礦井鉆孔測(cè)斜裝置研制

楊慶 儲(chǔ)召銳 湯捷

(合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥 230009)

礦井鉆孔測(cè)斜裝置研制

楊慶 儲(chǔ)召銳 湯捷

(合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥 230009)

說明了裝置探頭和手持式同步機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn),對(duì)裝置的測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證,在現(xiàn)場環(huán)境下,進(jìn)行了實(shí)測(cè)試驗(yàn),驗(yàn)證了裝置的功能。

測(cè)斜裝置 傳感器 探頭 同步機(jī)

1 引言

目前，許多礦井下使用的測(cè)斜儀在測(cè)斜方式上采用二次送入的方法，操作繁瑣，耗時(shí)耗力，影響鉆孔效率。我們?cè)诂F(xiàn)用測(cè)斜儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)斜，在鉆孔完成后即可得出鉆孔測(cè)斜參數(shù)，且可直觀顯示鉆孔軌跡曲線，方便快捷。根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)，及時(shí)分析，針對(duì)鉆孔出現(xiàn)情況即時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)、指導(dǎo)鉆孔施工作業(yè)，提高鉆孔效率。

2 硬件設(shè)計(jì)

鉆孔測(cè)斜時(shí)，主要測(cè)量相應(yīng)點(diǎn)的傾角、方位角、孔深，方位角和傾角測(cè)量時(shí)采用加速度傳感器和磁場傳感器組成的基于重力場與地磁場的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[1]，孔深的大小一般用鉆桿鉆進(jìn)長度來度量。三個(gè)加速度傳感器和三個(gè)磁阻傳感器分別沿載體坐標(biāo)系三個(gè)軸安裝，構(gòu)成最基本的鉆孔測(cè)斜裝置，如圖1所示。

圖1 加速度計(jì)和磁阻傳感器安裝示意圖

圖2 探頭程序流程圖

表1 傾角和方位角測(cè)量

該裝置的硬件主要包括兩個(gè)部分：探頭硬件電路設(shè)計(jì)和手持式同步機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)。

探頭由DC/DC升壓穩(wěn)壓器BL8530-50和低壓差微功耗型CMOS電壓穩(wěn)壓電路HT7333供電，采用了集成有三個(gè)加速度計(jì)的三軸加速度傳感器ADXL345和集成有三個(gè)磁阻傳感器的三軸磁阻傳感器HMC5883L，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重力加速度及地磁場在各個(gè)軸的分量的測(cè)量，以內(nèi)存為32 Mbits的FLASH芯片AT45DB321D存儲(chǔ)器，以LPC1114微控制器為控制核心，對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果保存在存儲(chǔ)器中，最后根據(jù)接收到的手持式同步機(jī)發(fā)送的信息，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)經(jīng)通訊模塊傳送給手持式同步機(jī)。

手持式同步機(jī)采用DC/DC升壓穩(wěn)壓器輸出電壓可調(diào)的LM2577-ADJ芯片來得到5V電壓，3.3V由5V經(jīng)低壓差線性調(diào)壓器LM1117-3.3得到，USB轉(zhuǎn)串口模塊采用轉(zhuǎn)換芯片CH340T，存儲(chǔ)模塊和探頭選用同樣的芯片，人機(jī)交互模塊由模塊按鍵操作模塊和液晶屏顯示模塊組成，以LPC1768微控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)各模塊功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

鉆孔測(cè)斜裝置的硬件功能必須通過編寫軟件程序來實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：探頭軟件設(shè)計(jì)和手持式同步機(jī)軟件設(shè)計(jì)。探頭軟件程序控制探頭硬件按照一定的順序來實(shí)現(xiàn)傳感器校準(zhǔn)，完成測(cè)斜信息的采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸，探頭程序流程圖如圖2所示。

手持式同步機(jī)程序設(shè)計(jì)部分主要包括手持式同步機(jī)程序運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建，主要有嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II移植[2]、嵌入式應(yīng)用的圖形接口軟件uC/GUI移植、FAT文件系統(tǒng)庫移植。在運(yùn)行環(huán)境構(gòu)建成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行了手持式同步機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序主要包括時(shí)間同步程序、數(shù)據(jù)讀取程序、軌跡曲線繪制程序、參數(shù)設(shè)置程序等。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

傾角精度驗(yàn)證時(shí)，我們將探頭安裝在仰俯角可調(diào)的平臺(tái)上，每次調(diào)整30°進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如見表1。方位角精度驗(yàn)證時(shí)，以羅盤儀為標(biāo)準(zhǔn)每隔45°畫一條直線，然后再將探頭分別沿這些線放置，進(jìn)行測(cè)量方位角，測(cè)量結(jié)果見表1。

為了驗(yàn)證該裝置的功能，在設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了現(xiàn)場功能檢測(cè)試驗(yàn)。選擇在井下17216運(yùn)順進(jìn)行功能驗(yàn)證試驗(yàn)，具體情況如下：設(shè)計(jì)參數(shù)：傾角-3°，方位角60°，孔深20m。根據(jù)穿透孔后情況測(cè)取實(shí)際傾角-3.5°，實(shí)際方位角61.5°，實(shí)際孔深19.5m。

測(cè)斜數(shù)據(jù)顯示測(cè)量傾角為-3.6°，鉆孔方位角62.0°，孔深19.9m。與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相比，試驗(yàn)孔傾角誤差0.1°，方位角誤差0.5°，孔深誤差0.4m，誤差很小。

5 結(jié)語

礦井下測(cè)斜裝置在實(shí)際測(cè)量時(shí)，主要測(cè)量的參數(shù)是傾角和方位角，實(shí)驗(yàn)證明：該裝置方位角測(cè)量誤差范圍±2°，傾角測(cè)量誤差范圍±1°，滿足了設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)斜，提高了鉆孔測(cè)斜效率，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

[1]徐濤.水平定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)量方法及定位技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文,2006.

[2]邵貝貝.uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.