史曉帆

（晟泰公司機(jī)電安裝分公司，山西 晉城 048006）

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦在工作面采掘過程中經(jīng)常會遇到一些地質(zhì)構(gòu)造，主要使用全液壓鉆機(jī)ZDY3200S 或ZDY1200S 施工Φ94 mm 和Φ75 mm鉆孔進(jìn)行構(gòu)造探測，施工長度最長達(dá)150 m。如果鉆探取芯進(jìn)行構(gòu)造識別，工期太長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，但無芯鉆進(jìn)，通過返水和巖粉識別構(gòu)造又很容易造成誤斷。鉆孔施工較長時(shí)其軌跡與設(shè)計(jì)直孔偏差較明顯，無法通過調(diào)整鉆孔傾角對其進(jìn)行預(yù)先校正，從而確保終孔到達(dá)指定位置。為此，需研究一套技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的鉆孔可視化軌跡測量儀[1-6]，對鉆孔的方位、傾角進(jìn)行精確測量，確保探放水鉆孔按照設(shè)計(jì)要求布設(shè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用可視軌跡儀硬件部分，主要包括礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)、探管、測距儀以及視頻傳輸電纜、信號電纜等附件。該系統(tǒng)電氣部分連接圖如圖1。

圖1 電氣部分連接圖

測距儀的主要作用是測量并記錄探管深入到鉆孔內(nèi)所行走的距離，同時(shí)鉆孔孔壁的具體情況通過探管內(nèi)置的攝像頭拍攝成圖像，通過電纜將測距儀測量的探管深度和探管拍攝的孔壁圖像視頻發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)將接收到的探管深度信號通過單片機(jī)進(jìn)行分析，從而測算出探管在鉆孔內(nèi)的行進(jìn)位置，并將接收到的探管拍攝的視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對圖像進(jìn)行顯示和處理。

主機(jī)不僅可以對接收到的圖像進(jìn)行處理，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像的顯示，并且對接收到的圖像進(jìn)行保存。保存后的圖像可以通過USB 口傳輸?shù)絇C機(jī)上做進(jìn)一步分析。儀器原理框圖如圖2。

圖2 儀器原理框圖

（1）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀測距儀系統(tǒng)

測距儀與繞線架組成的測距儀系統(tǒng)通過航空插頭接入主機(jī)測距儀端口，以感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)編碼器為測量部件的旋轉(zhuǎn)測量傳感器為測距儀的主要結(jié)構(gòu)，用來記錄探管在鉆孔內(nèi)行進(jìn)的深度。

（2）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀探管系統(tǒng)

探管系統(tǒng)為鉆孔可視軌跡儀的重要組成部分，它由具有計(jì)算分析能力的單片機(jī)和各類不同功能的外圍電路組成。其中核心部件為單片機(jī)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集控制；同時(shí)配備了一塊外部存儲芯片，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲。鉆孔可視軌跡儀內(nèi)設(shè)數(shù)據(jù)通道，通過單片機(jī)控制開關(guān)進(jìn)行通道的選擇，被選通的磁力計(jì)的電信號經(jīng)過模擬開關(guān)后會通過放大電路進(jìn)行信號放大，然后通過信號轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行分析處理，完成計(jì)數(shù)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采樣的全過程。探管內(nèi)部設(shè)計(jì)攝像頭，主要對孔壁的具體情況進(jìn)行拍攝，同時(shí)設(shè)計(jì)一圈LED 發(fā)光二極管進(jìn)行補(bǔ)光，攝像頭拍攝的視頻信號通過電纜發(fā)送給主機(jī)。

（3）礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)系統(tǒng)

礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)系統(tǒng)包括圖形顯示單元彩色液晶顯示屏、數(shù)據(jù)存儲單元及主控制單元；對外接口系統(tǒng)包括充電斷口、探管斷口、測距儀斷口及操作旋鈕；另外還包含一組電池組（4 Ah，12 V）。

礦用本安型鉆孔可視軌跡儀主機(jī)接收測距儀傳來的RS485 信號和探管傳來的視頻信號，計(jì)算探管所在的深度位置，并將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對圖像進(jìn)行顯示和處理。主機(jī)不僅可以對接收到的圖像進(jìn)行處理，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像的顯示，并且對接收到的圖像進(jìn)行保存。保存后的圖像可以通過USB 口傳輸?shù)絇C 機(jī)上做進(jìn)一步分析。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）新型精密鉆孔軌跡測試儀器探管與主機(jī)的智能化自動(dòng)處理技術(shù)

鉆孔軌跡儀主要由主機(jī)部分和探管部分構(gòu)成。探管選用高精度地磁敏感傳感器，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的數(shù)據(jù)測量；主機(jī)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲，通過測量鉆桿長度來確定每一測點(diǎn)的孔深，并完成測量結(jié)果的計(jì)算與顯示。

探管與主機(jī)采用智能化自動(dòng)處理技術(shù)，由探管記錄數(shù)據(jù)并傳輸給主機(jī)，主機(jī)自動(dòng)處理并顯示測點(diǎn)軌跡，并將各測點(diǎn)的俯仰角和方位角進(jìn)行自動(dòng)顯示。該技術(shù)將大大提高數(shù)據(jù)采集及軌跡成圖的效率。

（2）保證軌跡儀在井下穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)

軌跡儀在煤礦環(huán)境下工作，需要有一定的穩(wěn)定性，研發(fā)中對儀器的工藝設(shè)計(jì)和裝配技術(shù)進(jìn)行了改良與提高。采用精湛的工藝設(shè)計(jì)和裝配，防護(hù)等級達(dá)到IP54，極大地提高了儀器的抗震性能和防水性能，保證了煤礦環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（3）提高軌跡儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及測量精度的關(guān)鍵技術(shù)

以往的軌跡儀采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及精度不高，有很大的改進(jìn)空間。軌跡儀研發(fā)過程中，在探管內(nèi)部采用高精度電子羅盤，極大提高了數(shù)據(jù)測量精度和穩(wěn)定性。通過提高軌跡儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及精度的關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)的系統(tǒng)具備硬件校正和軟件校正功能，進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）可視軌跡儀圖像及軌跡信息采集的高智能性技術(shù)

研發(fā)的可視軌跡儀采用圖像及軌跡信息采集的高智能性技術(shù)，配合專業(yè)算法，實(shí)現(xiàn)圖像信息及鉆孔軌跡儀信息的自動(dòng)采集和自動(dòng)校正顯示。測距儀記錄探管在鉆孔內(nèi)行進(jìn)的深度，探管攝取孔壁圖像，并將視頻信號傳送到主機(jī)，主機(jī)將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對圖像進(jìn)行顯示和處理。

（5）鉆孔可視軌跡儀數(shù)據(jù)解析軟件相關(guān)技術(shù)研發(fā)

研發(fā)可視軌跡儀的同時(shí)，進(jìn)行了相關(guān)解析軟件的研發(fā)，最終軟件成果為礦用鉆孔可視鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)解析軟件系統(tǒng)。該軟件是一款基于Windows 平臺的數(shù)據(jù)處理軟件，可以對鉆孔軌跡儀采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、鉆孔信息輸入、成圖顯示、保存數(shù)據(jù)及輸出報(bào)告等操作。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

該鉆孔可視軌跡儀在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鳳凰山礦進(jìn)行了試驗(yàn)，初次在鳳凰山礦XV3210 巷隨鉆機(jī)往里走了3 m，能清晰觀察鉆孔內(nèi)的構(gòu)造情況，隨后依次在XV3206 巷隨鉆機(jī)往里走了30 m，在XV3202 巷隨鉆機(jī)往里走了40 m，在XV3212 巷隨鉆機(jī)往里走了95 m，均能清晰觀察鉆孔內(nèi)的構(gòu)造情況。

4 結(jié)語

鉆孔可視軌跡儀的使用可查明鉆孔偏斜情況，能有效地探測鉆孔方位角及傾角，實(shí)時(shí)直觀地觀測到鉆孔內(nèi)的各種構(gòu)造，并且對整個(gè)鉆孔進(jìn)行成像；不僅可以有效避免探陷落柱鉆孔和探放水鉆孔施工報(bào)廢鉆孔，減少經(jīng)濟(jì)損失，還可以有效探測煤層產(chǎn)狀、厚度等賦存情況，科學(xué)合理地指導(dǎo)并組織生產(chǎn)，保證防治水工作的有效開展。