白 伟
(陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 渭南 715400)
井下瓦斯抽采钻孔是进行煤矿瓦斯抽采的主要途径，而瓦斯抽采钻孔在施工过程中往往会受到岩层种类、岩层变化、岩石硬度等多种因素影响，导致实际轨迹与设计发生偏差[1 -6]。张幼振[7]应用D-S证据理论对钻孔轨迹进行预测。王清峰等[8]研发了基于外部供电的矿用随钻测量装置ZSZ 1000，解决了随钻测量装置探管的电池寿命、信号稳定性等方面问题。李克松等[9]研制了回转钻孔轨迹测量系统，解决瓦斯抽放盲区问题。雷晓荣[10]研制了多用途钻孔轨迹测量装置，适用于随钻存储式测量、钻机或人工输送式测量多种测量方式。杨阿兰[11]提出采用分段积分测量进尺消除累积误差的孔口钻杆进尺测量方法。其他学者对钻孔轨迹及设备进行了研发与现场试验[12 -16]。
桑树坪煤矿目前所使用的轨迹探测仪操作复杂，测量误差大，严重影响钻孔施工。针对上述问题，需要为该矿设计开发测量精度高，操作简便且准确测定钻孔轨迹的仪器，能够反映钻孔内部真实运动状态，解决可能由于打钻不到位引起的煤与瓦斯突出、瓦斯超限、瓦斯爆炸等一系列棘手的煤矿安全问题，加快瓦斯抽采效果达标进程，保障煤与瓦斯共采又好又快发展。
1.1 设备组成
智能瓦斯钻孔校检仪主要分为孔内的测量系统，即测量探管和井上的主机设备。
测量探管由前端探头和尾部探杆组成，其主要作用是完成钻杆钻进过程中的姿态测量，在MCU的控制下对数据进行相关处理的整合，再按照一定的通信协议存储在内存中，并通过通信接口发送给尾部测量探管端。
地面主机操作软件主要实现辅助随钻测量的相关配置、双向通信等功能，对前端探头和尾部探杆接收到的数据进行处理、存储、显示及结果输出，如图1所示。
图1 设备组成Fig.1 Equipment composition
1.2 设备工作原理
1.2.1 前端探头工作原理
测量探管的硬件部分主要由3个部分构成，主控模块、传感器模块和功能性辅助芯片。
主控模块：主控模块由单片机(Micro Controller Unit，MCU)、存储器、时钟和通信接口组成。其中MCU是集成电路芯片，可对芯片进行硬件编程，具有处理单元和存储单元，同时还可以进行数据的显示、数模转换、AD采集等功能，MCU在测量探管中主要控制传感器的通信，并对测点数据进行处理和存储。主控芯片封装选型选择LQFP 32。STC15L2K60S2配置见表1。
表1 STC15L2K60S2配置参数
传感器模块：震动传感器采用SW-420封装，如图2所示。震动传感器模块采用防抖动算法，去除测量过程中可能存在的噪声，通过对阈值的相关设置，完成对钻杆当前的运动状态进行识别。
图2 震动传感器Fig.2 Vibration sensor
功能性辅助芯片：惯性导航系统。惯性导航系统采用JY 901模块(图3)。JY 901模块配备有三轴加速度计、三轴陀螺仪。其对姿态测量的精度精确到0.01°，工作电压和传统的单片机工作相当，并且由于其体积小，能够很好地安装在测量探管的电路板上。串口的速率也可以根据需要进行配置。可通过串口和IIC数据接口和主控制器相连接，进行数据的通信。数据的回传速率可控，最高回传速度可以高达到200 Hz，在钻杆运动状态识别中数据回传速率可以达到要求。
图3 JY 901姿态测量模块Fig.3 JY 901 attitude measurement module
时钟模块DS1302芯片：DS1302芯片负责随钻测量系统中的时间数据的测量，主要存储的数据有年、月、日、时、分、秒，在测量的过程中可以测量出更多的时间参数，可以精确到秒，工作电压可以和测量探管相适应和匹配，可以选择72 h或者48 h格式输出。
1.2.2 尾部探杆工作原理
主控芯片：设备采用的主芯片为S5PV210，该主控制器内核采用的三星的Cortex-A8，CPU运行的频率高达1 GHz，远远大于传统的单片机，芯片处理性能优越、功率小，可实现测量探杆的智能控制。
电源模块：电源采用独立锂电池供电，在供电系统中需要加入本安电源保护电路。
通信模块：随钻测量过程中，采用Zigbee是长距离无线电技术进行尾部测量探管和前端测量探管之间的数据通信。Zigbee长距离无线电技术可以在一定距离范围内实现无线的数据传输，简化有线传输的操作复杂度，其通信有效距离可达1 000 m。
2.1 工程背景
桑树坪煤矿3319综放工作面位于南一500 m3瓦斯泵站以北700 m，凿开河以南350 m处，工作面采用“U”型通风系统，井下位于南一采区南翼下山，运顺内错3110运输巷40 m，回顺内错3110轨道巷5 m，切眼内错3110切眼14 m。
3319综放工作面煤层瓦斯含量相对涌出量为6.0～10.41 m3/t，3319底板补巷瓦斯治理措施共2种，分为2个区域执行，分别为工作面切眼向上0～800 m范围执行开采保护层区域和切眼向上800～962 m范围执行穿层钻孔(水力扩孔工艺)。3319采面切眼向上0～420 m、420～800 m执行开采下保护层11号煤层并利用穿层卸压钻孔预抽的瓦斯防治措施。
钻孔按照煤层走向与倾向20 m×20 m布置，控制3319采面工作面全部范围，上部控制到3号煤联巷巷道中心。采面800～962 m范围为实体煤区域，该区域执行穿层钻孔(水力扩孔工艺)控制煤层及其轮廓线的瓦斯防治措施，钻孔控制轮廓线外不小于15 m，钻孔终孔间距6 m×6 m，抽采时间不小于4个月，抽采达标时残余瓦斯含量不大于6 m3/t，施工钻孔690个，为确保工作面瓦斯符合规定，矿井在工作面两顺槽施工煤层钻孔用以强化瓦斯治理，钻孔排间距4 m，孔深70 m，钻孔煤厚超过5 m区域进行补孔。设计施工钻孔496个，如图4所示。
图4 3319工作面顶底板瓦斯抽放巷穿层钻孔布置示意Fig.4 Layout of cross layer drilling hole in roof and floor gas extraction roadway of 3319 working face
2.2 试验对比方案
在桑树坪煤矿3319底板补巷选取一试验地点对穿层钻孔与顺层钻孔的轨迹进行跟踪，并对本设备效果进行分析。桑树坪煤矿3319底板补巷对比布置方案如图5所示。
在3319底板补巷选取进行钻孔轨迹仪对比试验，试验采用KA-NC-1型智能瓦斯钻孔校检仪和桑树坪煤矿原有的轨迹仪对钻孔轨迹进复合跟踪监测，在3319底板补巷随机选取试验钻孔数5个进行监测。
选取3-5，4-3，8-6，8-8，10-6号钻孔为试验钻孔，使用KA-NC-1型智能瓦斯钻孔校检仪与YZG 9.6矿用随钻轨迹测量仪进行复合监测，钻孔基本参数见表2。
图5 3319底板补巷试验钻孔布置Fig.5 Layout of test drilling holes for 3319 floor supplemental roadway
如图6所示，现场试验的5组对比孔均钻进速率正常，打钻过程中无异常状况发生。通过对钻机过程中2套钻孔轨迹跟踪仪的结果进行统计，并将钻孔跟踪仪所测得的数据值与实际情况进行对比分析，从而确定设备的可行性。
如图6所示，YZG 9.6测量精度较差，在3-5、8-6、8-8、10-6号4个钻孔轨迹，其监测结果与设计相比上下偏差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个钻孔轨开孔倾角和方位角，与现场开孔定位仪所得的结果偏差极大，3-5号钻孔倾角和方位角与开孔定位仪的误差为11.9°和120.4°，8-6号钻孔误差为30.5°和110.7°，8-8号钻孔误差为22.41°和224°，10-6号钻孔为23.5°和91.9°。且钻孔运动轨迹更是不符合实际情况，在钻孔深度小于50 m，且为穿层钻孔的情况下，钻孔轨迹波动较大，8-8钻孔轨迹更是出现了轨迹断折的现象。
表2 3319底板补巷穿层钻孔基本参数
图6 钻孔轨迹示意Fig.6 Schematic diagram of drilling hole trajectory
而KA-NC-1所测得的结果，倾角与方位角与开孔定位仪所得的结果偏差较小，所测得轨迹更加真实可靠，为矿方钻孔施工提供可靠帮助。
基于KA-NC-1所测得的结果，分别对不同进尺深度下的穿层钻孔平均偏移量进行了分析，由图7可知，穿层钻孔在进尺前25 m时，每5 m进尺深度，钻孔轨迹的平均偏移距离均在0.3 m以下，且每进尺5 m之间的平均偏移距离变化均小于0.1 m，轨迹偏差不明显。在进尺深度大于25 m时，轨迹平均偏移量较大，尤其是在25～30 m和30～35 m进尺段轨迹偏移距离变化明显，分别为0.25 m和0.41 m。穿层钻孔平均偏移量随进尺长度变化如图7所示。
图7 穿层钻孔平均偏移量随进尺长度的变化Fig.7 Variation of average drilling hole offset with footage length
(1)通过对桑树坪煤矿的轨迹仪对比试验分析，煤矿上原有YZG 9.6钻孔轨迹仪所测得5个钻孔轨迹图中，4个钻孔轨迹出现异常，精度与便捷性较差。而KA-NC-1测得5个轨迹结果均正常，便捷且精度、可靠性较高。
(2)分析对比试验钻孔的轨迹监测结果，确定穿层钻孔在进尺30～35 m距离时，钻孔实际轨迹与设计轨迹平均偏移量较大，约为0.41 m，而终孔位置在偏移方向上有着明显规律性，终孔点位的偏移方向集中为左偏与上偏。
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