高精度全方位钻孔测斜仪的研究及应用

1、文章编号:100121986(20030420058203高精度全方位钻孔测斜仪的研究及应用张典荣,朱晓荣(煤炭科学研究总院西安分院,陕西西安710054摘要:概述了一种新研制的高精度全方位钻孔测斜仪的组成及工作方式,并较详细地分析了其测量单元、控制单元的硬件及软件设计,用两个实例说明该仪器能实现全方位钻孔测量,其精度高,能满足生产要求。关键词:钻孔测斜仪;硬件;软件;应用中图分类号:P63417文献标识码:A1引言 矿井超前勘探以及精确的定向工程钻探都迫切需要精度高,且能全方位测量钻孔轨迹的设备。笔者经过长期研究、试验,研制出了一套高精度全方位测量钻孔倾角和方位角的仪器,从而解决了各种钻孔轨

2、迹高精度测量这一技术难题,且使测量变得简单易行 。2钻孔测斜仪的组成及工作方式钻孔测斜仪由测斜仪同步机(控制单元和探管(测量单元以及它们之间的连线组成,仪器配有专用充电机,如图1所示。系统的工作方式采用:定点连续测量,将探管联接到钻杆上送入到欲测量之处进行测量 ;探管采集数据,同步机确定采样点的有效性 ;测量完毕取出探管,将测斜数据通讯到同步机中;由同步机计算并显示出测斜结果。3探管(测量单元的设计测量单元原理框图如图2所示,主要由带扩展系统的单片机及外围电路组成,单片机是采集控制的核心,外部扩展1片随机存贮器芯片用来存放数据。由单片机控制模拟多路开关的通道选择,被选通的加速度计或磁力计的传感

3、器电信号经过模拟开关后,首先进行缓冲放大,再到达压频变换器将电压模拟信号转变为频率数字信号。由单片机进行计数,从而完成采样过程。图1钻孔测斜仪系统框图1同步机;2探管;3联线;4充电机;5充电线图2测量单元原理框图图3采集单元模块结构图根据采集单元的任务,将软件设计成4个模块,以完成相应的工作。采集单元模块结构如图3所示。4同步机(控制单元的设计411同步机的电路组成及工作原理同步机电路组成如图4所示。41111控制单元的单片机系统构成单片机系统由CPU 80C31以及地址锁存器、程收稿日期:2002211207作者简介:张典荣(1962,男,陕西三原人,煤炭科学研究总院西安分院工程师,无线电

4、技术专业185煤田地质与勘探C OA L GE O LOGY &EXP LORATI ON V ol.31N o.4Aug.2003 图4控制单元电路原理图序存贮器以及数据存贮器等组成,P0口的分时复用地址/数据总线通过地址锁存器74HC373为外围芯片提供低8位地址,高8位地址由P2口提供,经译码器形成外围芯片片选信号。41112键盘接口设计在同步机中为了控制系统的工作状态,设置了键盘。以8255作为键盘接口,PA 口低4位为输出口,P B 口低4位为输入口,组成了4×4行列式键盘。键盘扫描采用中断工作方式,当有任一键按下时,中断I NT0变为低电平,向CPU 发出中断申请

5、。4 1113显示器接口设计在单片机系统中,常用的显示器有发光二极管(LE D 、液晶显示器(LC D 以及近年来发展的液晶显示模块(LC M 。三者相比,从功耗、接口方面LC M 最好。LC M 将液晶显示器与控制器、驱动功能电路用PC B 连接在一起,只要向LC M 送入相应的命令和数据就可实现所需要的显示。利用80C31的I/O 口与LC M 直接接口,显示模块的片选信号为读或写任何一个有效并且片选信号同时有效时才选中。通过对数据总线的读写实现对LC M 的控制。41114单片机双机通讯由于该系统要求能够进行长距离通讯,故该系统在通讯线路上增加了长线传输器M AX485进行双机通讯。M

6、AX485由于采用差分平衡型电路,抗干扰性能强,通信可靠传送距离远,且电路结构简单,功耗低,是理想的串行通信接口。412同步机软件设计根据控制单元的任务要求,将软件设计成7个模块组成的层次结构,以完成相应的工作。模块结构如图5所示。5用途及特点用途:专供煤矿井下水平孔、垂直孔或定向斜孔图5控制单元模块结构图表1钻孔轨迹偏离设计方向表孔号最深测点/m钻孔倾角/(°钻孔方位角/(°最大偏离/m 设计实际设计实际水平垂直15-113210.5 6.233035416.1-9.215-212712.515.333435719.78+4.3915-316889.9352 3.647.

7、23-8.7715-49011.514.83535.630.66+3.15进行无缆测斜,也可用于其他工程钻孔进行测斜。特点:测斜无需电缆,使用方便,实现了真正意义上的全方位、高精度测斜。测量范围及精度:俯仰角:±90°±01167°方位角:360°±1167°6应用实例611抚顺矿务局老虎台矿抽放瓦斯钻孔组的测量老虎台矿位于辽宁省抚顺市南,属于高沼气并有煤和瓦斯突出危险的矿井。为保证安全,在-680m 水平集煤巷进行了钻孔瓦斯抽放,在集煤巷每30m 设置一钻场,每钻场钻9孔,9孔分成二排成辐射状钻入,上排距下排014m ,每

8、排孔间距014m ,上排孔仰角1217°,下排孔仰角57°,钻孔深度一般为150250m 。用全方位钻孔测斜仪在15号钻场中进行了5个钻孔的测量,测量后发现:a 1钻孔实际轨迹偏离设计方向较大,(见表1在最深为168m 的钻孔组中,最大水平偏移达4712m ,最大垂直偏移达8177m 。95第4期张典荣,朱晓荣:高精度全方位钻孔测斜仪的研究及应用图6钻孔设计轨迹与实际轨迹图设计轨迹;实际轨迹b1钻孔组的实际轨迹没有达到设计要求,见图6。按设计要求,抽放瓦斯孔应钻成辐射状,利于扩大抽放面积,而通过钻孔轨迹对比图可知,实际轨迹基本都集中到一个方向, 没有达到设计目的。依据测量结

9、果,采取补充钻孔的措施,保证抽放面积,利于安全生产。如果没有全方位钻孔测斜仪的研制成功,如此大的偏离误差是无法知道的。612山西运城芒硝矿床定向钻孔的监测在山西运城盐湖界村,芒硝矿床埋深在100m 左右,矿质好,适宜采用水溶法开采,为此需要钻孔测斜仪提供精确的测斜资料,然后采用定向造斜技术。首先从地表A点(图7以俯角定向钻进到芒硝矿层,再顺矿层水平钻进,然后又以仰角定向从地表B点钻出,进行水溶法开采,通过监测系统钻孔测斜仪的测量,其空间轨迹如图7所示,X、Y、Z方向为图7钻孔空间轨迹图大地坐标系。为了验证其测量精度,还在地面用高精度的仪表进行了测量及计算,经分析两者测量结果完全一致。以上两例,

10、仅说明了该钻孔测斜仪能真正进行高精度全方位测量,而这一点,目前其他测斜仪还无法实现。7结论a1这台高精度全方位钻孔测斜仪系统,采用先进的单片机技术及性能优良的新器件设计,实现了真正意义上的全方位测量,使上仰、下俯、水平、垂直各种钻孔测量简便易行。b1采用了高精度测角传感器和测向传感器以及科学的软件校正、计算,提高了仪器的测量精度。c1多次现场试验证明,该仪器设计合理、性能稳定,是监测钻孔轨迹的理想工具。参考文献1孙涵芳,徐爱卿1MCS-51系列单片机原理及应用M1北京:北京航天航空大学出版社,199212李华1MCS-51系列单片机实用接口技术M1北京:北京航空航天大学出版社,199613何立

11、民1MCS-51系列单片机应用系统设计M1北京:北京航空航天大学出版社,199514郭爱煌,张典荣1顺煤层钻进监测系统研究报告R1西安:煤炭科学研究总院西安分院物探所,19981Application and research of the high accuracy and all2directions borehole inclinometer ZH ANG Dian2rong,ZH U X iao2rong(X ian Branch,CCRI,X ian710054,ChinaAbstract:This paper discuses the component and w ork met

12、hod of the high accuracy and all2directions borehole inclinometer,and analyzes in detail the measuring unit,control units hardware and s oftware design,then gives out the actual application.K ey w ords:borehole inclinometer;hardware;s oftware;application测井技术在灾害防治及环境保护中有新突破由山东煤田地质局数字测井站完成的成像测井技术在灾害防治及环境保护中的应用科研课题,日前通过由山东省科学技术厅组织,东南大学、中国矿业大学、山东科技大学和中国地球物理学会等单位的教授、研究员、专家们参加的鉴定,认为这一应用技术处于国内的领