矿井钻孔测斜装置研制

杨庆 储召锐 汤捷

(合肥工业大学,安徽合肥 230009)

矿井钻孔测斜装置研制

杨庆 储召锐 汤捷

(合肥工业大学,安徽合肥 230009)

说明了装置探头和手持式同步机的硬件电路设计和软件设计。通过实验,对装置的测量精度进行了验证,在现场环境下,进行了实测试验,验证了装置的功能。

测斜装置 传感器 探头 同步机

1 引言

目前，许多矿井下使用的测斜仪在测斜方式上采用二次送入的方法，操作繁琐，耗时耗力，影响钻孔效率。我们在现用测斜仪的基础上进行了改进，实现了随钻测斜，在钻孔完成后即可得出钻孔测斜参数，且可直观显示钻孔轨迹曲线，方便快捷。根据测斜数据，及时分析，针对钻孔出现情况即时调整钻孔参数、指导钻孔施工作业，提高钻孔效率。

2 硬件设计

钻孔测斜时，主要测量相应点的倾角、方位角、孔深，方位角和倾角测量时采用加速度传感器和磁场传感器组成的基于重力场与地磁场的姿态测量系统[1]，孔深的大小一般用钻杆钻进长度来度量。三个加速度传感器和三个磁阻传感器分别沿载体坐标系三个轴安装，构成最基本的钻孔测斜装置，如图1所示。

图1 加速度计和磁阻传感器安装示意图

图2 探头程序流程图

表1 倾角和方位角测量

该装置的硬件主要包括两个部分：探头硬件电路设计和手持式同步机硬件电路设计。

探头由DC/DC升压稳压器BL8530-50和低压差微功耗型CMOS电压稳压电路HT7333供电，采用了集成有三个加速度计的三轴加速度传感器ADXL345和集成有三个磁阻传感器的三轴磁阻传感器HMC5883L，实现了对重力加速度及地磁场在各个轴的分量的测量，以内存为32 Mbits的FLASH芯片AT45DB321D存储器，以LPC1114微控制器为控制核心，对传感器数字信号进行处理，将处理结果保存在存储器中，最后根据接收到的手持式同步机发送的信息，将相应的数据经通讯模块传送给手持式同步机。

手持式同步机采用DC/DC升压稳压器输出电压可调的LM2577-ADJ芯片来得到5V电压，3.3V由5V经低压差线性调压器LM1117-3.3得到，USB转串口模块采用转换芯片CH340T，存储模块和探头选用同样的芯片，人机交互模块由模块按键操作模块和液晶屏显示模块组成，以LPC1768微控制器为控制核心，实现各模块功能。

3 软件设计

钻孔测斜装置的硬件功能必须通过编写软件程序来实现，软件设计主要包括两个部分：探头软件设计和手持式同步机软件设计。探头软件程序控制探头硬件按照一定的顺序来实现传感器校准，完成测斜信息的采集、处理、存储及传输，探头程序流程图如图2所示。

手持式同步机程序设计部分主要包括手持式同步机程序运行环境的构建，主要有嵌入式实时操作系统uC/OS-II移植[2]、嵌入式应用的图形接口软件uC/GUI移植、FAT文件系统库移植。在运行环境构建成功的基础上进行了手持式同步机应用程序的设计，应用程序主要包括时间同步程序、数据读取程序、轨迹曲线绘制程序、参数设置程序等。

4 实验验证

倾角精度验证时，我们将探头安装在仰俯角可调的平台上，每次调整30°进行测量，测量结果如见表1。方位角精度验证时，以罗盘仪为标准每隔45°画一条直线，然后再将探头分别沿这些线放置，进行测量方位角，测量结果见表1。

为了验证该装置的功能，在设计完成后，进行了现场功能检测试验。选择在井下17216运顺进行功能验证试验，具体情况如下：设计参数：倾角-3°，方位角60°，孔深20m。根据穿透孔后情况测取实际倾角-3.5°，实际方位角61.5°，实际孔深19.5m。

测斜数据显示测量倾角为-3.6°，钻孔方位角62.0°，孔深19.9m。与实际测量数据相比，试验孔倾角误差0.1°，方位角误差0.5°，孔深误差0.4m，误差很小。

5 结语

矿井下测斜装置在实际测量时，主要测量的参数是倾角和方位角，实验证明：该装置方位角测量误差范围±2°，倾角测量误差范围±1°，满足了设计要求。实现了随钻测斜，提高了钻孔测斜效率，具有广阔的市场应用前景。

[1]徐涛.水平定向钻进随钻测量方法及定位技术研究[D].国防科学技术大学博士论文,2006.

[2]邵贝贝.uC/OS-II嵌入式实时操作系统[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.