一種鉆機姿態(tài)測量儀及鉆孔方位調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鉆機姿態(tài)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種鉆機姿態(tài)測量儀及鉆孔方位 調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采煤工藝也隨之進步，近年來煤礦井下定向鉆孔技術(shù)得到 推廣應(yīng)用。實際進行煤礦井下定向鉆孔時，鉆機定向的方法至關(guān)重要，其中鉆機定向指確定 鉆機的鉆進方向，也稱鉆孔方向或鉆孔方位，使得鉆機的鉆孔方向滿足預(yù)先設(shè)定要求。方位 角又稱地平經(jīng)度（azimuthangle)，是在平面上量度物體之間的角度差的方法之一，方位角 是從某點的指北方向線起，依順時針方向到目標(biāo)方向線之間的水平夾角。鉆孔方向通過鉆 孔方位角（azimuthalangleofhole)進行表示，鉆孔方位角是指鉆孔軸線的任意一點切 線在水平上的投影，與子午線指北方向順時針旋轉(zhuǎn)的夾角，稱為鉆孔該點或該孔深處的鉆 孔方位角，它是確定鉆孔在地下空間位置的基本參數(shù)之一。
[0003]現(xiàn)如今煤礦井下定向鉆孔過程中，對鉆機進行定向時，所采用的傳統(tǒng)定向方法是 拉線定向法，具體是通過設(shè)置一條拉線對鉆機的鉆進方法進行確定。但實際使用時，由于 地層的地質(zhì)條件復(fù)雜以及地質(zhì)構(gòu)造與巖層力學(xué)性質(zhì)的不同，再加上鉆孔軌跡難以控制，傳 統(tǒng)的拉線定向法存在操作復(fù)雜、定向過程繁瑣、定向準確度難以控制、定向準確度較差等問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鉆機姿態(tài) 測量儀，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理且使用操作簡便、使用效果好，能簡便、快速對鉆機的鉆孔方 位進行測量。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種鉆機姿態(tài)測量儀，其特征在 于：包括尋北儀和對尋北儀與待測鉆機之間的水平夾角進行測量的方位調(diào)節(jié)儀；所述方位 調(diào)節(jié)儀平放于尋北儀的第一外殼上，所述第一外殼呈水平布設(shè)且其上部設(shè)置有基準平臺， 所述基準平臺的上表面呈水平布設(shè)且其為尋北儀和方位調(diào)節(jié)儀的基準面；所述方位調(diào)節(jié) 儀平放于所述基準面上，且方位調(diào)節(jié)儀位于基準平臺的正上方；所述方位調(diào)節(jié)儀包括第二 外殼和布設(shè)在第二外殼內(nèi)的第二電子線路板，所述第二電子線路板上設(shè)置有第二數(shù)據(jù)處理 器、三軸陀螺儀、第二三軸加速度計以及分別與第二數(shù)據(jù)處理器相接的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 和第二供電電源，所述三軸陀螺儀和所述第二三軸加速度計均與第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相接， 所述第二外殼的外側(cè)壁上裝有與第二數(shù)據(jù)處理器相接的第二參數(shù)設(shè)置單元。
[0006] 上述一種鉆機姿態(tài)測量儀，其特征是：所述三軸陀螺儀為MEMS陀螺儀，所述第 二三軸加速度計為第二MEMS加速度計；所述第二外殼的外側(cè)壁上裝有與第二數(shù)據(jù)處理器 相接的第二顯示單元。
[0007] 上述一種鉆機姿態(tài)測量儀，其特征是：所述基準平臺呈水平布設(shè)且其為圓形平臺、 圓環(huán)形平臺、長方形平臺或正多邊形平臺。
[0008] 上述一種鉆機姿態(tài)測量儀，其特征是：所述尋北儀包括布設(shè)在第一外殼內(nèi)的第一 電子線路板，所述第一電子線路板上設(shè)置有第一數(shù)據(jù)處理器、動力調(diào)諧陀螺儀、第一MEMS 加速度計以及分別與第一數(shù)據(jù)處理器相接的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和第一供電電源，所述動力 調(diào)諧陀螺儀和第一MEMS加速度計均與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相接，所述第一外殼的外側(cè)壁上 裝有與第一數(shù)據(jù)處理器相接的第一顯示單元，且第一外殼的外側(cè)壁上裝有用于輸入當(dāng)?shù)責(zé)?度值的第一參數(shù)設(shè)置單元，所述第一參數(shù)設(shè)置單元與第一數(shù)據(jù)處理器相接。
[0009] 上述一種鉆機姿態(tài)測量儀，其特征是：所述第二外殼的外側(cè)壁上還裝有第二充電 口和第二開關(guān)，所述第二充電口和第二開關(guān)均與第二供電電源相接；所述第一外殼的外側(cè) 壁上還裝有第一充電口和第一開關(guān)，所述第一充電口和第一開關(guān)均與第一供電電源相接； 所述第一充電口和第二充電口上均設(shè)置有防護蓋。
[0010] 同時，本發(fā)明還公開了一種方法步驟簡單、設(shè)計合理、實現(xiàn)方便且使用效果好、能 對鉆機進行準確定向的鉆機鉆孔方位調(diào)節(jié)方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0011] 步驟一、靜止尋北：通過尋北儀測量真方位角，所測得的真方位角為尋北儀的真方 位角；
[0012] 步驟二、鉆孔方位調(diào)節(jié)：采用方位調(diào)節(jié)儀對尋北儀與待測鉆機之間的水平夾角 △ ?進行測量，并根據(jù)方位調(diào)節(jié)儀的測量結(jié)果，將所述待測鉆機在水平面上進行逆時針或 順時針旋轉(zhuǎn)，直至A?+O1= ?。；
[0013] 其中，O1為步驟一中所測得尋北儀的真方位角，?C1為預(yù)先確定的待測鉆機的目 標(biāo)真方位角。
[0014] 上述方法，其特征是：步驟二中鉆孔方位調(diào)節(jié)過程中，所述尋北儀保持靜止不動；
[0015]步驟二中采用方位調(diào)節(jié)儀對尋北儀與待測鉆機之間的水平夾角△ ?進行測量 時，過程如下：
[0016] 步驟201、尋北儀尋北結(jié)果設(shè)定：通過所述第二參數(shù)設(shè)置單元輸入步驟一中所測 得尋北儀的真方位角O1，所述第二數(shù)據(jù)處理器接收到O1后進行同步存儲；
[0017] 步驟202、方位調(diào)節(jié)儀移位及數(shù)據(jù)實時采集：將方位調(diào)節(jié)儀移至所述待測鉆機的 基準線上；所述方位調(diào)節(jié)儀移位過程中，通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對所述三軸陀螺儀和所述 第二三軸加速度計所測量的數(shù)據(jù)進行實時采集，且所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所采集數(shù)據(jù)同 步傳送至第二數(shù)據(jù)處理器；
[0018] 步驟203、水平夾角求解：所述第二數(shù)據(jù)處理器調(diào)用定時增量法求解模塊，并結(jié)合 方位調(diào)節(jié)儀移位過程中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所采集的數(shù)據(jù)，計算得出方位調(diào)節(jié)儀從尋北儀移至所 述待測鉆機的基準線時的水平轉(zhuǎn)角，所計算得出的水平轉(zhuǎn)角為尋北儀與待測鉆機之間的水 平夾角A? ;
[0019] 步驟204、鉆機方位調(diào)節(jié)判斷：根據(jù)步驟203中計算得出的水平夾角A判斷是 否需對所述待測鉆機的鉆孔方位進行調(diào)節(jié)：當(dāng)△ (6 + 4%=OtI時，說明此時所述待測鉆機的 鉆孔方位為預(yù)先確定的目標(biāo)鉆孔方位，完成所述待測鉆機的鉆孔方位調(diào)節(jié)過程；否則，進入 步驟205 ;
[0020] 步驟205、方位調(diào)節(jié)儀回移及鉆機旋轉(zhuǎn)：將方位調(diào)節(jié)儀回移至尋北儀的基準平臺 上，同時將所述待測鉆機在水平面上進行逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)；
[0021] 步驟206、下一次鉆孔方位調(diào)節(jié)：返回步驟201，按照步驟201至步驟205中所述的 方法，對所述待測鉆機的鉆孔方位進行下一次調(diào)節(jié)；
[0022] 步驟207、多次重復(fù)步驟206,直至將所述待測鉆機的鉆孔方位調(diào)節(jié)為預(yù)先確定的 目標(biāo)鉆孔方位。
[0023] 上述方法，其特征是：步驟一中尋北儀的真方位角為尋北儀的基準邊與地理真北 方向之間的水平夾角，所述尋北儀與待測鉆機之間的水平夾角為尋北儀的基準邊與待測鉆 機的基準線之間的水平夾角；所述尋北儀的基準邊為所述基準面的中心線；
[0024] 所述第二外殼的外側(cè)壁上裝有與第二數(shù)據(jù)處理器相接的第二顯示單元；
[0025] 步驟203中水平夾角求解完成后，所述第二數(shù)據(jù)處理器調(diào)用數(shù)值計算模塊且根據(jù) 公式Oc/=A ，計算得出此時所述待測鉆機的真方位角Oc/,同時，所述第二數(shù)據(jù)處 理器將計算得出的真方位角'通過所述第二顯示單元進行同步顯示；
[0026] 步驟202中對方位調(diào)節(jié)儀進行移位之前，所述第二顯示單元所顯示的Oc/=O1; 步驟203中水平夾角求解完成后，所述第二顯示單元所顯示的C%' =A? +C>1;步驟206 中進行下一次鉆孔方位調(diào)節(jié)之前，所述第二顯示單元所顯示的=
[0027] 上述方法，其特征是：步驟203中水平夾角求解完成后，所述第二數(shù)據(jù)處理器調(diào)用 數(shù)值計算模塊且根據(jù)公式=A? + ，計算得出此時所述待測鉆機的真方位角Oc/ ; 步驟205中將所述待測鉆機在水平面上進行逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)步驟203中所算 得出的(6(/,對所述待測鉆機進行旋轉(zhuǎn)：當(dāng)(6(1'> (6(1時，對所述待測鉆機進行逆時針旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)（J)c/ < (!^時，對所述待測鉆機進行順時針旋轉(zhuǎn)。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0029] 1、所采用的鉆機姿態(tài)測量儀結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理且體積小，占用空間小，適合空間 狹小、地質(zhì)條件復(fù)雜的工程技術(shù)作業(yè)。
[0030] 2、所采用的鉆機姿態(tài)測量儀使用操作簡便、使用效果好，能簡便、快速對鉆機的鉆 孔方位進行測量，從而對鉆機進行準確定向。
[0031] 3、鉆機鉆孔方位測量操作方便、簡單且快捷，省去了復(fù)雜的拉線操作過程。
[0032] 4、所采用的鉆機姿態(tài)測量儀使用效果好且性能可靠，主要包括尋北儀和方位調(diào)節(jié) 儀兩部分。尋北儀中采用動力調(diào)諧陀螺儀和MEMS加速度計兩種傳感器，方位調(diào)節(jié)儀中采用 MEMS陀螺儀和MEMS加速度計兩種傳感器。實際使用過程中，通過陀螺儀測量兩個姿態(tài)角和 航向角的動態(tài)變化，保證姿態(tài)測量的實時性和動態(tài)精度；加速度計測量俯仰角和橫滾角的 低頻變化，并修正陀螺儀誤差引起的姿態(tài)角的緩慢漂移。
[0033] 5、尋北儀測得的真方位角與由方位調(diào)節(jié)儀測得的水平轉(zhuǎn)角之和作為待測鉆機的 真方位角，計算得出的待測鉆機的真方位角精度高。
[0034]6、所采用的鉆機