 具 制 轨迹，只能基于事后 方式绘制 轨迹， 力。 ，开发适用于 回 转 机 该种 机 煤矿掘 进 具有重 ⑷- 本文基于 原理和离线式数据同步方 法囚，纟 式 成本低、体积小、功耗低等优 势，开发了一种矿用回转钻机离线式随钻 矿用普通回转钻机 轨 和绘制 功能。 1系统结构系统结构 根据离线式数据同步方法，矿用回转钻机离线 式 单元（探管）、 步 单元（同步仪）和轨 制单元（上位机软件）组成， 图1所示。其中探管用于 （重力 度场和地磁场）在载具坐标 分量。根 ，纟 转坐标 ，艮 具空 间姿态（方位角、倾角、工具面角）「6-。同步 置于 口，用于 号、扌 等。 i结 ，探管将 （包括 间、方位 工具 、温度）导 步仪，经 步 处理后，形成轨迹有效测点。上位机软件可安装于 计算机， 于同步仪， 平衡正切法 将 点绘制成 轨迹。 探管、同步仪和上位机之间主要采用RS232总 信方式， 、时间校准、扌 空等 Fig . 1 St r uct ur e of of f -l in e mea sur emen t whil e dr il l in g sy st em f or min e-used sl ewin g dr il l in g r ig 功能。为了便于人工将 ，同步仪设 计了 USX接口。 实际使用中，探管安装在钻头后1.5 m处的无 磁 中， 一 进。探管启动后每隔12 s 采集一 。同步 作，每增开一 新 增加一 号，每 一 增 一 号， 式 间、孔号、杆号 丨。 位机软件主要功能包括读取和清空探管和同步仪 校准探管和同步 间、绘制 2D或3D 轨迹图。 6 系统硬件设计系统硬件设计 根据系统结构及本质安全电路设计原则⑺，探 管、同步 件均包括CPU最 、扌 间模 信模块、供电模块，如图2所示。此 外，探管还包括 一一重力 度场和地磁 采 集 ， 步 包 括 和 块。考虑到系统工作 ，应选用耐高温、低功耗器 件。其中CPU选用耐高温ARM芯片LPC2194囚。 2. 1 重力加速度场和地磁场数据采集模块 重 力 度 和 磁 采 集 主 器（三 度 器和 磁阻传感 器）、信号调理电路和A/D转换电路组成。其中三 器 MEMS 度 器 ADXL203CE和各向异性单轴磁阻传感器 HMC1021Z。 重力 度场数据采集模块如图3所示。 ADXL203CE的Xut和丫。址引脚分别为重力加速度 矢量在传感器相 分 信号 ，当供 电电压为 5 V时，输出信号电压范围为0〜 5 V,即输入为0时，输出信号电压为 2. 5 V。 2019年第10期张文杰等矿用回转钻机离线式随钻测斜系统・7・ 8 V到5 V电平转换| 信号调理电路H A/D转换电路匚 ■H信号调理电路H A/D转换电路 12.5 V参考电源 |本质安全栅|8V供电电池| 信号 ，所 信号放大器INA118U对 器信号进行放大。INA118U增益为 G 1 5 2 G I二轴磁阻 為感器i|信号调理电嘲 A/D转换电跖 ；；|信号调理电跻A/D转换电駐二 罰|信号调理电岁Ha/d转换电路止 I Va | I三轴加速度 传感器 |3 V电池|实时时钟匕 錨 LPC2194 | i 普 S 尝II/O口模拟SPI接口 SPI总线 温度传感器餌缓存|存储器 式中为接入电阻。 一 RS2卞破口一 a 探管 |USB 接口 | b同步仪 图2系统硬件组成 一廨滞 一 一RS232接口一 Fig . 2 Sy st em ha r dwa r e composit ion 图3重力加速度场数据采集模块 Fig . 3 Da t a a cquisit ion modul e of g r a v it a t ion a l f iel d 为了输出稳定信号，在Xout和Yout引脚分别设置低 波 C和Cy 工况工 作，设置ADXL203CE输出信号带宽为＞3 dB,则有 式中“为信号输出频率;R为内部电阻的标称 值， 32 k；z X,Yo 何情况下G2 000 pF「9-。 系统测量对象为 磁场，所 为100 Hz, C Cy 0.05 F。 ，为 影 响, 器 1个0. 1 F g电 1 磁珠。 磁 采集 图4所示。一般情况下 地磁场为50 60 T,0-，当电压源为 5 V时, HMC1021Z输出为一13〜 13 mV。由于该电压 图4地磁场数据采集模块 Fig 4 Da t a a cquisit ion modul eof g eoma g n et icf iel d 为 度， 度和 磁阻传 感器均采 分 A/D转 ADS1110O由 于 为 ， 方向 ，所以将 ADS1110的Vef引脚设置为 2. 5 V,传感器输出 信号电压设置为一2. 5 2. 5 V。在信号调理电 中，为 度传感器设置电压 器;对于三 磁 器，置电压跟随器外， 置 g 300 ,即 INA118U 增益 G168。 于 磁 器 磁 响 置士 10 mV噪声相当， 磁 器 件的灵敏度 而 ，所以 置置位/复位磁 置 为每 「 器设置置位/复位 口门，如图5所示。 s 图5三轴磁阻传感器置位/复位电路 Fig .5 Set/r eset cir cuit of t r ia xia l ma g n et omet er 磁 器置位/复位 LPC2194的 2个I/O 口 来控制，通过MOSFET导通、 关断控制C ，从而 强电 器 件磁 重 ，确保敏 件具 度和可重复读数。 过程 中，该 、偏置误差. 差、交叉 干扰、有效信号 等影响。对于 磁场，首 施加置位 ， 桥 压队社；然后施加 位 ，， 桥 压Veset ；最 式⑶ 计 Vout。 2. 2 存储模块 原理，探管和同步 过程中要 ・8・工矿自动化第45卷 保存大量测量数据，便于后期绘制 轨迹。 1 最长时间（30 h要保 ，结合器 件耐高温要求％ 器FM25CL64和 Fl a sh 存储器 M25P16。FM25CL64 是 8k X 非易失 性FRAM,可用于数据缓存；M25P16是2 MX Fl a sh,可用于 。 2. 3 通信模块 通信模块包括串口通信电路和USX通信电路。 串口通信 采用RS232通信方式，主 于 I 间 ；USX通信 于将同步 USB媒介。采用文件管 制 f CH376作为USB通信电路的主控芯片，安装于同 步仪主控板上。 3系统软件设计系统软件设计 件包括探管程序、同步仪程序、上位机软 件，其中探管程序和同步仪程序采用单片机C语言 开发，上位机软件基于La bVIEW平台开发。 3. 1 探管程序 管程序主要用于采集三轴加速度传感器和三 轴磁 器数据％ 间、三轴重力 度分 、 磁场分量、温度顺序 。程序每隔 12 s采集、存储1 ，期间 于休眠状态 以降低功耗。采集 ，CPU设置相 A/D转换器工作模式，并启动A/D转换器进行数 据转换，然后读 器 。读 磁 器 作置位/复位 来提肩 度、 置误差和 。 管程序流程如图6所示。首先发出置位信 号，延时200 ms,待信号稳定 作A/D转换器并 读 转 ；然后发 位信号，并重 述操 作；最 式（3）计算三轴磁 器测量值。 图6探管程序流程 Fig . 6 Fl ow of pr obe t ube pr og r a m 3.2 序 步仪程序主要功能包括记录钻孔、钻杆数据 和 、 。记录 于 器中。 、彳 分为 读 管 、 点 、由通信接 口（串口和USB接口） 部分。其中 「 点 文献［5-中 步方法实现。 USB接口 借助U盘等 媒介，写入U 盘的数据以文本格式保存，便于后续上位机软件读 取。具 程如图7所示。 图7同步仪程序流程 Fig . 7 Fl ow of sy n chr on izer pr og r a m 3.3 上位机软件主要实现数据读取、数据处理、时间 校准、2D或3D轨迹图绘制、数据文件生成、报表生 成、测量单元校正等功能［12-o 位机软件 图8所示。该界面分为菜单 栏和 窗口两部分。菜单栏表明软件功能; 窗口 当前读 ，或经过数据处 获 点 ，包括 号、编 号、孔深、倾角、方位角、重力 度 长、地磁 场矢量模长、 差、左右偏差、温度、时间等。在 菜单栏的* ”下拉菜单设置好 初始信息 ，在“视图”下拉菜单 轨迹图形。 图8上位机软件界面 Fig .8 In ,er f a ceof hos,compu,er sof ,wa r e 2019年第10期张文杰等矿用回转钻机离线式随钻测斜系统・9・ 4 系统测试系统测试 系统样机如图9所示。探管外壳由青铜合金 制成，同步 壳由普通不锈钢制成，合缝处采用防 、防尘的橡胶密封圈密封。采用8 V鎳氢电池，并 为其配备过流、欠压保护 , 本质安全要 求。系统工作电压为DC7. 2 V,探管耐压为 150 MPa ,倾角测量范围为一90〜 90,方位角测 量范围为0 360。 图9系统样机 Fig . 9 Sy st em pr ot ot y pe 4. 1 功能测试 采 磁转台对样机进行功能测试。将探 管固定在转台中空处，并用销钉固定，如图10所示。 转动转台码盘，并按照系统工作流程测试姿态数据, 码盘读数。测试结果 1,其中设定姿 为转台码盘读数，探管 RS232接口导 1 同步仪，经筛 器 。从表1可 看出, 总地磁 长接近真 50〜 60 T,总重力加速度矢量模长接近1g, 差小 于3,方位 差小于10。 差 〕 差 ， 器 差 N 安 差 为 度，采用文献［13］扌 器校 正 ，经 校正 将 最大偏差降至1, 方位角最大偏差降至5。 图10三轴无磁转台 Fig . 10 Tr ia xia l n on -ma g n et ic t ur n t a b l e 表1系统功能测试结果 Ta b l e1 Fun c,ion a l ,es,r esul ,sof ,hesy s,em / 总磁场/ 总加速 T 度/g 方位角 倾角 度 差/ 定 器 方位角彳 力轴 ，轴 z轴 力轴 ，轴 z轴 方位 磁阻传感器/T 三轴加速度传感器/g 1. 5026.98006.055 040.36750.03110.091 00. 996148.92971.0007355.23051.778 86. 269 51.7788 60014. 042 5 16. 935 043.04250.03160.092 80. 9956 48.33881.000453.64981.811 5 6. 350 2 1.8115 1200 12. 285 017.525043.63250.03190.094 40. 9957 48.59881.0007116.92781.8256 3. 072 2 1.8256 1780 25. 735 0 5.200041.55000.03120.093 7 0.995 4 49.15011.0003183.00861.78665.00861.7866 303013.862528.645038.37000.03080.092 60. 995549.84941.0003301.18971.761 71. 810 31.7617 4. 2 井下测试 样机在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 赵庄矿二号井进行测试。第1 试已成水平钻 孔, 及部分钻机 。该 于两 巷道间水管敷设，总长51 m,所用钻杆为1. 5 m,无 磁钻杆为2 m,设计方位角为173. 48,设计倾角为 0, 点为34个。 点数据经 器校正 校正后2D轨 左右偏差和 差方式表 示，如图11所示。可看出左右偏差最大值为3 m, 差最大值为0.32 m,绘制的轨 轨 本相同, 工程 钻孔轨迹50 m 左右 差 不 大于5 m, 差 不 大于 2 m 第2 试进行打孔施工。设计 为5盘区 1 ，设计深度为40 m,设计 为1,设计 方 位 为 205 , 点 为 Fig .11 Thef ir st t est r esul t s ・10・ 工矿自动化 45 24个，2D轨迹如图12所示。可看出钻孔轨迹左右 偏差最大值为6 m,上下偏差最大值为1 m,偏差较 大。原因是钻机铁磁材料设备影响了孔口处地磁 场分布，导致探管测量的方位角误差增大。由于系 统采用测点递推算法绘制轨迹，所以孔口轨迹偏差 会导致整条轨迹偏差较大。为了避免该问题，系统 应用时应尽量保持钻机设备距离孔口 3 m以上。 b上下偏差 图12第2次测试结果 Fig .12 Thesecon d,es,r esul ,s 5结论结论 1 在矿用回转钻机离线式随钻测斜系统中， 探管通过三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器分别 对重力场和地磁场进行测量，以采集钻杆姿态；同步 仪通过按键采集钻孔和钻杆编号，并对探管发来的 钻杆姿态数据进行有效测点筛选；上位机软件通过 测点递推算法绘制钻孔2D或3D轨迹图。 2 对系统进行功能测试，结果表明该系统测 量的总地磁场矢量模长接近真实值50〜60 T,总 重力加速度矢量模长接近1g,倾角偏差小于3,方 位角偏差小于10。采用传感器校正算法后，倾角 最大偏差降至1,方位角最大偏差降至5。 3 对系统进行井下测试，结果表明该系统绘 制的已成钻孔轨迹与实际轨迹基本相同，满足实际 工程需求；绘制的钻进钻孔孔口轨迹易受钻机本身 的磁干扰而出现偏差，导致整条钻孔轨迹偏差较大, 因此应保持钻机距离孔口 3 m以上。下一阶段将 重点研究探管抗磁干扰设计。 参考文献References 1 -李泉新，石智军,史海岐.煤矿井下定向钻进工艺技术 的应用［J-.煤田地质与勘探，2014,422 85-88. LI Qua n xin ,SHI Zhijun , SHI Ha iqi. The a ppl ica t ion of dir ect ion a l dr il l in g t echn ol og y in coa l min e,J-. Coa l Geol og y Expl or a t ion ,2014,422 85-88. 2 -张旭辉.随钻测量技术与钻孔轨迹控制技术的研究 ［J-.现代矿业，2019,3533234. ZHANG Xuhui8Resea r ch on mea sur emen t t echn ol og y whil e dr ilin g a n d dr ilin g t r a ject or y con t r ol t echn ol og y ,J-. Moder n Min in g ,2019,353 32-34. ,3 -方俊，石智军，李泉新，等.新型煤矿井下定向钻进用 有线随钻测量装置［J-.工矿自动化，2015,418 1-5 FANGJun, SHI Zhijun, LI Qua n xin, et a l 8Nov el ca bl e mea sur emen t whil e dr ilin g dev ice used f or dir ect ion a l dr il l in g in coa l min e,J-. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion,2015,418 1-5. ,4 -黄麟森，张先韬.回转钻进随钻测量装置数据处理软 件设计［J-.工矿自动化2015,17112-114. HUANG Lin sen, ZHANG Xia n t a o8Desig n of da t a pr ocessin g sof t wa r e of mea sur emen t dev ice whil e dr ilin g f or r ot a r y dr ilin g ,J - 8In dust r y a n d Min e Aut oma t ion 2015 ,417112-1148 ,5 -刘宗伟，宋建成.随钻测斜系统离线式数据同步方法 研究［J-.工矿自动化，2017,439 5965. LIU Zon g wei, SONG Jia n chen g . Resea r ch on of f -l in e da t a sy n chr on iza t ion met hod of mea sur in g whil e dr il l in g sy st em［J-. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion , 2017,439 5965. ,6 -徐涛.水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究 ［D-.长沙国防科学技术大学，2006. ,7 -兴自中，杨宝祥.本安电路设计的基本原则与方法 ［J-.爆炸性环境电气防爆技术，19964815. ,8 -周立功.ARM微控制器基础与实践［M-.北京北京 航空航天大学出版社2009. ,9 -申海义，吴宝元，任阳，等.ADXL203型双轴加速计在 机器人足部感知系统中的应用［J-.电子技术应用， 2012,38559-61. SHEN Ha iy i, WU Ba oy ua n, REN Ya n g, et a l . Appl ica t ion of dua l -a xis a ccel er omet er ADXL203 in per cept ua l f oot sy st em of huma n oid r obot , J -. Appl ica t ion of El ect r on ic Techn ique201238 5 59-618 ,10- Na t ion a l Cen t er sf or En v ir omen t a l In f or ma t ion 8The wor l d ma g n et ic model , EB/OL -. , 2019-01-03 -. ht t ps / / www . n g dc. n oa a . g ov /g eoma g /WMM/ DoDWMM. sht ml . ,11- HAUSER H,FULMEK P L, HAUMER P, et a l . Fl ippin g f iel d a n d st a bil it y in a n isot r opic ma g n et or esist iv esen sor s,J- Sen sor s g Act ua t or s A Phy sica l ,2003,1061/2/3 121-125. ,12- BLUME P A. La b VIEW编程样式［M-.刘章发，衣法 北京 工业 版社 2009 ,13- LIU Zon g wei SONG Jia n chen g A l ow-cost ca l ibr a t ion st r a t eg y f or mea sur emen --whil e-dr il l in g sy st em , J - IEEE Tr a n sa ct ion s on In dust r ia l El ect r on ics,2018,654 3559-3567.