申朝陽(yáng)

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤與瓦斯突出防治、煤層突出危險(xiǎn)性鑒定及預(yù)測(cè)、瓦斯抽采及消突效果評(píng)價(jià)等活動(dòng)的進(jìn)行都離不開(kāi)高效、精確測(cè)量煤層瓦斯壓力。目前瓦斯壓力測(cè)定方法主要是在巷道向煤層打鉆孔，并進(jìn)行封孔形成密閉測(cè)壓室，最后測(cè)定密閉測(cè)壓室內(nèi)瓦斯壓力大小。遠(yuǎn)距離原位測(cè)定瓦斯壓力是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題，在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定時(shí)這一問(wèn)題更加突出：《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定不鑒定煤層突出危險(xiǎn)性又不允許在未鑒定區(qū)域掘進(jìn)煤巷，有些省甚至不允許在未鑒定區(qū)域掘進(jìn)巖巷，導(dǎo)致突出危險(xiǎn)性鑒定與掘進(jìn)測(cè)壓專用巷道成為死循環(huán)。故而迫切需要一套既不用掘進(jìn)測(cè)壓專用巷道又能方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)距離原位測(cè)定瓦斯壓力系統(tǒng)。

目前，鉆井術(shù)技術(shù)展迅速，千米定向鉆機(jī)在煤礦逐漸普及，在多個(gè)煤礦得到了實(shí)際應(yīng)用，并為煤礦創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。井下通信技術(shù)的快速發(fā)展，井下模擬載波通信產(chǎn)品從傳統(tǒng)的電子管到晶體管、再發(fā)展到集成電路，產(chǎn)品已經(jīng)更換了幾代，并且模擬載波也在向數(shù)字載波通信方向發(fā)展，使得載波通信的傳輸質(zhì)量進(jìn)一步改善。

鑒于上述情況，針對(duì)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位測(cè)定瓦斯壓力的問(wèn)題，基于定向鉆機(jī)并結(jié)合通信、傳感技術(shù)，本文開(kāi)展了定向鉆孔內(nèi)置原位瓦斯壓力測(cè)定系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)研究，以需求分析為著手點(diǎn)，研究瓦斯壓力測(cè)定探管的PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容；系統(tǒng)以通信電纜為傳輸媒介，研究信號(hào)傳輸方式，研究孔口監(jiān)視器的軟硬件升級(jí)改造總體方案。系統(tǒng)集瓦斯壓力數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、還原于一體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域瓦斯賦存規(guī)律的判斷，為是否需要采取煤與瓦斯突出防治措施提供依據(jù)，可為日后的工程裝備制造提供理論指導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離原位測(cè)定瓦斯壓力奠定基礎(chǔ)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 瓦斯傳感測(cè)壓裝置的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，對(duì)瓦斯傳感器的研究已顯示出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)中瓦斯傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巷道中瓦斯參數(shù)，為煤礦高效安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供有力支撐。

章清等設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存瓦斯壓力數(shù)據(jù)并可將數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控系統(tǒng)的智能化瓦斯壓力測(cè)定儀[1]。宋廣東等設(shè)計(jì)了一種基于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)并具有溫度補(bǔ)償?shù)男滦凸饫w光柵瓦斯壓力傳感器，該傳感器避免了溫度因素的干擾，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。張登攀等為了降低因誤差等因素造成的影響并利于多點(diǎn)分布測(cè)量提出一種基于彈性膜片的光纖光柵瓦斯壓力傳感器設(shè)計(jì)方案[3]。蘇子康等以51單片機(jī)為核心開(kāi)發(fā)了瓦斯突出應(yīng)急處理系統(tǒng)并討論瓦斯涌出及突出預(yù)測(cè)中瓦斯傳感器與壓力傳感器配合應(yīng)用的作用[4]。魏世明等在光纖光柵傳感原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于圓柱結(jié)構(gòu)的只感受支承壓力變化的傳感器[5]。

1.2 隨鉆測(cè)量技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

表1 國(guó)內(nèi)外隨鉆測(cè)量技術(shù)發(fā)展一覽[6-18]

周策，陳文俊提出了一種既可滿足傳輸并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需求又可優(yōu)化因電纜而造成的通信問(wèn)題的存儲(chǔ)式連續(xù)測(cè)斜儀[19]。單片機(jī)因其能滿足實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x器體積更小、更方便攜帶、更容易上手操控的需求使其成為測(cè)控系統(tǒng)的首選最佳平臺(tái)[20]。因存儲(chǔ)式測(cè)量方法需要在鉆機(jī)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)才能使用且大多數(shù)測(cè)量?jī)x器需要二次下鉆后才能進(jìn)行測(cè)量工作，無(wú)形當(dāng)中使測(cè)量時(shí)間和復(fù)雜度都提升了[21]。鉆孔軌跡繪制受井下惡劣條件、電磁干擾及傳感器自身因素影響較大，并且隨著需求的進(jìn)一步多樣化、規(guī)范化使得對(duì)儀器的精度和穩(wěn)定性要求日趨嚴(yán)格[22]。

1.3 信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

李濤等介紹了一種基于CAN技術(shù)既可解決遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸也可提升系統(tǒng)可靠、實(shí)時(shí)、靈活性的方案[23]。王華東通過(guò)供電方式、電纜直徑、供電電壓等方面進(jìn)行計(jì)算解釋，最終確定滿足遠(yuǎn)距離傳輸需求的傳感器數(shù)量[24]。李艷娟等為提高遠(yuǎn)距離傳輸可靠性提出一種在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)上處理數(shù)據(jù)后再發(fā)送至控制盒的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案[25]。趙哲謙等通過(guò)瓦斯傳感器、RS485總線及以太網(wǎng)等技術(shù)手段設(shè)計(jì)了一套千米鉆場(chǎng)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸[26]。

從以上可以看出，對(duì)于瓦斯傳感測(cè)壓裝置而言集中在新型瓦斯傳感器的研制、測(cè)壓裝置與常規(guī)鉆具連接進(jìn)行原位測(cè)量的方式研究上；對(duì)于隨鉆測(cè)量技術(shù)而言國(guó)內(nèi)外均研發(fā)出了有線和無(wú)線傳輸?shù)碾S鉆測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)；對(duì)于信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)而言集中在使用CAN總線通信協(xié)議和RS485總線通信協(xié)議通過(guò)電纜進(jìn)行信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸研究。

綜上所述前人對(duì)瓦斯傳感測(cè)壓、隨鉆測(cè)量技術(shù)、信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但沒(méi)有將定向鉆機(jī)與瓦斯壓力測(cè)定有機(jī)結(jié)合的相關(guān)研究。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展定向鉆孔內(nèi)置瓦斯壓力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可解決超遠(yuǎn)距離(數(shù)百米)煤層瓦斯壓力快速高效原位測(cè)定的問(wèn)題，可為全國(guó)類似條件下的瓦斯治理提供參考。

2 需求分析

2.1 瓦斯壓力傳感器需求

(1) 實(shí)際需求：所適用的壓力傳感器將使用在煤礦井下深孔鉆孔(鉆孔孔深≥100 m)之中，用來(lái)測(cè)量煤層瓦斯壓力，單點(diǎn)單路采集數(shù)據(jù)；

尺寸大?。焊鶕?jù)實(shí)際情況配套使用外徑73 mm，內(nèi)徑53 mm的鉆桿，鉆桿內(nèi)測(cè)量?jī)x器應(yīng)分為兩部分，靠近孔口部分為通信測(cè)量探管，主控模塊、載波變換模塊、測(cè)斜模塊、電源模塊及通信模塊安裝在通信測(cè)量探管中用以完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信、鉆孔軌跡測(cè)量以及AD采樣；靠近孔底部分為瓦斯壓力探管，其中只有瓦斯壓力傳感器用以完成瓦斯壓力參數(shù)的測(cè)量。兩部分通過(guò)多芯連接器進(jìn)行電氣連接。探管底端應(yīng)留有測(cè)試孔底氣體壓力的傳感氣孔，由底端支撐密封環(huán)實(shí)現(xiàn)探管的支撐和壓力腔體的密封。

防爆標(biāo)準(zhǔn)：ExibI，本安防爆I類(煤礦)；

量程：0～2.0 MPa。

(2) 裝置連接：瓦斯壓力傳感器能夠搭載在煤礦千米定向鉆機(jī)的中心通纜鉆桿之上，能安全可靠的測(cè)定采集鉆孔內(nèi)的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，由中心通纜鉆桿對(duì)傳感器進(jìn)行電源和數(shù)據(jù)傳輸，由孔口監(jiān)視器提供電源并且顯示并保存壓力傳感器所提供的數(shù)據(jù)。

2.2 探管設(shè)計(jì)需求

(1) 功能需求：鉆孔瓦斯壓力測(cè)量探管負(fù)責(zé)采集鉆頭姿態(tài)參數(shù)和鉆孔內(nèi)瓦斯壓力數(shù)據(jù)并上傳礦用防爆計(jì)算機(jī)。其中探管測(cè)斜功能的工作流程與現(xiàn)有探管相同，采用現(xiàn)有軌跡測(cè)量軟件；探管壓力測(cè)量功能的工作過(guò)程，主要由上位機(jī)軟件控制，在接收到上位機(jī)測(cè)量信號(hào)后，即時(shí)采集壓力傳感器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)上傳，再等待下一次測(cè)量信號(hào)。

(2) 結(jié)構(gòu)需求：探管與現(xiàn)有探管結(jié)構(gòu)類似，安裝在無(wú)磁外管內(nèi)部。為確?？變?nèi)瓦斯不能從無(wú)磁外管內(nèi)部泄露，必須將探管與無(wú)磁外管之間的環(huán)空進(jìn)行密封；由于氣體壓力傳感器的氣體接觸端面向孔底，為避免孔內(nèi)煤渣封住或破壞接觸薄膜需設(shè)計(jì)保護(hù)結(jié)構(gòu)；外管前端需有替代鉆頭的結(jié)構(gòu)，既便于二次下鉆又便于不通水情況保護(hù)氣體壓力傳感器有效與孔底瓦斯相通測(cè)量孔底瓦斯壓力。

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

(1) 探管部分：在接收到上位機(jī)測(cè)定瓦斯壓力指令后，探管中的軟件和控制電路系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確能夠?qū)⑼咚箟毫鞲衅鬏敵龅哪M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并能對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、處理，通過(guò)載波變換將探管中控制電路的輸出信號(hào)加載到通信電纜上進(jìn)行傳輸，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地將信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娇卓诒O(jiān)視器。

(2) 通信電纜部分：通纜鉆桿能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是因其內(nèi)部有一根通信電纜，可以進(jìn)行電源和信號(hào)傳輸；利用原來(lái)的傳輸系統(tǒng)傳輸煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)，選用合適的電氣連接方式、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及變送器進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，保證傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性、可靠性。

(3) 上位機(jī)部分：為實(shí)現(xiàn)鉆孔瓦斯壓力測(cè)量的功能，上位機(jī)的主程序需要增加瓦斯壓力測(cè)定模塊，可設(shè)置定時(shí)向探管發(fā)送壓力測(cè)量命令并接收、存儲(chǔ)和顯示壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，采用Win10操作系統(tǒng)，通過(guò)串口方式與底層系統(tǒng)通信。

3 探管設(shè)計(jì)綱要

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示?？拷卓诓糠譃榉饪足@桿，靠近孔底部分為測(cè)量?jī)x器。封孔鉆桿和測(cè)量?jī)x器外管通過(guò)螺紋連接，電氣信號(hào)通過(guò)通纜接頭連接。封孔鉆桿上端通過(guò)通纜接頭和通纜鉆桿連接。

圖1 探管結(jié)構(gòu)連接示意圖

儀器由兩部分組成，上端部分為通信測(cè)量探管，完成與孔口計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信和鉆孔軌跡測(cè)量；下端部分為瓦斯測(cè)量探管，完成封孔與瓦斯參數(shù)的測(cè)量。兩部分探管共用一個(gè)外殼，兩部分探管通過(guò)多芯連接器進(jìn)行電氣連接。

探管由固定環(huán)輔助居中安裝在外管中間。探管底端留有測(cè)試孔底氣體壓力的傳感氣孔，由底端支撐密封環(huán)實(shí)現(xiàn)探管的支撐和壓力腔體的密封。

3.2 探管PCB設(shè)計(jì)

探管主控模塊PCB結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。探管內(nèi)部與電路相關(guān)的模塊主要由五部分組成，載波變換模塊、主控模塊、瓦斯壓力傳感器、電源模塊、測(cè)斜模塊。載波變換模塊負(fù)責(zé)通過(guò)通纜鉆桿與上位機(jī)進(jìn)行載波通信，主控模塊負(fù)責(zé)控制探管的開(kāi)關(guān)控制和數(shù)字信息的轉(zhuǎn)換，瓦斯壓力傳感器負(fù)責(zé)采集孔底瓦斯壓力，測(cè)斜模塊負(fù)責(zé)鉆桿的行進(jìn)軌跡，在載波功率不足以滿足瓦斯壓力傳感器的功耗情況下，需要電源模塊，為瓦斯壓力傳感器供電。

圖2 探管主控模塊PCB示意圖

3.3 工業(yè)設(shè)計(jì)

探管的各功能模塊由外部殼體以及安裝在殼體內(nèi)部的壓力測(cè)量模塊、封孔模塊、氣體填充模塊以及電路和通信測(cè)斜模塊組成。壓力測(cè)量模塊包括內(nèi)置的瓦斯壓力傳感器和氣體網(wǎng)罩；封孔模塊包括封孔膠囊；氣體填充模塊包括位于鉆孔孔口位置的氣壓泵、壓力表、第一氣體通道和第二氣體通道；電路及通信測(cè)斜模塊包括芯管和芯管內(nèi)螺紋接頭，芯管內(nèi)的導(dǎo)線為瓦斯壓力傳感器、通信測(cè)斜的傳感器供電和傳輸數(shù)據(jù)。鉆進(jìn)過(guò)程中，通信測(cè)斜探管負(fù)責(zé)采集鉆頭姿態(tài)參數(shù)并上傳到上位機(jī)；上位機(jī)負(fù)責(zé)控制、接收、顯示和存儲(chǔ)鉆孔軌跡變化；當(dāng)鉆進(jìn)方向需要調(diào)整時(shí)，可以通過(guò)定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆柱以調(diào)整液動(dòng)螺桿馬達(dá)彎頭朝向來(lái)實(shí)現(xiàn)特定方向鉆進(jìn)。瓦斯抽采孔施工完畢后，退鉆排渣，卸下定向鉆機(jī)鉆頭到上無(wú)磁鉆桿間的器件。然后將包括通信測(cè)量探管和瓦斯壓力測(cè)量探管的探管安裝在通纜鉆桿上二次下鉆如圖3所示設(shè)備進(jìn)入孔底，其中，封孔膠囊在不充氣狀態(tài)下，通過(guò)固定在通纜鉆桿上進(jìn)入孔底。到達(dá)測(cè)試位置后，打開(kāi)氣瓶的閥門(mén)2，往鉆孔內(nèi)注氣，注氣完成后保持孔內(nèi)瓦斯壓力穩(wěn)定；開(kāi)啟氣瓶的閥門(mén)1，高壓氣體通過(guò)水便和通纜，以4 MPa的壓力注入封孔膠囊，當(dāng)壓力保持穩(wěn)定時(shí)，封孔完成，孔底形成密閉的測(cè)壓氣室。瓦斯通過(guò)氣體網(wǎng)罩的孔洞進(jìn)入瓦斯壓力測(cè)量裝置的腔體內(nèi)，壓力測(cè)量探管在接收到上位機(jī)測(cè)量信號(hào)后，即時(shí)采集壓力信息，壓力傳感器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)上傳，再等待下一次測(cè)量信號(hào)。壓力測(cè)量探管通過(guò)通纜鉆桿與上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的孔底壓力傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。當(dāng)孔口監(jiān)視器界面顯示瓦斯壓力值達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)壓結(jié)束。需要退鉆時(shí)通過(guò)定向鉆機(jī)進(jìn)行，使用的通纜鉆桿3米一根，通纜鉆桿間通過(guò)螺紋連接，退鉆時(shí)將通纜鉆桿一根根卸下即可。

圖3 探管工業(yè)設(shè)計(jì)圖

4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)綱要

瓦斯壓力測(cè)量探管中傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)信號(hào)、各類儀器的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)信號(hào)均經(jīng)主控模塊處理后經(jīng)載波變換模塊將數(shù)字信號(hào)加載到通信電纜中，通過(guò)RS485通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，傳送到上位機(jī)后經(jīng)載波變換模塊將通信電纜中傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和顯示壓力測(cè)量數(shù)據(jù)。

4.1 探管電路設(shè)計(jì)

探管電路框圖如圖4所示。探管控制電路結(jié)構(gòu)由以STM32芯片及供電模塊、晶振電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)配置電路、下載端口電路所構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路作為主控模塊、信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路作為載波變換模塊、三軸加速度傳感器和三軸磁傳感器作為測(cè)斜模塊、南京高華的GPD(60)礦用本安型壓力變送器作為瓦斯壓力傳感器模塊、電源電路作為電源模塊及RS485通信電路組成。

圖4 探管電路框圖

其中通過(guò)中心通纜鉆桿將電力傳輸?shù)奖举|(zhì)安全型電源電路中，經(jīng)過(guò)處理后為各工作模塊提供電力保障，保障各模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行。測(cè)斜模塊負(fù)責(zé)獲得鉆頭姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、瓦斯壓力傳感器模塊負(fù)責(zé)獲得瓦斯壓力數(shù)據(jù)并通過(guò)導(dǎo)線將鉆頭姿態(tài)參數(shù)和鉆孔內(nèi)瓦斯壓力數(shù)據(jù)信號(hào)傳入STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，STM32的數(shù)模轉(zhuǎn)換器同樣也可將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路將數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制到通信電纜上以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)娇卓诒O(jiān)視器，也可實(shí)現(xiàn)將孔口監(jiān)視器的信號(hào)解調(diào)并傳輸?shù)街骺啬K中。RS485通信電路通過(guò)中心通纜的通信電纜實(shí)現(xiàn)測(cè)壓模塊、測(cè)斜模塊與孔口監(jiān)視器的通信連接，實(shí)現(xiàn)信息交互。

當(dāng)封孔形成測(cè)壓密室后，上位機(jī)發(fā)送“啟動(dòng)壓力測(cè)定”指令。主控模塊收到上位機(jī)的通信指令后，瓦斯壓力傳感器開(kāi)始工作，待壓力平衡后，讀取瓦斯壓力傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過(guò)通信電纜傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。當(dāng)上位機(jī)中顯示的數(shù)據(jù)曲線變?yōu)槠椒€(wěn)，則上位機(jī)向主控模塊發(fā)送“測(cè)定結(jié)束”指令，主控模塊在收到指令后關(guān)閉瓦斯壓力傳感器，結(jié)束一個(gè)測(cè)定周期。

4.2 通信電纜

按傳感器的接線方式分有以下四種：二線制、三線制、四線制、五線制。受中心通纜鉆桿內(nèi)部只有一根導(dǎo)線的限制，無(wú)法使用除二線制以外的其他連接方式。最終瓦斯壓力傳感器與定向鉆機(jī)之間的電氣連接方式為“二線制”，二線制的兩個(gè)端子分別為“電源+”和“輸出+”，分別將導(dǎo)線與瓦斯壓力傳感器的兩個(gè)接線端連接后，既能使壓力傳感器正常運(yùn)行也能實(shí)現(xiàn)測(cè)量探管與上位機(jī)間的信號(hào)傳輸。

4.3 上位機(jī)電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)電路框圖如圖5所示。采用以STM32芯片及供電模塊、晶振電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)配置電路、下載端口電路所構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路為主控模塊并結(jié)合RS485通信模塊、載波變換模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊、按鍵電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及本質(zhì)安全型電源電路模塊組成上位機(jī)電路結(jié)構(gòu)。

圖5 上位機(jī)電路框圖

其中通過(guò)中心通纜鉆桿將電力傳輸?shù)奖举|(zhì)安全型電源電路中，經(jīng)過(guò)處理后為各工作模塊提供電力保障，保障各模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行。載波變換模塊實(shí)現(xiàn)將從測(cè)量探管傳輸來(lái)的載波信號(hào)進(jìn)行濾波變換轉(zhuǎn)換為上位機(jī)電路可識(shí)別的信號(hào)，也可將上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行載波變換加載到通信電纜上以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量探管的控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于保存測(cè)量數(shù)據(jù)及記錄各設(shè)備工作日志。RS485通信模塊通過(guò)通信電纜實(shí)現(xiàn)測(cè)量探管與上位機(jī)之間的信息傳輸。上位機(jī)通過(guò)按鍵模塊將指令下達(dá)給測(cè)壓裝置、隨鉆測(cè)量裝置，并接受其返回的測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理及圖形顯示使數(shù)據(jù)可視化。如果遇到異常情況，觸發(fā)聲光報(bào)警模塊來(lái)聲光提示。

4.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軟件功能框圖如圖6所示，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟硬件間的聯(lián)系，能夠滿足用戶登錄軟件、操作控制、查看數(shù)據(jù)等需求。其中軟件登錄功能用于用戶登錄軟件系統(tǒng)、串口通信功能用于與底層系統(tǒng)進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與測(cè)量指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)處理功能用于將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放功能用于歷史數(shù)據(jù)的回放查詢。

圖6 上位機(jī)軟件功能框圖

5 對(duì)比分析

從鉆孔深度、測(cè)壓巷道、塌孔、鉆孔密封難易及鉆孔重復(fù)利用五方面進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)測(cè)壓方法與新方法對(duì)比

從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)：采用傳統(tǒng)測(cè)壓方法需要先掘進(jìn)底板行到達(dá)測(cè)壓地點(diǎn)附近，然后向煤層鉆孔測(cè)壓，而底板巖巷工程量大，掘進(jìn)速度慢；巖石量給礦井運(yùn)輸、提升及地面環(huán)保工作帶來(lái)新的困難，給礦井正常生產(chǎn)帶來(lái)新的問(wèn)題；成本費(fèi)用高。而采用定向鉆孔內(nèi)置原位瓦斯壓力測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定則不需要掘進(jìn)巖巷，不需要矸石治理，可以節(jié)省挖掘巖巷、矸石運(yùn)輸、矸石治理、地面環(huán)保等方面的費(fèi)用，節(jié)約成本。

從安全性來(lái)說(shuō)：傳統(tǒng)測(cè)壓方法只能在巷道中就近向煤層鉆孔測(cè)定瓦斯壓力，沒(méi)有巷道就無(wú)法在所需的測(cè)壓地點(diǎn)測(cè)定瓦斯壓力，而在巷道掘進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生瓦斯超限、瓦斯預(yù)警事故，形成了安全隱患。而采用定向鉆孔內(nèi)置原位瓦斯壓力測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行煤層瓦斯壓力測(cè)定鉆孔距離遠(yuǎn)，控制范圍廣，可有效消除煤層遠(yuǎn)端的安全隱患。

從測(cè)壓效率來(lái)說(shuō)：傳統(tǒng)測(cè)壓方法只能等掘進(jìn)好測(cè)壓巷道之后才能進(jìn)行后續(xù)瓦斯壓力測(cè)定工作，掘進(jìn)巷道需要幾個(gè)月的時(shí)間，傳統(tǒng)測(cè)壓方法多采用被動(dòng)測(cè)壓法，瓦斯壓力平衡和觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，觀測(cè)時(shí)間一般需20～30天。測(cè)壓點(diǎn)位置距離巷道等采動(dòng)區(qū)距離短，可能受采動(dòng)影響使得圍巖裂隙發(fā)育，容易造成塌孔，并且需要退鉆之后重新將測(cè)壓裝置安裝到鉆桿并送至孔底測(cè)壓氣室邊緣，反復(fù)鉆孔，鉆孔密封難度大，工作量繁復(fù)，從而影響瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低測(cè)壓效率。而采用定向鉆孔內(nèi)置原位瓦斯壓力測(cè)定系統(tǒng)施工不需要掘進(jìn)巖巷、鉆孔直徑大、施工速度快、工程量小、可以施工多個(gè)分支孔測(cè)定多組數(shù)據(jù)、不易受采動(dòng)影響造成塌孔、鉆孔密封性好、瓦斯壓力平衡和觀測(cè)時(shí)間短、提升測(cè)壓效率。

6 結(jié)論

(1) 從需求分析入手，研究了瓦斯壓力測(cè)定探管的PCB設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)采集鉆頭姿態(tài)參數(shù)和瓦斯壓力數(shù)據(jù)并上傳到上位機(jī)并接受上位機(jī)的指令控制。

(2) 系統(tǒng)以通信電纜為傳輸媒介，瓦斯壓力傳感器與定向鉆機(jī)之間的電氣連接方式為“二線制”，通過(guò)載波變換模塊將數(shù)字信號(hào)加載到通信電纜上以RS485協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

(3) 根據(jù)需求，優(yōu)化了上位機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制、接收、顯示和存儲(chǔ)鉆孔軌跡和瓦斯壓力變化。

(4) 通過(guò)從經(jīng)濟(jì)性、安全性、測(cè)壓效率三方面對(duì)傳統(tǒng)測(cè)壓方法與定向鉆孔內(nèi)置原位瓦斯壓力測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行比較，新方法有成本低、安全系數(shù)高、鉆孔利用率高、測(cè)壓時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)的系統(tǒng)集成打下良好基礎(chǔ)。

(5) 目前該系統(tǒng)只能用于測(cè)定煤層瓦斯壓力參數(shù)，其他參數(shù)尚不能完成測(cè)定，可后續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)測(cè)定；上位機(jī)可后續(xù)增設(shè)網(wǎng)絡(luò)模塊，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)可將測(cè)定的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)共享，更好地推動(dòng)鉆探裝備智能化、信息化建設(shè)。