一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及勘探测量技术领域，尤其是一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法。
【背景技术】
[0002] 目前国内井下钻孔参数测量普遍使用夹角规、坡度规、线绳及卷尺等常规机械测 量工具，存在测量人为误差、程序繁琐、操作不方便等弊端。除了传统的测量方法外，还有地 磁罗盘、ZJSD-I钻孔激光数字定位仪这些相对高级的测量仪器，但是地质罗盘受磁性材料 和电磁场等因素干扰严重，再加上人为误差，测量精度非常低。ZJSD-I钻孔激光数字定位仪 测量操作虽然比传统测量方法操作简单，测量精度也相对传统测量方法有所提高，但是总 体来说操作步骤仍然比较繁琐，并且人为误差较大，操作步骤和测量精度还需进一步提高。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，能够解决现 有技术的不足，改进现有测量方法复杂的操作步骤，提高对钻探角度实时数据的测量精确 度。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
[0005] 一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，包括以下步骤：
[0006] A、标定基准
[0007] 对传感器进行水平面和中线方向标定；
[0008] B、输出方位角和倾角
[0009] 移动传感器，传感器内部进行数据解算并输出传感器倾角和方位角；
[0010] C、将传感器固定在钻杆上读取钻杆方位角和倾角。
[0011] 作为优选，步骤A中，具体包括以下步骤：
[0012] A1、在传感器上安装一激光面光源，该光源面与传感器轴线平行，面光源投影在巷 道顶端形成一条直线，调整传感器使该直线与巷道顶端中线或两个中线参考点重合，将传 感器的该位置作为钻杆方位角的测量的零点位置；
[0013] A2、将传感器固定于水平台上，保持此时三轴加速度数据，将此时加速度数据作为 测量时水平面标定的依据；将传感器放于可调节的支架上，调节支架，使传感器的三轴加速 度数据和此前保存的水平时加速度数据相同，此时传感器的位置作为钻杆倾角测量的零点 位置；
[0014] A3、将上述两个步骤中测定出的位置作为钻杆水平面和中线方向的零点，进行零 点标定并进行保存。
[0015] 作为优选，步骤C中，将传感器固定于磁性夹具上，使用磁性夹具吸附于钻杆的导 轨面上，并保持传感器与钻杆的轴线平行。
[0016] 本发明使钻孔方位参数实时获取的同时，较之现存的其他测量方法结果更准确， 系统更可靠，测量操作更简便，并且抗磁场干扰，省时省力，能为地质分析提供可信度高的 参考数据。
【具体实施方式】
[0017] -种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，包括以下步骤：
[0018] 基准的标定
[0019] 水平位置和巷道中线是测量的两个基准（倾角和方位角的零点位置），在测量过 程中需要对传感器进行水平面和中线方向标定。
[0020] 1、巷道中线对齐
[0021] 传感器上安装一激光面光源，该光源面与仪器轴线平行，面光源投影在巷道顶端 形成一条直线，调整传感器使该直线与巷道顶端中线（或者两个中线参考点）重合，此时传 感器轴线与中线两者在水平面内投影理论上重合，将传感器的该位置作为钻杆方位角的测 量的零点位置。
[0022] 2、传感器水平调整
[0023] 将传感器放在事先调整至水平的水平台，保持此时三轴加速度数据，将此时加速 度数据作为测量时水平面标定的依据。
[0024] 在测量时，将传感器放于可调节的支架上，调节支架，使传感器的三轴加速度数据 和此前保存的水平时加速度数据相同，可视为此刻传感器保持水平。将传感器该位置作为 钻杆倾角测量的零点位置。
[0025] 3、零点状态标定
[0026] 经过以上两个步骤的调整后，即可对传感器基准零点进行标定，标定（保存零点 状态）此时状态作为钻杆倾角和方位角测量的零点。
[0027] 方位角和倾角输出
[0028] 完成传感器基准标定后，随意移动传感器，传感器上的加速度传感器和陀螺仪测 量数据将实时发生变化，将三轴加速度数据和三轴角速度数据作为原始输入数据，进行滤 波、姿态解算、误差消除，最后实时输出传感器的倾角和方位角，并显示在传感器上。将该仪 器固定在钻杆上，并保持轴线与钻杆轴线平行，传感器将实时输出钻杆的方位角和倾角，传 感器一次标定完成后，在关机前可以对同一巷道下的多个钻孔位置进行多次测量。
[0029] 传感器的固定
[0030] 步骤B中只用三轴加速度数据和三轴磁力计数据作为输入，直接输出传感器倾角 和方位角，由于没有用到磁力计数据，磁场对传感器无影响，并且由于钻杆为圆柱状，并且 各种钻机的钻杆大小和型号各部相同，使得将传感器的固定在钻杆上并保持与钻杆轴线平 行比较困难，在大多数钻机中，有两个与钻杆平行的导轨面，用于钻杆进给导向，可以将传 感器用磁铁吸附在导轨平面上，并保持传感器轴线与导轨外侧沿平行，那么传感器测量出 的数据正好与钻杆的倾角和方位角相等。该固定方法简单方便，并且不影响测量精度。
[0031] 本发明使用的陀螺仪为Invensense的三轴陀螺仪，激光光源为水平仪激光模组。
[0032] 现有技术中，测量方法有两种：角度尺测量和电子罗盘测量。
[0033] 角度尺测量多采用量角器、线绳等工具进行测量，该测量方法由于测量工具精度 低，测量过程人工参与过多，导致精度很低，同一钻杆，需要多次测量求均值以减少误差，费 事费力。传统测量一次大概需要15分钟左右。
[0034] 电子罗盘测量，现有的电子罗盘分为两种，一种是采用光纤陀螺仪进行测量，该方 法所用仪器精度高，误差为〇. 5度/360度。但是价格非常昂贵，一台售价在十余万元到 二十万元不等。另一种采用传统的陀螺仪+加速度，辅助磁力计进行校准。该方法最大的 缺点是测量数据对磁场（硬磁和软磁）非常敏感，只要传感器附近有硬磁或者软磁材料，将 大大影响测量精度。测量精度在3度?4度/360度。这两种测量方法单次测量时间大约 2-3分钟。
[0035] 对比以上两种测量方法：本方法采用陀螺仪+加速度的方案，集中现有电子罗盘 产品的优势，既避免了磁场对传感器测量精度的影响，又使得成本大大降低，精度在0. 5度 /360度?I. 0度/360度。在测量过程中不需要过多的准备工作，无需对同一钻杆进行多次 测量。多次测量具有很高的可重复性。本方法单次测量时间大约2-3分钟。
[0036] 精度：该方案所测误差和测量相对角度成正比，如传感器转动360度，误差为1度， 那么转动180度，误差在0. 5度左右，误差和转的相对角度呈现大致的线性关系。
[0037] 具体对比数据详见下表：
【主权项】
1. 一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，其特征在于包括以下步骤： A、 标定基准 对传感器进行水平面和中线方向标定； B、 输出方位角和倾角 移动传感器，传感器内部进行数据解算并输出传感器倾角和方位角； C、 将传感器固定在钻杆上读取钻杆方位角和倾角。
2. 根据权利要求1所述的煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，其特征在于：步骤A中，具体 包括以下步骤： A1、在传感器上安装一激光面光源，该光源面与传感器轴线平行，面光源投影在巷道顶 端形成一条直线，调整传感器使该直线与巷道顶端中线或两个中线参考点重合，将传感器 的该位置作为钻杆方位角的测量的零点位置； A2、将传感器固定于水平台上，保持此时三轴加速度数据，将此时加速度数据作为测量 时水平面标定的依据；将传感器放于可调节的支架上，调节支架，使传感器的三轴加速度 数据和此前保存的水平时加速度数据相同，此时传感器的位置作为钻杆倾角测量的零点位 置； A3、将上述两个步骤中测定出的位置作为钻杆水平面和中线方向的零点，进行零点标 定并进行保存。
3. 根据权利要求1所述改进的煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，其特征在于：步骤C中， 将传感器固定于磁性夹具上，使用磁性夹具吸附于钻杆的导轨面上，并保持传感器与钻杆 的轴线平行。
【专利摘要】本发明公开了一种煤矿用陀螺仪式钻杆定位方法，包括以下步骤：A、对传感器进行水平面和中线方向标定；B、移动传感器，采集三轴加速度数据和三轴角速度数据并进行输出；C、将传感器固定在钻杆上读取钻杆方位角和倾角。本发明能够改进现有技术的不足，提高对钻探角度实时数据的测量精确度。
【IPC分类】E21B19-24
【公开号】CN104612605
【申请号】CN201410758860
【发明人】谢芳
【申请人】山西惟实煤矿安全科技有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月12日