一种钻机姿态测量仪及钻孔方位调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钻机姿态测量技术领域，尤其是涉及一种钻机姿态测量仪及钻孔方位 调节方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，采煤工艺也随之进步，近年来煤矿井下定向钻孔技术得到 推广应用。实际进行煤矿井下定向钻孔时，钻机定向的方法至关重要，其中钻机定向指确定 钻机的钻进方向，也称钻孔方向或钻孔方位，使得钻机的钻孔方向满足预先设定要求。方位 角又称地平经度（azimuthangle)，是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一，方位角 是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。钻孔方向通过钻 孔方位角（azimuthalangleofhole)进行表示，钻孔方位角是指钻孔轴线的任意一点切 线在水平上的投影，与子午线指北方向顺时针旋转的夹角，称为钻孔该点或该孔深处的钻 孔方位角，它是确定钻孔在地下空间位置的基本参数之一。
[0003]现如今煤矿井下定向钻孔过程中，对钻机进行定向时，所采用的传统定向方法是 拉线定向法，具体是通过设置一条拉线对钻机的钻进方法进行确定。但实际使用时，由于 地层的地质条件复杂以及地质构造与岩层力学性质的不同，再加上钻孔轨迹难以控制，传 统的拉线定向法存在操作复杂、定向过程繁琐、定向准确度难以控制、定向准确度较差等问 题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钻机姿态 测量仪，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能简便、快速对钻机的钻孔方 位进行测量。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钻机姿态测量仪，其特征在 于：包括寻北仪和对寻北仪与待测钻机之间的水平夹角进行测量的方位调节仪；所述方位 调节仪平放于寻北仪的第一外壳上，所述第一外壳呈水平布设且其上部设置有基准平台， 所述基准平台的上表面呈水平布设且其为寻北仪和方位调节仪的基准面；所述方位调节 仪平放于所述基准面上，且方位调节仪位于基准平台的正上方；所述方位调节仪包括第二 外壳和布设在第二外壳内的第二电子线路板，所述第二电子线路板上设置有第二数据处理 器、三轴陀螺仪、第二三轴加速度计以及分别与第二数据处理器相接的第二模数转换电路 和第二供电电源，所述三轴陀螺仪和所述第二三轴加速度计均与第二模数转换电路相接， 所述第二外壳的外侧壁上装有与第二数据处理器相接的第二参数设置单元。
[0006] 上述一种钻机姿态测量仪，其特征是：所述三轴陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述第 二三轴加速度计为第二MEMS加速度计；所述第二外壳的外侧壁上装有与第二数据处理器 相接的第二显示单元。
[0007] 上述一种钻机姿态测量仪，其特征是：所述基准平台呈水平布设且其为圆形平台、 圆环形平台、长方形平台或正多边形平台。
[0008] 上述一种钻机姿态测量仪，其特征是：所述寻北仪包括布设在第一外壳内的第一 电子线路板，所述第一电子线路板上设置有第一数据处理器、动力调谐陀螺仪、第一MEMS 加速度计以及分别与第一数据处理器相接的第一模数转换电路和第一供电电源，所述动力 调谐陀螺仪和第一MEMS加速度计均与第一模数转换电路相接，所述第一外壳的外侧壁上 装有与第一数据处理器相接的第一显示单元，且第一外壳的外侧壁上装有用于输入当地炜 度值的第一参数设置单元，所述第一参数设置单元与第一数据处理器相接。
[0009] 上述一种钻机姿态测量仪，其特征是：所述第二外壳的外侧壁上还装有第二充电 口和第二开关，所述第二充电口和第二开关均与第二供电电源相接；所述第一外壳的外侧 壁上还装有第一充电口和第一开关，所述第一充电口和第一开关均与第一供电电源相接； 所述第一充电口和第二充电口上均设置有防护盖。
[0010] 同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便且使用效果好、能 对钻机进行准确定向的钻机钻孔方位调节方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0011] 步骤一、静止寻北：通过寻北仪测量真方位角，所测得的真方位角为寻北仪的真方 位角；
[0012] 步骤二、钻孔方位调节：采用方位调节仪对寻北仪与待测钻机之间的水平夹角 △ ?进行测量，并根据方位调节仪的测量结果，将所述待测钻机在水平面上进行逆时针或 顺时针旋转，直至A?+O1= ?。；
[0013] 其中，O1为步骤一中所测得寻北仪的真方位角，?C1为预先确定的待测钻机的目 标真方位角。
[0014] 上述方法，其特征是：步骤二中钻孔方位调节过程中，所述寻北仪保持静止不动；
[0015]步骤二中采用方位调节仪对寻北仪与待测钻机之间的水平夹角△ ?进行测量 时，过程如下：
[0016] 步骤201、寻北仪寻北结果设定：通过所述第二参数设置单元输入步骤一中所测 得寻北仪的真方位角O1，所述第二数据处理器接收到O1后进行同步存储；
[0017] 步骤202、方位调节仪移位及数据实时采集：将方位调节仪移至所述待测钻机的 基准线上；所述方位调节仪移位过程中，通过第二模数转换电路对所述三轴陀螺仪和所述 第二三轴加速度计所测量的数据进行实时采集，且所述第二模数转换电路将所采集数据同 步传送至第二数据处理器；
[0018] 步骤203、水平夹角求解：所述第二数据处理器调用定时增量法求解模块，并结合 方位调节仪移位过程中模数转换电路所采集的数据，计算得出方位调节仪从寻北仪移至所 述待测钻机的基准线时的水平转角，所计算得出的水平转角为寻北仪与待测钻机之间的水 平夹角A? ;
[0019] 步骤204、钻机方位调节判断：根据步骤203中计算得出的水平夹角A判断是 否需对所述待测钻机的钻孔方位进行调节：当△ (6 + 4%=OtI时，说明此时所述待测钻机的 钻孔方位为预先确定的目标钻孔方位，完成所述待测钻机的钻孔方位调节过程；否则，进入 步骤205 ;
[0020] 步骤205、方位调节仪回移及钻机旋转：将方位调节仪回移至寻北仪的基准平台 上，同时将所述待测钻机在水平面上进行逆时针或顺时针旋转；
[0021] 步骤206、下一次钻孔方位调节：返回步骤201，按照步骤201至步骤205中所述的 方法，对所述待测钻机的钻孔方位进行下一次调节；
[0022] 步骤207、多次重复步骤206,直至将所述待测钻机的钻孔方位调节为预先确定的 目标钻孔方位。
[0023] 上述方法，其特征是：步骤一中寻北仪的真方位角为寻北仪的基准边与地理真北 方向之间的水平夹角，所述寻北仪与待测钻机之间的水平夹角为寻北仪的基准边与待测钻 机的基准线之间的水平夹角；所述寻北仪的基准边为所述基准面的中心线；
[0024] 所述第二外壳的外侧壁上装有与第二数据处理器相接的第二显示单元；
[0025] 步骤203中水平夹角求解完成后，所述第二数据处理器调用数值计算模块且根据 公式Oc/=A ，计算得出此时所述待测钻机的真方位角Oc/,同时，所述第二数据处 理器将计算得出的真方位角'通过所述第二显示单元进行同步显示；
[0026] 步骤202中对方位调节仪进行移位之前，所述第二显示单元所显示的Oc/=O1; 步骤203中水平夹角求解完成后，所述第二显示单元所显示的C%' =A? +C>1;步骤206 中进行下一次钻孔方位调节之前，所述第二显示单元所显示的=
[0027] 上述方法，其特征是：步骤203中水平夹角求解完成后，所述第二数据处理器调用 数值计算模块且根据公式=A? + ，计算得出此时所述待测钻机的真方位角Oc/ ; 步骤205中将所述待测钻机在水平面上进行逆时针或顺时针旋转时，根据步骤203中所算 得出的(6(/,对所述待测钻机进行旋转：当(6(1'> (6(1时，对所述待测钻机进行逆时针旋转； 当（J)c/ < (!^时，对所述待测钻机进行顺时针旋转。
[0028] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0029] 1、所采用的钻机姿态测量仪结构简单、设计合理且体积小，占用空间小，适合空间 狭小、地质条件复杂的工程技术作业。
[0030] 2、所采用的钻机姿态测量仪使用操作简便、使用效果好，能简便、快速对钻机的钻 孔方位进行测量，从而对钻机进行准确定向。
[0031] 3、钻机钻孔方位测量操作方便、简单且快捷，省去了复杂的拉线操作过程。
[0032] 4、所采用的钻机姿态测量仪使用效果好且性能可靠，主要包括寻北仪和方位调节 仪两部分。寻北仪中采用动力调谐陀螺仪和MEMS加速度计两种传感器，方位调节仪中采用 MEMS陀螺仪和MEMS加速度计两种传感器。实际使用过程中，通过陀螺仪测量两个姿态角和 航向角的动态变化，保证姿态测量的实时性和动态精度；加速度计测量俯仰角和横滚角的 低频变化，并修正陀螺仪误差引起的姿态角的缓慢漂移。
[0033] 5、寻北仪测得的真方位角与由方位调节仪测得的水平转角之和作为待测钻机的 真方位角，计算得出的待测钻机的真方位角精度高。
[0034]6、所采用的钻机