高精度全方位鉆孔測斜儀的研究及應(yīng)用

1、文章編號:100121986(20030420058203高精度全方位鉆孔測斜儀的研究及應(yīng)用張典榮,朱曉榮(煤炭科學(xué)研究總院西安分院,陜西西安710054摘要:概述了一種新研制的高精度全方位鉆孔測斜儀的組成及工作方式,并較詳細(xì)地分析了其測量單元、控制單元的硬件及軟件設(shè)計(jì),用兩個(gè)實(shí)例說明該儀器能實(shí)現(xiàn)全方位鉆孔測量,其精度高,能滿足生產(chǎn)要求。關(guān)鍵詞:鉆孔測斜儀;硬件;軟件;應(yīng)用中圖分類號:P63417文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言 礦井超前勘探以及精確的定向工程鉆探都迫切需要精度高,且能全方位測量鉆孔軌跡的設(shè)備。筆者經(jīng)過長期研究、試驗(yàn),研制出了一套高精度全方位測量鉆孔傾角和方位角的儀器,從而解決了各種鉆孔軌

2、跡高精度測量這一技術(shù)難題,且使測量變得簡單易行 。2鉆孔測斜儀的組成及工作方式鉆孔測斜儀由測斜儀同步機(jī)(控制單元和探管(測量單元以及它們之間的連線組成,儀器配有專用充電機(jī),如圖1所示。系統(tǒng)的工作方式采用:定點(diǎn)連續(xù)測量,將探管聯(lián)接到鉆桿上送入到欲測量之處進(jìn)行測量 ;探管采集數(shù)據(jù),同步機(jī)確定采樣點(diǎn)的有效性 ;測量完畢取出探管,將測斜數(shù)據(jù)通訊到同步機(jī)中;由同步機(jī)計(jì)算并顯示出測斜結(jié)果。3探管(測量單元的設(shè)計(jì)測量單元原理框圖如圖2所示,主要由帶擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)及外圍電路組成,單片機(jī)是采集控制的核心,外部擴(kuò)展1片隨機(jī)存貯器芯片用來存放數(shù)據(jù)。由單片機(jī)控制模擬多路開關(guān)的通道選擇,被選通的加速度計(jì)或磁力計(jì)的傳感

3、器電信號經(jīng)過模擬開關(guān)后,首先進(jìn)行緩沖放大,再到達(dá)壓頻變換器將電壓模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率數(shù)字信號。由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù),從而完成采樣過程。圖1鉆孔測斜儀系統(tǒng)框圖1同步機(jī);2探管;3聯(lián)線;4充電機(jī);5充電線圖2測量單元原理框圖圖3采集單元模塊結(jié)構(gòu)圖根據(jù)采集單元的任務(wù),將軟件設(shè)計(jì)成4個(gè)模塊,以完成相應(yīng)的工作。采集單元模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。4同步機(jī)(控制單元的設(shè)計(jì)411同步機(jī)的電路組成及工作原理同步機(jī)電路組成如圖4所示。41111控制單元的單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)由CPU 80C31以及地址鎖存器、程收稿日期:2002211207作者簡介:張典榮(1962,男,陜西三原人,煤炭科學(xué)研究總院西安分院工程師,無線電

4、技術(shù)專業(yè)185煤田地質(zhì)與勘探C OA L GE O LOGY &EXP LORATI ON V ol.31N o.4Aug.2003 圖4控制單元電路原理圖序存貯器以及數(shù)據(jù)存貯器等組成,P0口的分時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線通過地址鎖存器74HC373為外圍芯片提供低8位地址,高8位地址由P2口提供,經(jīng)譯碼器形成外圍芯片片選信號。41112鍵盤接口設(shè)計(jì)在同步機(jī)中為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài),設(shè)置了鍵盤。以8255作為鍵盤接口,PA 口低4位為輸出口,P B 口低4位為輸入口,組成了4×4行列式鍵盤。鍵盤掃描采用中斷工作方式,當(dāng)有任一鍵按下時(shí),中斷I NT0變?yōu)榈碗娖?向CPU 發(fā)出中斷申請

5、。4 1113顯示器接口設(shè)計(jì)在單片機(jī)系統(tǒng)中,常用的顯示器有發(fā)光二極管(LE D 、液晶顯示器(LC D 以及近年來發(fā)展的液晶顯示模塊(LC M 。三者相比,從功耗、接口方面LC M 最好。LC M 將液晶顯示器與控制器、驅(qū)動(dòng)功能電路用PC B 連接在一起,只要向LC M 送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)所需要的顯示。利用80C31的I/O 口與LC M 直接接口,顯示模塊的片選信號為讀或?qū)懭魏我粋€(gè)有效并且片選信號同時(shí)有效時(shí)才選中。通過對數(shù)據(jù)總線的讀寫實(shí)現(xiàn)對LC M 的控制。41114單片機(jī)雙機(jī)通訊由于該系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行長距離通訊,故該系統(tǒng)在通訊線路上增加了長線傳輸器M AX485進(jìn)行雙機(jī)通訊。M

6、AX485由于采用差分平衡型電路,抗干擾性能強(qiáng),通信可靠傳送距離遠(yuǎn),且電路結(jié)構(gòu)簡單,功耗低,是理想的串行通信接口。412同步機(jī)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)控制單元的任務(wù)要求,將軟件設(shè)計(jì)成7個(gè)模塊組成的層次結(jié)構(gòu),以完成相應(yīng)的工作。模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。5用途及特點(diǎn)用途:專供煤礦井下水平孔、垂直孔或定向斜孔圖5控制單元模塊結(jié)構(gòu)圖表1鉆孔軌跡偏離設(shè)計(jì)方向表孔號最深測點(diǎn)/m鉆孔傾角/(°9011.514.83535.630.66+3.15進(jìn)行無纜測斜,也可用于其他工程鉆孔進(jìn)行測斜。特點(diǎn):測斜無需電纜,使用方便,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全方位、高精度測斜。測量范圍及精度:俯仰角:±90°±

7、;01167°方位角:360°±1167°6應(yīng)用實(shí)例611撫順礦務(wù)局老虎臺礦抽放瓦斯鉆孔組的測量老虎臺礦位于遼寧省撫順市南,屬于高沼氣并有煤和瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井。為保證安全,在-680m 水平集煤巷進(jìn)行了鉆孔瓦斯抽放,在集煤巷每30m 設(shè)置一鉆場,每鉆場鉆9孔,9孔分成二排成輻射狀鉆入,上排距下排014m ,每排孔間距014m ,上排孔仰角1217°,下排孔仰角57°,鉆孔深度一般為150250m 。用全方位鉆孔測斜儀在15號鉆場中進(jìn)行了5個(gè)鉆孔的測量,測量后發(fā)現(xiàn):a 1鉆孔實(shí)際軌跡偏離設(shè)計(jì)方向較大,(見表1在最深為168m 的鉆孔組

8、中,最大水平偏移達(dá)4712m ,最大垂直偏移達(dá)8177m 。95第4期張典榮,朱曉榮:高精度全方位鉆孔測斜儀的研究及應(yīng)用圖6鉆孔設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)際軌跡圖設(shè)計(jì)軌跡;實(shí)際軌跡b1鉆孔組的實(shí)際軌跡沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求,見圖6。按設(shè)計(jì)要求,抽放瓦斯孔應(yīng)鉆成輻射狀,利于擴(kuò)大抽放面積,而通過鉆孔軌跡對比圖可知,實(shí)際軌跡基本都集中到一個(gè)方向, 沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的。依據(jù)測量結(jié)果,采取補(bǔ)充鉆孔的措施,保證抽放面積,利于安全生產(chǎn)。如果沒有全方位鉆孔測斜儀的研制成功,如此大的偏離誤差是無法知道的。612山西運(yùn)城芒硝礦床定向鉆孔的監(jiān)測在山西運(yùn)城鹽湖界村,芒硝礦床埋深在100m 左右,礦質(zhì)好,適宜采用水溶法開采,為此需要鉆孔測斜

9、儀提供精確的測斜資料,然后采用定向造斜技術(shù)。首先從地表A點(diǎn)(圖7以俯角定向鉆進(jìn)到芒硝礦層,再順礦層水平鉆進(jìn),然后又以仰角定向從地表B點(diǎn)鉆出,進(jìn)行水溶法開采,通過監(jiān)測系統(tǒng)鉆孔測斜儀的測量,其空間軌跡如圖7所示,X、Y、Z方向?yàn)閳D7鉆孔空間軌跡圖大地坐標(biāo)系。為了驗(yàn)證其測量精度,還在地面用高精度的儀表進(jìn)行了測量及計(jì)算,經(jīng)分析兩者測量結(jié)果完全一致。以上兩例,僅說明了該鉆孔測斜儀能真正進(jìn)行高精度全方位測量,而這一點(diǎn),目前其他測斜儀還無法實(shí)現(xiàn)。7結(jié)論a1這臺高精度全方位鉆孔測斜儀系統(tǒng),采用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)及性能優(yōu)良的新器件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全方位測量,使上仰、下俯、水平、垂直各種鉆孔測量簡便易行。b

10、1采用了高精度測角傳感器和測向傳感器以及科學(xué)的軟件校正、計(jì)算,提高了儀器的測量精度。c1多次現(xiàn)場試驗(yàn)證明,該儀器設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定,是監(jiān)測鉆孔軌跡的理想工具。參考文獻(xiàn)1孫涵芳,徐愛卿1MCS-51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用M1北京:北京航天航空大學(xué)出版社,199212李華1MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)M1北京:北京航空航天大學(xué)出版社,199613何立民1MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M1北京:北京航空航天大學(xué)出版社,199514郭愛煌,張典榮1順煤層鉆進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)研究報(bào)告R1西安:煤炭科學(xué)研究總院西安分院物探所,19981Application and research of the hig

11、h 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 method 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測井技術(shù)在災(zāi)害防治及環(huán)境保護(hù)中有新突破由山東煤田地質(zhì)局?jǐn)?shù)字測井站完成的成像測井技術(shù)在災(zāi)害防治及環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用科研課題,日前通過由山東省科學(xué)技術(shù)廳組織,東南大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)和中國地球物理學(xué)會等單位的教授、研究員、專家們參加的鑒定,認(rèn)為這一應(yīng)用技術(shù)處于國內(nèi)的領(lǐng)先地位。課題