一種煤礦用陀螺儀式鉆桿定位方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及勘探測量技術(shù)領域，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)測量普遍使用夾角規(guī)、坡度規(guī)、線繩及卷尺等常規(guī)機械測 量工具，存在測量人為誤差、程序繁瑣、操作不方便等弊端。除了傳統(tǒng)的測量方法外，還有地 磁羅盤、ZJSD-I鉆孔激光數(shù)字定位儀這些相對高級的測量儀器，但是地質(zhì)羅盤受磁性材料 和電磁場等因素干擾嚴重，再加上人為誤差，測量精度非常低。ZJSD-I鉆孔激光數(shù)字定位儀 測量操作雖然比傳統(tǒng)測量方法操作簡單，測量精度也相對傳統(tǒng)測量方法有所提高，但是總 體來說操作步驟仍然比較繁瑣，并且人為誤差較大，操作步驟和測量精度還需進一步提高。

【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，改進現(xiàn)有測量方法復雜的操作步驟，提高對鉆探角度實時數(shù)據(jù)的測量精確 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、標定基準
[0007] 對傳感器進行水平面和中線方向標定；
[0008] B、輸出方位角和傾角
[0009] 移動傳感器，傳感器內(nèi)部進行數(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中線參考點重合，將傳 感器的該位置作為鉆桿方位角的測量的零點位置；
[0013] A2、將傳感器固定于水平臺上，保持此時三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時加速度數(shù)據(jù)作為 測量時水平面標定的依據(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加速度數(shù)據(jù)相同，此時傳感器的位置作為鉆桿傾角測量的零點 位置；
[0014] A3、將上述兩個步驟中測定出的位置作為鉆桿水平面和中線方向的零點，進行零 點標定并進行保存。
[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 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)實時獲取的同時，較之現(xiàn)存的其他測量方法結(jié)果更準確， 系統(tǒng)更可靠，測量操作更簡便，并且抗磁場干擾，省時省力，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] 基準的標定
[0019] 水平位置和巷道中線是測量的兩個基準（傾角和方位角的零點位置），在測量過 程中需要對傳感器進行水平面和中線方向標定。
[0020] 1、巷道中線對齊
[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（或者兩個中線參考點）重合，此時傳 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 量的零點位置。
[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，保持此時三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時加速 度數(shù)據(jù)作為測量時水平面標定的依據(jù)。
[0024] 在測量時，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 鉆桿傾角測量的零點位置。
[0025] 3、零點狀態(tài)標定
[0026] 經(jīng)過以上兩個步驟的調(diào)整后，即可對傳感器基準零點進行標定，標定（保存零點 狀態(tài)）此時狀態(tài)作為鉆桿傾角和方位角測量的零點。
[0027] 方位角和傾角輸出
[0028] 完成傳感器基準標定后，隨意移動傳感器，傳感器上的加速度傳感器和陀螺儀測 量數(shù)據(jù)將實時發(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)，進行濾 波、姿態(tài)解算、誤差消除，最后實時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，傳感器將實時輸出鉆桿的方位角和傾角，傳 感器一次標定完成后，在關機前可以對同一巷道下的多個鉆孔位置進行多次測量。
[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數(shù)據(jù)，磁場對傳感器無影響，并且由于鉆桿為圓柱狀，并且 各種鉆機的鉆桿大小和型號各部相同，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)鉆機中，有兩個與鉆桿平行的導軌面，用于鉆桿進給導向，可以將傳 感器用磁鐵吸附在導軌平面上，并保持傳感器軸線與導軌外側(cè)沿平行，那么傳感器測量出 的數(shù)據(jù)正好與鉆桿的傾角和方位角相等。該固定方法簡單方便，并且不影響測量精度。
[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，測量方法有兩種：角度尺測量和電子羅盤測量。
[0033] 角度尺測量多采用量角器、線繩等工具進行測量，該測量方法由于測量工具精度 低，測量過程人工參與過多，導致精度很低，同一鉆桿，需要多次測量求均值以減少誤差，費 事費力。傳統(tǒng)測量一次大概需要15分鐘左右。
[0034] 電子羅盤測量，現(xiàn)有的電子羅盤分為兩種，一種是采用光纖陀螺儀進行測量，該方 法所用儀器精度高，誤差為〇. 5度/360度。但是價格非常昂貴，一臺售價在十余萬元到 二十萬元不等。另一種采用傳統(tǒng)的陀螺儀+加速度，輔助磁力計進行校準。該方法最大的 缺點是測量數(shù)據(jù)對磁場（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 大大影響測量精度。測量精度在3度?4度/360度。這兩種測量方法單次測量時間大約 2-3分鐘。
[0035] 對比以上兩種測量方法：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，既避免了磁場對傳感器測量精度的影響，又使得成本大大降低，精度在0. 5度 /360度?I. 0度/360度。在測量過程中不需要過多的準備工作，無需對同一鉆桿進行多次 測量。多次測量具有很高的可重復性。本方法單次測量時間大約2-3分鐘。
[0036] 精度：該方案所測誤差和測量相對角度成正比，如傳感器轉(zhuǎn)動360度，誤差為1度， 那么轉(zhuǎn)動180度，誤差在0. 5度左右，誤差和轉(zhuǎn)的相對角度呈現(xiàn)大致的線性關系。
[0037] 具體對比數(shù)據(jù)詳見下表：
【主權(quán)項】
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、 標定基準 對傳感器進行水平面和中線方向標定； B、 輸出方位角和傾角 移動傳感器，傳感器內(nèi)部進行數(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中線參考點重合，將傳感器 的該位置作為鉆桿方位角的測量的零點位置； A2、將傳感器固定于水平臺上，保持此時三軸加速度數(shù)據(jù)，將此時加速度數(shù)據(jù)作為測量 時水平面標定的依據(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加速度數(shù)據(jù)相同，此時傳感器的位置作為鉆桿傾角測量的零點位 置； A3、將上述兩個步驟中測定出的位置作為鉆桿水平面和中線方向的零點，進行零點標 定并進行保存。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述改進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、對傳感器進行水平面和中線方向標定；B、移動傳感器，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)明能夠改進現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高對鉆探角度實時數(shù)據(jù)的測量精確度。
【IPC分類】E21B19-24
【公開號】CN104612605
【申請?zhí)枴緾N201410758860
【發(fā)明人】謝芳
【申請人】山西惟實煤礦安全科技有限公司
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月12日