KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀在桑樹坪煤礦的應(yīng)用

白 偉

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 渭南 715400)

0 引言

井下瓦斯抽采鉆孔是進(jìn)行煤礦瓦斯抽采的主要途徑，而瓦斯抽采鉆孔在施工過程中往往會(huì)受到巖層種類、巖層變化、巖石硬度等多種因素影響，導(dǎo)致實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)發(fā)生偏差[1 -6]。張幼振[7]應(yīng)用D-S證據(jù)理論對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。王清峰等[8]研發(fā)了基于外部供電的礦用隨鉆測(cè)量裝置ZSZ 1000，解決了隨鉆測(cè)量裝置探管的電池壽命、信號(hào)穩(wěn)定性等方面問題。李克松等[9]研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)，解決瓦斯抽放盲區(qū)問題。雷曉榮[10]研制了多用途鉆孔軌跡測(cè)量裝置，適用于隨鉆存儲(chǔ)式測(cè)量、鉆機(jī)或人工輸送式測(cè)量多種測(cè)量方式。楊阿蘭[11]提出采用分段積分測(cè)量進(jìn)尺消除累積誤差的孔口鉆桿進(jìn)尺測(cè)量方法。其他學(xué)者對(duì)鉆孔軌跡及設(shè)備進(jìn)行了研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[12 -16]。

桑樹坪煤礦目前所使用的軌跡探測(cè)儀操作復(fù)雜，測(cè)量誤差大，嚴(yán)重影響鉆孔施工。針對(duì)上述問題，需要為該礦設(shè)計(jì)開發(fā)測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確測(cè)定鉆孔軌跡的儀器，能夠反映鉆孔內(nèi)部真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決可能由于打鉆不到位引起的煤與瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸等一系列棘手的煤礦安全問題，加快瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)進(jìn)程，保障煤與瓦斯共采又好又快發(fā)展。

1 KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀

1.1 設(shè)備組成

智能瓦斯鉆孔校檢儀主要分為孔內(nèi)的測(cè)量系統(tǒng)，即測(cè)量探管和井上的主機(jī)設(shè)備。

測(cè)量探管由前端探頭和尾部探桿組成，其主要作用是完成鉆桿鉆進(jìn)過程中的姿態(tài)測(cè)量，在MCU的控制下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理的整合，再按照一定的通信協(xié)議存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并通過通信接口發(fā)送給尾部測(cè)量探管端。

地面主機(jī)操作軟件主要實(shí)現(xiàn)輔助隨鉆測(cè)量的相關(guān)配置、雙向通信等功能，對(duì)前端探頭和尾部探桿接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示及結(jié)果輸出，如圖1所示。

圖1 設(shè)備組成Fig.1 Equipment composition

1.2 設(shè)備工作原理

1.2.1 前端探頭工作原理

測(cè)量探管的硬件部分主要由3個(gè)部分構(gòu)成，主控模塊、傳感器模塊和功能性輔助芯片。

主控模塊：主控模塊由單片機(jī)(Micro Controller Unit，MCU)、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和通信接口組成。其中MCU是集成電路芯片，可對(duì)芯片進(jìn)行硬件編程，具有處理單元和存儲(chǔ)單元，同時(shí)還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)模轉(zhuǎn)換、AD采集等功能，MCU在測(cè)量探管中主要控制傳感器的通信，并對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。主控芯片封裝選型選擇LQFP 32。STC15L2K60S2配置見表1。

表1 STC15L2K60S2配置參數(shù)

傳感器模塊：震動(dòng)傳感器采用SW-420封裝，如圖2所示。震動(dòng)傳感器模塊采用防抖動(dòng)算法，去除測(cè)量過程中可能存在的噪聲，通過對(duì)閾值的相關(guān)設(shè)置，完成對(duì)鉆桿當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。

圖2 震動(dòng)傳感器Fig.2 Vibration sensor

功能性輔助芯片：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用JY 901模塊(圖3)。JY 901模塊配備有三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀。其對(duì)姿態(tài)測(cè)量的精度精確到0.01°，工作電壓和傳統(tǒng)的單片機(jī)工作相當(dāng)，并且由于其體積小，能夠很好地安裝在測(cè)量探管的電路板上。串口的速率也可以根據(jù)需要進(jìn)行配置?？赏ㄟ^串口和IIC數(shù)據(jù)接口和主控制器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。數(shù)據(jù)的回傳速率可控，最高回傳速度可以高達(dá)到200 Hz，在鉆桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別中數(shù)據(jù)回傳速率可以達(dá)到要求。

圖3 JY 901姿態(tài)測(cè)量模塊Fig.3 JY 901 attitude measurement module

時(shí)鐘模塊DS1302芯片：DS1302芯片負(fù)責(zé)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中的時(shí)間數(shù)據(jù)的測(cè)量，主要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有年、月、日、時(shí)、分、秒，在測(cè)量的過程中可以測(cè)量出更多的時(shí)間參數(shù)，可以精確到秒，工作電壓可以和測(cè)量探管相適應(yīng)和匹配，可以選擇72 h或者48 h格式輸出。

1.2.2 尾部探桿工作原理

主控芯片：設(shè)備采用的主芯片為S5PV210，該主控制器內(nèi)核采用的三星的Cortex-A8，CPU運(yùn)行的頻率高達(dá)1 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的單片機(jī)，芯片處理性能優(yōu)越、功率小，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量探桿的智能控制。

電源模塊：電源采用獨(dú)立鋰電池供電，在供電系統(tǒng)中需要加入本安電源保護(hù)電路。

通信模塊：隨鉆測(cè)量過程中，采用Zigbee是長(zhǎng)距離無線電技術(shù)進(jìn)行尾部測(cè)量探管和前端測(cè)量探管之間的數(shù)據(jù)通信。Zigbee長(zhǎng)距離無線電技術(shù)可以在一定距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸，簡(jiǎn)化有線傳輸?shù)牟僮鲝?fù)雜度，其通信有效距離可達(dá)1 000 m。

2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 工程背景

桑樹坪煤礦3319綜放工作面位于南一500 m3瓦斯泵站以北700 m，鑿開河以南350 m處，工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，井下位于南一采區(qū)南翼下山，運(yùn)順內(nèi)錯(cuò)3110運(yùn)輸巷40 m，回順內(nèi)錯(cuò)3110軌道巷5 m，切眼內(nèi)錯(cuò)3110切眼14 m。

3319綜放工作面煤層瓦斯含量相對(duì)涌出量為6.0～10.41 m3/t，3319底板補(bǔ)巷瓦斯治理措施共2種，分為2個(gè)區(qū)域執(zhí)行，分別為工作面切眼向上0～800 m范圍執(zhí)行開采保護(hù)層區(qū)域和切眼向上800～962 m范圍執(zhí)行穿層鉆孔(水力擴(kuò)孔工藝)。3319采面切眼向上0～420 m、420～800 m執(zhí)行開采下保護(hù)層11號(hào)煤層并利用穿層卸壓鉆孔預(yù)抽的瓦斯防治措施。

鉆孔按照煤層走向與傾向20 m×20 m布置，控制3319采面工作面全部范圍，上部控制到3號(hào)煤聯(lián)巷巷道中心。采面800～962 m范圍為實(shí)體煤區(qū)域，該區(qū)域執(zhí)行穿層鉆孔(水力擴(kuò)孔工藝)控制煤層及其輪廓線的瓦斯防治措施，鉆孔控制輪廓線外不小于15 m，鉆孔終孔間距6 m×6 m，抽采時(shí)間不小于4個(gè)月，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)殘余瓦斯含量不大于6 m3/t，施工鉆孔690個(gè)，為確保工作面瓦斯符合規(guī)定，礦井在工作面兩順槽施工煤層鉆孔用以強(qiáng)化瓦斯治理，鉆孔排間距4 m，孔深70 m，鉆孔煤厚超過5 m區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔。設(shè)計(jì)施工鉆孔496個(gè)，如圖4所示。

圖4 3319工作面頂?shù)装逋咚钩榉畔锎鱼@孔布置示意Fig.4 Layout of cross layer drilling hole in roof and floor gas extraction roadway of 3319 working face

2.2 試驗(yàn)對(duì)比方案

在桑樹坪煤礦3319底板補(bǔ)巷選取一試驗(yàn)地點(diǎn)對(duì)穿層鉆孔與順層鉆孔的軌跡進(jìn)行跟蹤，并對(duì)本設(shè)備效果進(jìn)行分析。桑樹坪煤礦3319底板補(bǔ)巷對(duì)比布置方案如圖5所示。

在3319底板補(bǔ)巷選取進(jìn)行鉆孔軌跡儀對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)采用KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀和桑樹坪煤礦原有的軌跡儀對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)復(fù)合跟蹤監(jiān)測(cè)，在3319底板補(bǔ)巷隨機(jī)選取試驗(yàn)鉆孔數(shù)5個(gè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取3-5，4-3，8-6，8-8，10-6號(hào)鉆孔為試驗(yàn)鉆孔，使用KA-NC-1型智能瓦斯鉆孔校檢儀與YZG 9.6礦用隨鉆軌跡測(cè)量?jī)x進(jìn)行復(fù)合監(jiān)測(cè)，鉆孔基本參數(shù)見表2。

圖5 3319底板補(bǔ)巷試驗(yàn)鉆孔布置Fig.5 Layout of test drilling holes for 3319 floor supplemental roadway

如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的5組對(duì)比孔均鉆進(jìn)速率正常，打鉆過程中無異常狀況發(fā)生。通過對(duì)鉆機(jī)過程中2套鉆孔軌跡跟蹤儀的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將鉆孔跟蹤儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)值與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，從而確定設(shè)備的可行性。

如圖6所示，YZG 9.6測(cè)量精度較差，在3-5、8-6、8-8、10-6號(hào)4個(gè)鉆孔軌跡，其監(jiān)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)相比上下偏差4.60 m、5.43 m、11.82 m、3.66 m，左右偏差4.62 m、6.54 m、10.98 m、6.74 m，4個(gè)鉆孔軌開孔傾角和方位角，與現(xiàn)場(chǎng)開孔定位儀所得的結(jié)果偏差極大，3-5號(hào)鉆孔傾角和方位角與開孔定位儀的誤差為11.9°和120.4°，8-6號(hào)鉆孔誤差為30.5°和110.7°，8-8號(hào)鉆孔誤差為22.41°和224°，10-6號(hào)鉆孔為23.5°和91.9°。且鉆孔運(yùn)動(dòng)軌跡更是不符合實(shí)際情況，在鉆孔深度小于50 m，且為穿層鉆孔的情況下，鉆孔軌跡波動(dòng)較大，8-8鉆孔軌跡更是出現(xiàn)了軌跡斷折的現(xiàn)象。

表2 3319底板補(bǔ)巷穿層鉆孔基本參數(shù)

圖6 鉆孔軌跡示意Fig.6 Schematic diagram of drilling hole trajectory

而KA-NC-1所測(cè)得的結(jié)果，傾角與方位角與開孔定位儀所得的結(jié)果偏差較小，所測(cè)得軌跡更加真實(shí)可靠，為礦方鉆孔施工提供可靠幫助。

基于KA-NC-1所測(cè)得的結(jié)果，分別對(duì)不同進(jìn)尺深度下的穿層鉆孔平均偏移量進(jìn)行了分析，由圖7可知，穿層鉆孔在進(jìn)尺前25 m時(shí)，每5 m進(jìn)尺深度，鉆孔軌跡的平均偏移距離均在0.3 m以下，且每進(jìn)尺5 m之間的平均偏移距離變化均小于0.1 m，軌跡偏差不明顯。在進(jìn)尺深度大于25 m時(shí)，軌跡平均偏移量較大，尤其是在25～30 m和30～35 m進(jìn)尺段軌跡偏移距離變化明顯，分別為0.25 m和0.41 m。穿層鉆孔平均偏移量隨進(jìn)尺長(zhǎng)度變化如圖7所示。

圖7 穿層鉆孔平均偏移量隨進(jìn)尺長(zhǎng)度的變化Fig.7 Variation of average drilling hole offset with footage length

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)桑樹坪煤礦的軌跡儀對(duì)比試驗(yàn)分析，煤礦上原有YZG 9.6鉆孔軌跡儀所測(cè)得5個(gè)鉆孔軌跡圖中，4個(gè)鉆孔軌跡出現(xiàn)異常，精度與便捷性較差。而KA-NC-1測(cè)得5個(gè)軌跡結(jié)果均正常，便捷且精度、可靠性較高。

(2)分析對(duì)比試驗(yàn)鉆孔的軌跡監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定穿層鉆孔在進(jìn)尺30～35 m距離時(shí)，鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡平均偏移量較大，約為0.41 m，而終孔位置在偏移方向上有著明顯規(guī)律性，終孔點(diǎn)位的偏移方向集中為左偏與上偏。