孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔深度獲取算法研究

黃江HUANG Jiang；劉素蘭LIU Su-lan

（張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，張家口 075000）

（Zhangjiakou CGE Prospecting Engineering Machinery Co.，Ltd.，Zhangjiakou 075000，China）

0 引言

近些年來(lái)，我國(guó)的煤礦事業(yè)得到了飛速的發(fā)展，同時(shí)，井下瓦斯抽放工程也在各個(gè)煤礦企業(yè)得到了十分廣泛的使用，在井下瓦斯抽放工程中，孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是關(guān)鍵技術(shù)，但是，由于孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)無(wú)隨鉆測(cè)量?jī)x，因此，在很多煤礦企業(yè)之中，工作人員依然在使用傳統(tǒng)鉆桿計(jì)算方式來(lái)計(jì)算鉆孔深度，這種原始的算法不僅會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，準(zhǔn)確性也不夠理想，這嚴(yán)重的制約著煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率的提升。因此，必須要采取科學(xué)有效的防范措施，采取合理的方式把握孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的鉆孔深度，這樣不僅能夠有效提升煤礦企業(yè)的工作效率，還可以為績(jī)效考核工作的開(kāi)展提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此，這一問(wèn)題也成為了煤礦企業(yè)亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題，下面就針對(duì)孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔深度的獲取算法進(jìn)行深入的分析與研究。

1 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的工作原理分析

就現(xiàn)階段來(lái)看，煤礦企業(yè)主要基于以下三種形式來(lái)開(kāi)展隨鉆測(cè)量工作：①使用三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合；②使用三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀的組合模式；③使用兩組三軸加速度計(jì)組合模式。

其中，三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合模式是沒(méi)有可動(dòng)部件的，與三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀的組合模式、兩組三軸加速度計(jì)組合模式相比而言，三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合模式可以有著更加理想的抗干擾性以及抗沖擊性能，同時(shí)，三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合模式還有著成本低廉、啟動(dòng)迅速、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及體積小的優(yōu)勢(shì)，因此，三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合模式也成為了載體姿態(tài)測(cè)量首選模式。

三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀的組合模式不會(huì)受到磁干擾因素的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)自主式導(dǎo)航，但是與三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合與兩組三軸加速度計(jì)組合模式相比而言，三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀的組合模式的抗沖擊效果不理想，輸出值也會(huì)在時(shí)間的影響下發(fā)生漂移。

兩組三軸加速度計(jì)組合模式穩(wěn)定性能理想，不會(huì)受到磁干擾因素的影響，也有著良好的抗沖擊性能，但是，在應(yīng)用的過(guò)程中需要參照測(cè)量?jī)x的測(cè)量初始方位角，這樣才能夠提升計(jì)算的準(zhǔn)確性，而采取該種算法時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一種誤差累積效應(yīng)，因此，兩組三軸加速度計(jì)組合模式是不適合應(yīng)用在超過(guò)70°與小于3°井段的測(cè)量工作中，綜合三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合、三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀的組合模式、兩組三軸加速度計(jì)組合模式的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，可以使用綜合三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合來(lái)進(jìn)行測(cè)量，采取該種算法得出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是最高的。

三軸加速度計(jì)與三軸磁感應(yīng)計(jì)設(shè)計(jì)組合是由兩個(gè)部分組成的，即監(jiān)視器與近鉆頭測(cè)量裝置，在這兩種裝置之中，近鉆頭測(cè)量裝置是整個(gè)組合的核心部分，這一測(cè)量裝置是由三軸磁感應(yīng)計(jì)與三軸加速度計(jì)等裝置來(lái)構(gòu)成的，這一裝置可以及時(shí)的檢測(cè)到相關(guān)的信息，并對(duì)信號(hào)處理單元進(jìn)行相應(yīng)的處理，這樣就可以準(zhǔn)確迅速的獲取到鉆孔的方位角、深度、傾斜角與工具面角，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)調(diào)制與載波上，并發(fā)射到監(jiān)視器中，監(jiān)視器在接收到數(shù)據(jù)之后即可進(jìn)行解調(diào)處理，處理完成后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送至司鉆人員，司鉆人員在接收在數(shù)據(jù)后，可以根究具體的方位角、深度、傾斜角與工具面角對(duì)施工策略進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)。

鉆孔軌跡參數(shù)中工具面角、傾斜角以及方位角的獲取，就需要依靠導(dǎo)航學(xué)相關(guān)定理來(lái)進(jìn)行計(jì)算，使用最廣泛的就是歐拉定理，在歐拉定理之中，載體的工具面角、傾斜角以及方位角是能夠通過(guò)地理坐標(biāo)系有限元轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的，根據(jù)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化就可以及時(shí)的獲取到俯仰角、航向角以及橫滾角，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)就是工程的傾角、方位角以及工具面角。傾角、方位角以及工具面角的計(jì)算方法分別如式（1）、（2）、（3）所示。

其中，GX，G1，GZ均為重力加速度在坐標(biāo)系中的投影，G0為重力加速度定制，BX，Br，BZ為地磁場(chǎng)強(qiáng)度的投影值。

2 深度獲取算法分析

在使用以上的方式進(jìn)行計(jì)算之后，只能夠獲取到工程的傾角、方位角以及工具面角，而測(cè)量需要的數(shù)據(jù)是孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔深度的參數(shù)，對(duì)于這一參數(shù)的獲取十分的困難。在傳統(tǒng)計(jì)算模式下，主要使用相位差計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，使用該種計(jì)算方法時(shí)，需要設(shè)置好同步時(shí)鐘源，該種同步時(shí)鐘源的運(yùn)行是有著非常嚴(yán)格的要求的，很容易出現(xiàn)誤差，除此之外，該種計(jì)算模式也不能避免孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的磁干擾、回轉(zhuǎn)以及振動(dòng)問(wèn)題，為了解決以上存在的問(wèn)題，需要使用新型深度獲取方法。

為了獲取到更加精確的孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔深度的參數(shù)，可以利用空間方向加速度進(jìn)行計(jì)算，在儀器坐標(biāo)系之中，鉆桿中軸線與Y 軸是平行的，如果鉆桿鉆進(jìn)加速度產(chǎn)生變化，那么只能夠在儀器坐標(biāo)系Y 軸中體現(xiàn)出來(lái)，那么Y 軸加速度分量、鉆進(jìn)加速度、重力加速度三者在Y 軸分量G×sin（θ）之和就是孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔深度的參數(shù)。

使用以上算法可以有效解決孔口回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鉆機(jī)震動(dòng)、磁干擾以及回轉(zhuǎn)問(wèn)題，在計(jì)算的過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率僅僅是用在鉆機(jī)工作的判斷過(guò)程中，這并不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，這樣即可保障深度算法不會(huì)受到鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)因素的影響。同時(shí)，深度算法僅僅與三軸加速度輸出量相關(guān)，這樣就可以有效避免計(jì)算過(guò)程受到磁干擾，此外，這種算法是通過(guò)鉆機(jī)加速度來(lái)積分的，即使在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生震動(dòng)，也能夠相互抵消，這樣就可以很好的解決震動(dòng)對(duì)于計(jì)算的影響，而該種算法也可以有效提升計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，煤礦中孔口回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在鉆進(jìn)的過(guò)程中會(huì)受到各種因素的影響，每一個(gè)因素都會(huì)影響計(jì)算的精度，本文證實(shí)基于此來(lái)分析一種新型的鉆孔深度獲取算法，這種算法可以有效解決孔口回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鉆機(jī)震動(dòng)、磁干擾以及回轉(zhuǎn)問(wèn)題，有著良好的適應(yīng)性以及可靠性，與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比而言，有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

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