一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及勘探測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)井下鉆孔參數(shù)測(cè)量普遍使用夾角規(guī)、坡度規(guī)、線繩及卷尺等常規(guī)機(jī)械測(cè) 量工具，存在測(cè)量人為誤差、程序繁瑣、操作不方便等弊端。除了傳統(tǒng)的測(cè)量方法外，還有地 磁羅盤、ZJSD-I鉆孔激光數(shù)字定位儀這些相對(duì)高級(jí)的測(cè)量?jī)x器，但是地質(zhì)羅盤受磁性材料 和電磁場(chǎng)等因素干擾嚴(yán)重，再加上人為誤差，測(cè)量精度非常低。ZJSD-I鉆孔激光數(shù)字定位儀 測(cè)量操作雖然比傳統(tǒng)測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度也相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法有所提高，但是總 體來說操作步驟仍然比較繁瑣，并且人為誤差較大，操作步驟和測(cè)量精度還需進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，能夠解決現(xiàn) 有技術(shù)的不足，改進(jìn)現(xiàn)有測(cè)量方法復(fù)雜的操作步驟，提高對(duì)鉆探角度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量精確 度。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
[0005] 一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，包括以下步驟：
[0006] A、標(biāo)定基準(zhǔn)
[0007] 對(duì)傳感器進(jìn)行水平面和中線方向標(biāo)定；
[0008] B、輸出方位角和傾角
[0009] 移動(dòng)傳感器，傳感器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)解算并輸出傳感器傾角和方位角；
[0010] C、將傳感器固定在鉆桿上讀取鉆桿方位角和傾角。
[0011] 作為優(yōu)選，步驟A中，具體包括以下步驟：
[0012] A1、在傳感器上安裝一激光面光源，該光源面與傳感器軸線平行，面光源投影在巷 道頂端形成一條直線，調(diào)整傳感器使該直線與巷道頂端中線或兩個(gè)中線參考點(diǎn)重合，將傳 感器的該位置作為鉆桿方位角的測(cè)量的零點(diǎn)位置；
[0013] A2、將傳感器固定于水平臺(tái)上，保持此時(shí)三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時(shí)加速度數(shù)據(jù)作為 測(cè)量時(shí)水平面標(biāo)定的依據(jù)；將傳感器放于可調(diào)節(jié)的支架上，調(diào)節(jié)支架，使傳感器的三軸加速 度數(shù)據(jù)和此前保存的水平時(shí)加速度數(shù)據(jù)相同，此時(shí)傳感器的位置作為鉆桿傾角測(cè)量的零點(diǎn) 位置；
[0014] A3、將上述兩個(gè)步驟中測(cè)定出的位置作為鉆桿水平面和中線方向的零點(diǎn)，進(jìn)行零 點(diǎn)標(biāo)定并進(jìn)行保存。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟C中，將傳感器固定于磁性夾具上，使用磁性夾具吸附于鉆桿的導(dǎo) 軌面上，并保持傳感器與鉆桿的軸線平行。
[0016] 本發(fā)明使鉆孔方位參數(shù)實(shí)時(shí)獲取的同時(shí)，較之現(xiàn)存的其他測(cè)量方法結(jié)果更準(zhǔn)確， 系統(tǒng)更可靠，測(cè)量操作更簡(jiǎn)便，并且抗磁場(chǎng)干擾，省時(shí)省力，能為地質(zhì)分析提供可信度高的 參考數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0017] -種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，包括以下步驟：
[0018] 基準(zhǔn)的標(biāo)定
[0019] 水平位置和巷道中線是測(cè)量的兩個(gè)基準(zhǔn)（傾角和方位角的零點(diǎn)位置），在測(cè)量過 程中需要對(duì)傳感器進(jìn)行水平面和中線方向標(biāo)定。
[0020] 1、巷道中線對(duì)齊
[0021] 傳感器上安裝一激光面光源，該光源面與儀器軸線平行，面光源投影在巷道頂端 形成一條直線，調(diào)整傳感器使該直線與巷道頂端中線（或者兩個(gè)中線參考點(diǎn)）重合，此時(shí)傳 感器軸線與中線兩者在水平面內(nèi)投影理論上重合，將傳感器的該位置作為鉆桿方位角的測(cè) 量的零點(diǎn)位置。
[0022] 2、傳感器水平調(diào)整
[0023] 將傳感器放在事先調(diào)整至水平的水平臺(tái)，保持此時(shí)三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時(shí)加速 度數(shù)據(jù)作為測(cè)量時(shí)水平面標(biāo)定的依據(jù)。
[0024] 在測(cè)量時(shí)，將傳感器放于可調(diào)節(jié)的支架上，調(diào)節(jié)支架，使傳感器的三軸加速度數(shù)據(jù) 和此前保存的水平時(shí)加速度數(shù)據(jù)相同，可視為此刻傳感器保持水平。將傳感器該位置作為 鉆桿傾角測(cè)量的零點(diǎn)位置。
[0025] 3、零點(diǎn)狀態(tài)標(biāo)定
[0026] 經(jīng)過以上兩個(gè)步驟的調(diào)整后，即可對(duì)傳感器基準(zhǔn)零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定（保存零點(diǎn) 狀態(tài)）此時(shí)狀態(tài)作為鉆桿傾角和方位角測(cè)量的零點(diǎn)。
[0027] 方位角和傾角輸出
[0028] 完成傳感器基準(zhǔn)標(biāo)定后，隨意移動(dòng)傳感器，傳感器上的加速度傳感器和陀螺儀測(cè) 量數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)發(fā)生變化，將三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)作為原始輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾 波、姿態(tài)解算、誤差消除，最后實(shí)時(shí)輸出傳感器的傾角和方位角，并顯示在傳感器上。將該儀 器固定在鉆桿上，并保持軸線與鉆桿軸線平行，傳感器將實(shí)時(shí)輸出鉆桿的方位角和傾角，傳 感器一次標(biāo)定完成后，在關(guān)機(jī)前可以對(duì)同一巷道下的多個(gè)鉆孔位置進(jìn)行多次測(cè)量。
[0029] 傳感器的固定
[0030] 步驟B中只用三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸磁力計(jì)數(shù)據(jù)作為輸入，直接輸出傳感器傾角 和方位角，由于沒有用到磁力計(jì)數(shù)據(jù)，磁場(chǎng)對(duì)傳感器無影響，并且由于鉆桿為圓柱狀，并且 各種鉆機(jī)的鉆桿大小和型號(hào)各部相同，使得將傳感器的固定在鉆桿上并保持與鉆桿軸線平 行比較困難，在大多數(shù)鉆機(jī)中，有兩個(gè)與鉆桿平行的導(dǎo)軌面，用于鉆桿進(jìn)給導(dǎo)向，可以將傳 感器用磁鐵吸附在導(dǎo)軌平面上，并保持傳感器軸線與導(dǎo)軌外側(cè)沿平行，那么傳感器測(cè)量出 的數(shù)據(jù)正好與鉆桿的傾角和方位角相等。該固定方法簡(jiǎn)單方便，并且不影響測(cè)量精度。
[0031] 本發(fā)明使用的陀螺儀為Invensense的三軸陀螺儀，激光光源為水平儀激光模組。
[0032] 現(xiàn)有技術(shù)中，測(cè)量方法有兩種：角度尺測(cè)量和電子羅盤測(cè)量。
[0033] 角度尺測(cè)量多采用量角器、線繩等工具進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量方法由于測(cè)量工具精度 低，測(cè)量過程人工參與過多，導(dǎo)致精度很低，同一鉆桿，需要多次測(cè)量求均值以減少誤差，費(fèi) 事費(fèi)力。傳統(tǒng)測(cè)量一次大概需要15分鐘左右。
[0034] 電子羅盤測(cè)量，現(xiàn)有的電子羅盤分為兩種，一種是采用光纖陀螺儀進(jìn)行測(cè)量，該方 法所用儀器精度高，誤差為〇. 5度/360度。但是價(jià)格非常昂貴，一臺(tái)售價(jià)在十余萬元到 二十萬元不等。另一種采用傳統(tǒng)的陀螺儀+加速度，輔助磁力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。該方法最大的 缺點(diǎn)是測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)磁場(chǎng)（硬磁和軟磁）非常敏感，只要傳感器附近有硬磁或者軟磁材料，將 大大影響測(cè)量精度。測(cè)量精度在3度?4度/360度。這兩種測(cè)量方法單次測(cè)量時(shí)間大約 2-3分鐘。
[0035] 對(duì)比以上兩種測(cè)量方法：本方法采用陀螺儀+加速度的方案，集中現(xiàn)有電子羅盤 產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，既避免了磁場(chǎng)對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響，又使得成本大大降低，精度在0. 5度 /360度?I. 0度/360度。在測(cè)量過程中不需要過多的準(zhǔn)備工作，無需對(duì)同一鉆桿進(jìn)行多次 測(cè)量。多次測(cè)量具有很高的可重復(fù)性。本方法單次測(cè)量時(shí)間大約2-3分鐘。
[0036] 精度：該方案所測(cè)誤差和測(cè)量相對(duì)角度成正比，如傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)360度，誤差為1度， 那么轉(zhuǎn)動(dòng)180度，誤差在0. 5度左右，誤差和轉(zhuǎn)的相對(duì)角度呈現(xiàn)大致的線性關(guān)系。
[0037] 具體對(duì)比數(shù)據(jù)詳見下表：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，其特征在于包括以下步驟： A、 標(biāo)定基準(zhǔn) 對(duì)傳感器進(jìn)行水平面和中線方向標(biāo)定； B、 輸出方位角和傾角 移動(dòng)傳感器，傳感器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)解算并輸出傳感器傾角和方位角； C、 將傳感器固定在鉆桿上讀取鉆桿方位角和傾角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，其特征在于：步驟A中，具體 包括以下步驟： A1、在傳感器上安裝一激光面光源，該光源面與傳感器軸線平行，面光源投影在巷道頂 端形成一條直線，調(diào)整傳感器使該直線與巷道頂端中線或兩個(gè)中線參考點(diǎn)重合，將傳感器 的該位置作為鉆桿方位角的測(cè)量的零點(diǎn)位置； A2、將傳感器固定于水平臺(tái)上，保持此時(shí)三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時(shí)加速度數(shù)據(jù)作為測(cè)量 時(shí)水平面標(biāo)定的依據(jù)；將傳感器放于可調(diào)節(jié)的支架上，調(diào)節(jié)支架，使傳感器的三軸加速度 數(shù)據(jù)和此前保存的水平時(shí)加速度數(shù)據(jù)相同，此時(shí)傳感器的位置作為鉆桿傾角測(cè)量的零點(diǎn)位 置； A3、將上述兩個(gè)步驟中測(cè)定出的位置作為鉆桿水平面和中線方向的零點(diǎn)，進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo) 定并進(jìn)行保存。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進(jìn)的煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，其特征在于：步驟C中， 將傳感器固定于磁性夾具上，使用磁性夾具吸附于鉆桿的導(dǎo)軌面上，并保持傳感器與鉆桿 的軸線平行。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法，包括以下步驟：A、對(duì)傳感器進(jìn)行水平面和中線方向標(biāo)定；B、移動(dòng)傳感器，采集三軸加速度數(shù)據(jù)和三軸角速度數(shù)據(jù)并進(jìn)行輸出；C、將傳感器固定在鉆桿上讀取鉆桿方位角和傾角。本發(fā)明能夠改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高對(duì)鉆探角度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量精確度。
【IPC分類】E21B19-24
【公開號(hào)】CN104612605
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410758860
【發(fā)明人】謝芳
【申請(qǐng)人】山西惟實(shí)煤礦安全科技有限公司
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日