李爭光，陳春芝

（河南能源集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600）

煤炭資源緊缺會(huì)對社會(huì)生產(chǎn)和生活造成不良影響。為了保障人們的正常生活和生產(chǎn)，我國每年都會(huì)開采大量的煤炭資源[1]。煤炭開采過程中，鉆探工作是其中非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，不僅可以為煤炭開采提供必要的地質(zhì)數(shù)據(jù)支持，也是保障煤礦生產(chǎn)安全的重要措施和手段[2]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對礦井鉆探工作的質(zhì)量和要求也越來越高，目前要求對鉆孔空間的軌跡曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測[3]。在這樣的背景下，技術(shù)人員結(jié)合礦井實(shí)際情況研制了隨鉆測量系統(tǒng)和裝置，利用此技術(shù)可以在鉆孔過程中實(shí)時(shí)檢測并顯示鉆孔空間曲線[4]。但是煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，鉆孔空間非常狹小，容易受到地磁干擾，給空間軌跡曲線檢測帶來了很大難度[5]。本文結(jié)合礦井實(shí)際情況研制了隨鉆測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測量精度高、誤差小、便捷性好等顯著的優(yōu)勢，在工程實(shí)踐應(yīng)用中獲得了較好的效果，在促進(jìn)礦井鉆探技術(shù)水平提升、保障礦井安全方面發(fā)揮著重要的作用。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 基本工作原理

利用隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔過程的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常要將鉆頭中攜帶的各類檢測傳感器停留在某個(gè)位置，然后對孔洞的方位角、傾角、深度以及面向角等參數(shù)進(jìn)行檢測[6]。完成檢測工作后鉆機(jī)繼續(xù)工作，待下個(gè)測量點(diǎn)利用同樣的方法對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測。完成鉆孔全部工作后，利用設(shè)定的擬合算法對所有測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到鉆孔的軌跡曲線數(shù)據(jù)。擬合算法的精度和計(jì)算時(shí)長會(huì)對最終軌跡曲線結(jié)果產(chǎn)生決定性的影響，在工程應(yīng)用中研發(fā)出了多種類型的擬合算法，各自都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場合。其中典型的擬合算法包括全角全距法、均角全距法和曲率半徑法[7]。

（1）全角全距法。這種擬合算法近似的將2個(gè)測量點(diǎn)之間的軌跡近似為直線。兩點(diǎn)之間的直線距離視為近尺差值，根據(jù)兩點(diǎn)之間的俯仰角和方位角可以計(jì)算得到兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)。根據(jù)此思路，從第一個(gè)測量點(diǎn)開始直到最后一個(gè)測量點(diǎn)，可以得到所有測量點(diǎn)的坐標(biāo)，將相鄰點(diǎn)用直線連接可得到鉆孔軌跡空間曲線。

（2）均角全距法。此方法同樣認(rèn)為相鄰2個(gè)測量點(diǎn)之間的軌跡為直線。但是將2個(gè)測量點(diǎn)的方位角和俯仰角分別取平均值，并將其作為兩點(diǎn)的方位角和俯仰角，在此基礎(chǔ)上對兩點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。將所有點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行連接可獲得鉆孔空間軌跡曲線。

（3）曲率半徑法。與上述2種方法的不同之處在于，曲率半徑法將2個(gè)測量點(diǎn)之間的軌跡視為圓弧曲線，將圓弧的長度視為兩點(diǎn)之間的進(jìn)尺差值。同時(shí)將兩個(gè)測點(diǎn)的方位角和俯仰分別作差，并將此差值分別視為鉆孔水平投影圓弧中心角以及剖面線圓弧中心角的數(shù)值。然后利用對應(yīng)的圓弧曲線將相鄰測量點(diǎn)進(jìn)行連接，從而獲得鉆孔的空間軌跡曲線。

不同擬合算法需要的計(jì)算時(shí)間及其結(jié)果精度存在一定差異，需要結(jié)合實(shí)際情況合理選取算法。不同空間軌跡擬合算法的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算誤差的對比情況如圖1所示。由圖1中數(shù)據(jù)可以看出，曲率半徑法的單步計(jì)算時(shí)間最長，但所得結(jié)果的誤差相對最小，而全角全距法單步計(jì)算時(shí)間最少，但得到結(jié)果的精度最差。

圖1 不同空間軌跡擬合方法的誤差及計(jì)算時(shí)長Fig.1 Errors and calculation time of different spatial trajectory fitting methods

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)的隨鉆測量系統(tǒng)的整理方案如圖2所示。從圖2中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)可劃分成為2大部分，分別孔內(nèi)儀器和孔口儀器。其中，孔內(nèi)儀器的作用主要是對各個(gè)測量點(diǎn)的空間位置和姿態(tài)進(jìn)行檢測。具體包括三軸磁阻傳感器和6個(gè)自由度傳感器及其對應(yīng)的處理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)，傳感器的作用是對空間位置和姿態(tài)等進(jìn)行檢測，最小系統(tǒng)的作用是對檢測結(jié)果進(jìn)行分析處理?？卓趦x器主要包括防爆計(jì)算機(jī)?？卓诤涂變?nèi)儀器通過鉆桿內(nèi)部的電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，傳感器的檢測數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果通過電纜傳輸?shù)椒辣?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲并呈現(xiàn)，工作人員通過計(jì)算機(jī)顯示屏可以實(shí)時(shí)掌握孔內(nèi)的具體情況。為了兼顧計(jì)算速度和結(jié)果精度，本研究中選用上文所述的均角全距法進(jìn)行擬合計(jì)算[8]。

圖2 隨鉆測量系統(tǒng)整體方案Fig.2 Block diagram of the overall scheme of MWD system

2 隨鉆測量系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂單片機(jī)最小系統(tǒng)指的是能夠確保單片機(jī)正常工作的最簡單的系統(tǒng)。不同單片機(jī)類型需要的最基本電路結(jié)構(gòu)存在很大差異[9]。研究在充分結(jié)合不同類型單片機(jī)性能的基礎(chǔ)上，最終選用STM32型單片機(jī)，該型號設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，性能相對比較穩(wěn)定[10]?；赟TM32的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理Fig.3 Smallest system of the single-chip microcomputer

由圖3可以看出，STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包含5部分電路，分別為復(fù)位電路、啟動(dòng)配置、RTC模塊和JTAG電路以及外部時(shí)鐘電路。

其中，JTAG電路的作用是協(xié)助STM32單片機(jī)完成資源下載，同時(shí)協(xié)助單片機(jī)完成在線仿真調(diào)試工作；RTC屬于供電模塊，其作用是為單片機(jī)的正常運(yùn)行提供能源支持，主要通過紐扣電池進(jìn)行供電，可以充電重復(fù)利用；外部時(shí)鐘電路包含2個(gè)外部時(shí)鐘源，分別為低速時(shí)鐘源和高速時(shí)鐘源，其中低速時(shí)鐘源的速度可以達(dá)到32.768 K，高速時(shí)鐘源的速度可以達(dá)到8 M。

需要說明的是，緊急情況下RTC模塊中的紐扣電池可以給系統(tǒng)中的后備寄存器進(jìn)行供電，對孔內(nèi)儀器的工作參數(shù)進(jìn)行存儲保存，避免特殊情況下數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)外部電源能夠正常工作時(shí)，可以對紐扣電池進(jìn)行充電，確保紐扣電池始終處于飽滿電荷狀態(tài)。

啟動(dòng)配置電路的作用是在測量系統(tǒng)啟動(dòng)工作后，根據(jù)實(shí)際情況對STM32單片機(jī)的BOOT[1:0]引腳進(jìn)行配置，配置方式不一樣意味著單片機(jī)具有不同的啟動(dòng)模式：①當(dāng)BOOT1為X、BOOT0為0時(shí)，表示啟動(dòng)區(qū)域?yàn)橹鏖W存儲器；②當(dāng)BOOT1為0、BOOT0為1時(shí)，表示啟動(dòng)區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)存儲器；③當(dāng)BOOT1為1、BOOT0為1時(shí)，表示啟動(dòng)區(qū)域?yàn)閮?nèi)置SRAM。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）MEMS傳感器測量電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中選用的MEMS傳感器具體型號為ADIS16445，該傳感器是一個(gè)非常完備的慣性測量系統(tǒng)，內(nèi)部包含有三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，可以同時(shí)對6個(gè)自由度進(jìn)行精確的檢測。最重要的是，該型號傳感器體積非常小，規(guī)格為24.1 mm×37.7 mm×10.8 mm，特別適合放置在鉆桿內(nèi)部進(jìn)行測量。傳感器共包含有20個(gè)I/O引腳，可以方便地與其他硬件設(shè)施進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。ADIS16445型傳感器的采集電路如圖4所示。

圖4 ADIS16445型傳感器的采集電路Fig.4 Acquisition circuit diagram of ADIS16445 sensor

ADIS16445傳感器可以獨(dú)立的對每個(gè)軸進(jìn)行校準(zhǔn)，從而提升傳感器檢測時(shí)的精度。可以對其開展數(shù)字編程工作，通過編寫相關(guān)程序讓設(shè)備能夠完成自動(dòng)校準(zhǔn)工作或者自動(dòng)化的對各項(xiàng)硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)備可以在-40～70 ℃內(nèi)正常工作，工作時(shí)的電壓為3.13～3.45 V，電流為74 mA，屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，完全能夠滿足礦井復(fù)雜的工作環(huán)境。

（2）磁阻傳感器測量電路設(shè)計(jì)。目前，市面上有多種磁阻傳感器測量裝置，其中HMC5883L型傳感器具有非常高的分辨率，在工業(yè)領(lǐng)域具有比較廣泛的應(yīng)用。該傳感器內(nèi)部包含放大器電路、偏差校準(zhǔn)電路、自動(dòng)消磁電路等，還包含有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)y量精度控制在1°～2°。此傳感器的體積同樣相對較小，其規(guī)格為3 mm×3 mm×0.9 mm，具有非常高的集成度，正常工作時(shí)只需要添加2個(gè)貼片電容和1個(gè)微處理器接口，就能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測量。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在±8 Gs的磁場范圍內(nèi)，其測量精度可以達(dá)到0.73 mGs。較高的測量精度為整個(gè)隨鉆測量系統(tǒng)的高精度測量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

HMC5883L傳感器的外圍電路如圖5所示。

圖5 HMC5883L傳感器的外圍電路Fig.5 HMC5883L sensor peripheral circuit diagram

3 隨鉆測量系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 軟件程序總體架構(gòu)

隨鉆測量系統(tǒng)的軟件程序總體框架如圖6所示。

圖6 軟件程序總體架構(gòu)Fig.6 Overall software program architecture

由圖6可知，整個(gè)軟件程序可以劃分成為3大部分，分別為驅(qū)動(dòng)層、鏈接層和應(yīng)用層。其中驅(qū)動(dòng)層的作用是對傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并對其進(jìn)行解析，獲得測量點(diǎn)的各種姿態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將其存儲到內(nèi)存中，共包含3個(gè)主要程序，分別為IMU讀寫程序、姿態(tài)角解算程序和數(shù)據(jù)存儲程序。中間層的作用是實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)和孔口硬件之間的連接。應(yīng)用層主要是對采集和分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，以直觀化的形式將結(jié)果呈現(xiàn)給工作人員。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

為了方便軟件程序的編寫及后期維護(hù)，系統(tǒng)中的軟件程序均基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集程序共包含一個(gè)主程序和若干個(gè)子程序，主程序運(yùn)行時(shí)需要不斷地調(diào)取各種子程序，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)的采集與讀取工作。具體而言，包含的子程序主要有IMU初始化程序、IMU讀取程序、傳感器初始化程序、電源電路初始化程序等。各種初始化程序的作用是對整個(gè)測量系統(tǒng)中的硬件設(shè)施配置情況進(jìn)行檢測，并確保各硬件設(shè)施都能夠正常運(yùn)行。

3.3 數(shù)據(jù)存儲程序

隨鉆測量系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)均以文字方式存儲，因此對內(nèi)存的需求量相對較小。研究中使用內(nèi)存大小為8 G的Micro SD卡作為存儲元器件，其系統(tǒng)文件格式為FAT32型，具有相對較快的文件存儲及讀取速度，可以滿足本測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取和存儲實(shí)時(shí)性基本要求。同樣采用模塊化思想對數(shù)據(jù)存儲程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含的子程序主要有SD卡初始化程序、數(shù)據(jù)塊讀寫程序、文件系統(tǒng)FAT32移植與實(shí)現(xiàn)程序等。SD卡初始化程序是確保該硬件設(shè)施后續(xù)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)和前提，SD存儲卡的初始化工作流程如圖7所示。SD卡上電開始工作后，首先對卡內(nèi)信息進(jìn)行讀取，如果無法讀取則系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)。若成功讀取系統(tǒng)需要對卡內(nèi)的信息進(jìn)行復(fù)位處理，并且將SD通信設(shè)置成SPI通信模式，同時(shí)將SPI時(shí)鐘設(shè)置到最大值。

4 工程應(yīng)用情況

4.1 鉆孔方案

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的隨鉆測量系統(tǒng)的工程實(shí)踐應(yīng)用效果，在某煤礦的301工作面膠帶二聯(lián)巷中開展鉆孔試驗(yàn)工作，鉆孔過程中利用隨鉆測量系統(tǒng)對孔洞空間軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。該煤礦的瓦斯?jié)舛认鄬^高，存在一定的爆炸性風(fēng)險(xiǎn)，并且屬于不自燃—易自燃煤層，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境給鉆探工作帶來了一定難度。在充分考慮礦井實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，在膠

圖7 儲卡的初始化工作流程Fig.7 Initialization flow chart of memory card

帶二聯(lián)巷中開展定向鉆孔施工，2個(gè)鉆孔之間的距離控制在50m左右，每個(gè)鉆孔的進(jìn)尺深度為300m，總的進(jìn)尺深度為600 m。為了更好地分析空間軌跡曲線，建立坐標(biāo)系時(shí)將X軸設(shè)置在鉆探方向，Y軸設(shè)置在X軸沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的方向上，另外一個(gè)為Z軸。

4.2 隨鉆測量系統(tǒng)的精度分析

（1）測量結(jié)果可重復(fù)性。測量系統(tǒng)的可重復(fù)性是檢驗(yàn)其測量精度的重要指標(biāo)，在相同地點(diǎn)進(jìn)行多次測量，如果測量系統(tǒng)能獲得比較統(tǒng)一的結(jié)果，說明該結(jié)果有很好的可重復(fù)性，即測量系統(tǒng)的精度越高。為了對隨鉆測量系統(tǒng)的可重復(fù)性進(jìn)行檢驗(yàn)，在開展1號鉆孔試驗(yàn)的鉆進(jìn)和退鉆的過程中，分別在相同地點(diǎn)開展測量工作。1號鉆孔鉆進(jìn)和退鉆階段測量數(shù)據(jù)的對比情況如圖8所示?？梢钥闯霾还苁欠轿唤沁€是俯仰角，在鉆進(jìn)和退鉆階段具有很好的吻合度，兩者之間的誤差相對較小。對鉆進(jìn)和退鉆階段的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在相同測量點(diǎn)方位角最大誤差為0.99°，俯仰角最大誤差為0.25°。綜上說明隨鉆測量系統(tǒng)具有很好的可重復(fù)性。

（2）實(shí)測數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對比。將2個(gè)鉆孔測量的軌跡曲線與設(shè)計(jì)的軌跡曲線進(jìn)行了對比分析，2個(gè)鉆孔在上下方向上的位移偏差統(tǒng)計(jì)情況如圖9所示。

圖8 1號鉆孔鉆進(jìn)和退鉆階段測量數(shù)據(jù)的對比情況Fig.8 Comparison of measured data during drilling and drilling phases of No.1 borehole

圖9 2個(gè)鉆孔在上下方向的位移偏差統(tǒng)計(jì)情況Fig.9 Statistics of the displacement deviation of the two boreholes in the up and down direction

由圖9中數(shù)據(jù)可以看出，在上下方向2個(gè)鉆孔的精度都相對較高。其中，1號鉆孔在120 m左右時(shí)出現(xiàn)的偏差最大，為1.59 m；2號鉆孔在整個(gè)鉆孔深度的誤差都控制的很好，最大偏差值只有0.18 m。利用同樣的方法可以統(tǒng)計(jì)2個(gè)鉆孔在左右方向的位移偏差情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1號鉆孔和2號鉆孔的最大偏差值分別為0.31、0.38 m。

綜上可以看出，本研究設(shè)計(jì)的隨站測量系統(tǒng)具有相對較高的測量精度，完全能夠滿足礦井的實(shí)際生產(chǎn)需要。目前隨鉆測量系統(tǒng)在煤礦工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用，取得了較好的實(shí)踐應(yīng)用效果，提升了鉆孔的質(zhì)量和效率，獲得了企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員的一致好評，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了一定的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文主要以煤礦中使用的鉆機(jī)為對象，對其隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行了深入分析和研究，并進(jìn)行了工業(yè)實(shí)踐，所得結(jié)論主要如下。

（1）設(shè)計(jì)的隨鉆測量系統(tǒng)共分為孔內(nèi)部分和孔外部分。其中，孔內(nèi)部分作用是利用各類傳感器對測量點(diǎn)的位置和角度信息進(jìn)行測量，孔外部分作用時(shí)對測量結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)與應(yīng)用。

（2）單片機(jī)最小系統(tǒng)中使用的控制器型號為STM32，該設(shè)備具有良好的性能，可滿足測量系統(tǒng)的基本運(yùn)算需求。使用的2種傳感器分別為ADIS16445傳感器和HMC5883L傳感器，均具有非常小的體積，特別適合放置在鉆桿內(nèi)部。

（3）將隨鉆測量系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，對其測量精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有良好的測量精度，且運(yùn)行過程穩(wěn)定，測試期間未出現(xiàn)明顯的故障問題。隨鉆測量系統(tǒng)的成功實(shí)踐，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。