技术领域本发明涉及一种离线式矿用随钻测斜方法，具体而言，是给矿用小型回转钻机配套使用，用于钻孔轨迹参数的测量以及轨迹曲线绘制的一种矿用离线式随钻测斜方法。
背景技术：
在煤矿的开采过程中，透水和瓦斯是煤矿频发的主要事故。在巷道开采进行掘进的工作前，首先要对煤层进行地下水防治、瓦斯抽采及排放等工作，保证巷道内采煤工作人员的安全。具体方法是采用钻机沿水平方向打钻孔，通过钻孔来探放瓦斯和水。另外为了指导掘进工作，需要获得钻孔轨迹图，目前国内外主要用有线式随钻测量方式，即钻杆中心穿缆，是一种在线测量，通常也称作千米定向钻，但是这种钻机成本较高，而且因为体积较大，不适合掘进工作面；另外千米定向钻机系统适合煤层气开采、或者瓦斯开采的长距离钻进，对于探放水或者排放瓦斯需要的短距离钻进工况来说，千米定向钻机显得有点大牛拉小车，同时千米定向钻机的在线随钻测量系统还有价格昂贵，维修不便等缺点，而且由于是中心穿缆，对于高瓦斯矿具有一定的安全隐患，所以中小型的普通回转钻机就成为首选，本发明在于给中小型回转钻机配套一种离线式随钻测斜装置，目的在于使得矿用小型回转钻机也能实现钻孔轨迹精确绘制。公开号为CN103104250A的专利只强调了随钻测斜系统的基本构成，并没有阐述系统的工作流程以及测斜数据处理方式，而且也不能再井下直接显示钻孔轨迹，不方便煤矿使用。公开号为CN103939388A的专利描述了随钻测斜装置的结构，并没有给出测斜方法以及轨迹绘制方法。公开号为CN101343997A的发明专利只强调测斜仪的逻辑电路结构，没有给出具体传感器的使用以及配套的测斜方法。综上所述，目前仍然没有一套能够很好配套于煤矿中小型普通回转钻机的，方便煤矿工人使用和煤矿技术人员分析钻孔轨迹的随钻测斜系统和测斜方法。
技术实现要素：
为了弥补现有技术的缺陷，针对普通常规回转钻机，本发明提供一种矿用离线式随钻测斜系统及其测斜方法。一种矿用离线式随钻测斜方法的技术方案如下。一种矿用离线式随钻测斜系统，包括探管、同步仪和上位机软件；其特征在于：所述探管、同步仪和上位机软件是通过通讯线路连接构成；所述探管是测量实时钻头姿态；同步仪是提取和存储有效测量点数据，上传和绘制指定钻孔轨迹；上位机软件是读取有效点数据，以及绘制二维、三维钻孔轨迹和统筹分析基于同一坐标系下多个钻孔轨迹，同时同步探管和同步仪的时间。进一步的附加技术方案如下。所述探管是包括三轴重力加速度传感器模块、三轴磁阻传感器模块、存储模块、实时时钟模块、温度模块、供电模块、RS-232通讯模块以及CPU最小系统，其中三轴重力加速度传感器模块用于测量地球重力加速度矢量在载具三轴的分量；三轴磁阻传感器用于测量地磁场矢量在载具三轴的分量；实时时钟模块用于标定测点时间；存储模块用于存储间隔为12s的测点数据；供电模块用于给整个探管电路系统提供5V和3.3V电源。所述同步仪是包括存储模块、实时时钟模块、显示屏模块、按键模块、USB模块、RS232-通讯模块、以及供电模块和CPU最小系统模块；其中按键模块用于采集钻杆编号和钻孔编号；实时时钟模块永不标定钻杆和钻孔数据采集时间；存储模块用于存储上传的探管数据和同步仪采集数据；USB模块用于通过U盘导出有效点数据到上位机；显示模块用于显示当前钻杆和钻孔数据以及工作状态，以及当司钻完成后还可显示钻孔轨迹。所述上位机软件是收集钻孔有效数据进行分析，包括二维或者三维显示同一坐标系下的多个钻孔轨迹。一种用于上述的矿用离线式随钻测斜系统的随钻测斜方法，所述测斜方法包括探管采数据方法、同步仪采数据方法以及数据的组合提取有效点数据方法，并将有效点绘制钻孔轨迹的方法；其中的探管采数据方法是探管是每隔12s采集一个姿态数据点，点位数据包括实时时间、磁场三轴分量、重力加速度三轴分量以及钻头处环境温度；其中的同步仪采数据方法是每添加一根钻杆采集一个钻杆数据点，该点位数据包括实时时间、钻孔编号以及钻杆编号；其中的数据的组合提取有效点数据方法是司钻完成后按照钻杆数据点的时间±6s来寻找探管数据点，然后融合为有效数据点，再将每个有效点点位数据按空间坐标系旋转理论解算三个姿态角：倾角、方位角和工具面角，最后结合钻杆长度依据平衡正切法绘制出钻孔轨迹，包括二维轨迹和三维轨迹。进一步的随钻测斜方法的技术方案如下。所述测斜方法是基于同一坐标系下的单钻孔或多钻孔测斜，并进行同一坐标系下绘制三维钻孔轨迹。上述本发明所提供的一种矿用离线式随钻测斜系统及其测斜方法，与现有技术相比，其有益效果如下：本系统同步仪安装了显示模块，司钻完成后，即可将探管中的数据读出，然后在计算，并显示出当前钻孔轨迹，消除司钻工人钻孔间隔时间。本系统同步仪安装了USB模块儿，可以使用U盘将同步仪中所存储的有效测点数据拷出，然后上传到上位机并绘制轨迹。本系统同步仪安装一个隐式按钮用于清除同步仪的所有数据，不需要将同步仪拿到地面上用上位机清除数据，方便工人打钻。本系统同步仪安装六个按钮用于采集钻孔、钻杆数据和操作探管数据，分别是“采集”“删除”“新孔”“返回”“读取”“清空”，其中前三个按钮与采集数据有关，后两个按钮与探管数据操作有关。本系统探管采用休眠方式来节能，具体方式是采用带有休眠功能的器件，然后按照工作方式：采集-休眠-采集进行休眠操作，这样可为工人提供更多的打钻时间。本系统有效测点筛选法是一种基于实时时间的测点识别法，其探管每隔12s采集一个姿态数据点，点位数据包括实时时间、磁场三轴分量、重力加速度三轴分量、钻头处环境温度，而同步仪是每加装一根钻杆就采集一个钻杆数据点，该点位数据包括实时时间、钻孔编号、钻杆编号。然后按照钻杆数据点的时间（±6s）来寻找探管数据点，然后组合为有效数据点如图11所示。本系统同步仪得到有效数据点后先要把有效数据点校正，然后再用平衡正切法和三次样条插值法按顺序绘制成二维轨迹曲线，即左右偏差曲线和上下偏差曲线。附图说明图1是本发明一实施例系统结构示意图。图2是本发明实施例的探管结构示意图。图3是本发明实施例的同步仪结构示意图。图4是本发明实施例的探管的电路系统框图。图5是本发明实施例的同步仪的电路系统框图。图6是本发明实施例的探管的重力加速度传感器调理电路结构图。图7是本发明实施例的探管的三轴磁阻传感器调理电路结构图。图8是本发明实施例的探管的三轴磁阻传感器HMC1021Z的set/reset电路结构图。图9是本发明实施例的探管的信号处理部分电路结构图。图10是是本发明实施例的同步仪的信号处理部分电路结构图。图11是本发明实施例的数据组合示意图。图中：1—RS-232接口；2—电源开关；3—电源指示灯；4—多芯软导线；5—减震橡胶软管；6—重力加速度电路板；7—铝槽；8—探管主电路板；9—磁阻传感器电路板；10—通讯保护电路；11—供电电池；12—RS-232接口；13—USB接口；14—6个显式操作按钮；15—同步仪控制电路板；16—电池及电池的本案电路模块；17—屏幕；18—供电按钮；19—隐式按钮；20—双轴重力加速度传感器(ADXL203CE)；21—放大器(AD8605)；22—单通道AD转换器(ADS1110)；23—单轴磁阻传感器(HMC1021Z)；24—比例放大器(IN118U)；25—SN74HC14D；26—MOSFET(IFR7389)；27—CPU(恩智浦LPC2194)；28—复位芯片(ADM809)；29—RS-232通讯芯片(MAX232)；30—flash(M25P16)；31—双二极管(BAT54C)；32—实时时钟芯片(恩智浦PCA8565)；33—温度芯片(ADT7301)；34—铁电存储芯片(FM25CL64)；35—USB模块(CH376)；36—USB接口；37—屏幕驱动；38—屏幕接口；39——键盘接口。具体实施方式下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。实施本发明上述所提供的一种矿用离线式随钻测斜系统，包括上位机轨迹绘制软件，同步仪，探管三部分，如图1所示，同步仪和探管的电路采用隔爆兼本安型。探管结构如图2所示，外套由铍铜制作，内置放置电路板8和传感器电路板6和9的铝槽7，铝槽和外套用柔性橡胶管5连接，电路板由8V镍氢电池11供电，通过开关2控制，前段装有铜质RS-2325针圆形航空插头1，用于探管和同步仪或上位机通讯，且受电路板10保护。参考图4、图6、图7、图8和图9，探管负责采集钻头所在位置的姿态数据。探管上电后，给工人2分钟的准备时间，这段时间内工人要将探管装入无磁钻杆，并且安装到钻机上。2分钟后探管开始按照“采集-存储-休眠-唤醒”的工作方式进行采集姿态数据。实时时钟芯片32控制时间间隔，当它输出定时结束信号时，CPU27被从睡眠中唤醒，然后开始操作磁阻传感的SET/RESET电路，以及AD转换芯片22，并读取测量值，然后按照“实时时间-三轴磁阻传感器值-三轴重力加速度值-环境温度”的格式存储到铁电存储芯片34中，具体存储格式如图11，当34存储量达到256个字节时，再将将所有数据导入到flash芯片30中，然后CPU进入休眠状态，等待下一轮唤醒。采集电路如图6和图7所示，其中磁阻传感器使用霍尼韦尔公司的HMC1021Z单轴磁阻传感器和ADI公司的双轴重力加速度传感器ADXL203CE，然后采用信号调理电路将地磁场和重力加速度对应的0~5V的电压信号放大并跟随，最后送到AD转换芯片ADS1110进行数模转换。其中磁阻传感器HMC1021Z测量地磁场时需要进行set/reset操作，根据Honeywell提供的datasheet，经过set/reset操作后，HMC1021Z可完全消除零漂误差，具体set/reset脉冲施加方法可参考datasheet，电路中采用电容和电容之间突然放电来产生set/reset脉冲，通过MOSFET来控制脉冲施加时间，具体set/reset电路如图8所示。同步仪结构如图3所示，外壳由不锈钢制作，电池16内含本案电路，RS-232通讯接口12，用于探管数据导入或者和上位机软件连接，USB接口13用于插入U盘，拷出同步仪内的数据，同步仪控制电路板15安装在屏幕17后面，用塑料螺丝固定，6个按钮14全部采用不锈钢防水平头复位按钮，电源按钮18采用闭锁按钮，整体防护等级IP54。同步仪按照其功能，设计电路框图如图5所示，包括键盘模块、显示模块、通讯模块。其键盘模块包括6个显式按钮14、1个隐式按钮19，6个显式按钮功能分别为采集、删除、新孔、返回、读取、清空，其中前三个按钮用于采集钻杆数据，后三个用于操作探管数据。同步仪还安装两种通讯接口：RS-2325针圆头通讯接口12和USB通讯接口13，前者用于和探管或者上位机直接通讯，后者用于插U盘然后导出数据。另外隐式按钮19用于配合USB接口使用，当数据经过通讯口导出后，19可用来清除同步仪内部数据。同步仪采集钻杆数据时，每增加一根钻杆要按一下14的采集键，采集数据格式为“实时时间-钻孔编号-钻杆编号”如图11所示，在采集键读秒期间钻杆停止钻进，保持静止，每开一次新孔要按一次新孔键，读取和清空用于操作探管，当探管通过RS-232接口连接到同步仪时，按下读取键，同步仪开始读取探管中的数据，按下清空键，同步仪发送清空探管数据的命令，同时发送实时时间校准的命令。显示屏采用7寸带SPI通讯的屏幕，用于显示同步仪当前操作状态和司钻完成后的钻孔轨迹。通讯模块包含RS-232通讯方式和USB通讯方式，其中同步仪和探管的通讯用RS-232方式，同步仪上传数据时可以采用RS-232方式也可采用USB方式(U盘方式)。数据由探管导入到同步仪的存储器，导入的数据包含用于轨迹绘制的校正参数和姿态数据，然后可通过同步仪按照图11所示，进行筛选、组合、得到有效数据点，经过校正，最后可在显示屏上直接绘制出钻孔轨迹。当将钻孔数据上传到上位机时可用RS-232通讯方式，也可通过USB方式用U盘拷出所有数据，然后再通过U盘上传到上位机软件。参考图10，同步仪负责采集钻杆和钻孔数据以及数据组合功能，14通过39连接到CPU，当采集按键按下后，CPU将采集的数据存储到铁电存储器FM25CL64中，14的读取按键按下后，同步仪通过12读取探管数据并经过和FM25CL64的数据组合形成有效点，然后存储到flash芯片M25P16中，同时经过平衡正切法计算将轨迹图显示到同步仪的屏幕17上，17是通过38接收CPU通过SPI通讯方式发出的信息，然后当U盘插入到36接口时，35通过中断CPU，并通知CPU将数据发送到U盘。最后将有效点数据导入到上位机中后，再按照平衡正切法和三次样条插值法绘制成平滑的二维或三维轨迹曲线。另外上位机接受多个钻孔数据后，可基于一个坐标系形成多钻孔的三维绘图，方便技术人员分析。本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形式上做任何变化，凡是具有与本申请相同或相近的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。