孔口回转钻机钻孔深度获取算法研究

黄江HUANG Jiang；刘素兰LIU Su-lan

（张家口中地装备探矿工程机械有限公司，张家口 075000）

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

0 引言

近些年来，我国的煤矿事业得到了飞速的发展，同时，井下瓦斯抽放工程也在各个煤矿企业得到了十分广泛的使用，在井下瓦斯抽放工程中，孔口回转钻机是关键技术，但是，由于孔口回转钻机无随钻测量仪，因此，在很多煤矿企业之中，工作人员依然在使用传统钻杆计算方式来计算钻孔深度，这种原始的算法不仅会耗费大量的时间，准确性也不够理想，这严重的制约着煤矿企业生产效率的提升。因此，必须要采取科学有效的防范措施，采取合理的方式把握孔口回转钻机的钻孔深度，这样不仅能够有效提升煤矿企业的工作效率，还可以为绩效考核工作的开展提供更加准确的数据，因此，这一问题也成为了煤矿企业亟待解决的一个重要问题，下面就针对孔口回转钻机钻孔深度的获取算法进行深入的分析与研究。

1 随钻测量系统的工作原理分析

就现阶段来看，煤矿企业主要基于以下三种形式来开展随钻测量工作：①使用三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合；②使用三轴加速度计与三轴陀螺仪的组合模式；③使用两组三轴加速度计组合模式。

其中，三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合模式是没有可动部件的，与三轴加速度计与三轴陀螺仪的组合模式、两组三轴加速度计组合模式相比而言，三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合模式可以有着更加理想的抗干扰性以及抗冲击性能，同时，三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合模式还有着成本低廉、启动迅速、重量轻、结构简单以及体积小的优势，因此，三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合模式也成为了载体姿态测量首选模式。

三轴加速度计与三轴陀螺仪的组合模式不会受到磁干扰因素的影响，能够实现自主式导航，但是与三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合与两组三轴加速度计组合模式相比而言，三轴加速度计与三轴陀螺仪的组合模式的抗冲击效果不理想，输出值也会在时间的影响下发生漂移。

两组三轴加速度计组合模式稳定性能理想，不会受到磁干扰因素的影响，也有着良好的抗冲击性能，但是，在应用的过程中需要参照测量仪的测量初始方位角，这样才能够提升计算的准确性，而采取该种算法时也会出现一种误差累积效应，因此，两组三轴加速度计组合模式是不适合应用在超过70°与小于3°井段的测量工作中，综合三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合、三轴加速度计与三轴陀螺仪的组合模式、两组三轴加速度计组合模式的优势与缺点，可以使用综合三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合来进行测量，采取该种算法得出的数据准确性是最高的。

三轴加速度计与三轴磁感应计设计组合是由两个部分组成的，即监视器与近钻头测量装置，在这两种装置之中，近钻头测量装置是整个组合的核心部分，这一测量装置是由三轴磁感应计与三轴加速度计等装置来构成的，这一装置可以及时的检测到相关的信息，并对信号处理单元进行相应的处理，这样就可以准确迅速的获取到钻孔的方位角、深度、倾斜角与工具面角，系统可以将数据调制与载波上，并发射到监视器中，监视器在接收到数据之后即可进行解调处理，处理完成后的数据可以通过数据处理中心发送至司钻人员，司钻人员在接收在数据后，可以根究具体的方位角、深度、倾斜角与工具面角对施工策略进行科学合理的调节。

钻孔轨迹参数中工具面角、倾斜角以及方位角的获取，就需要依靠导航学相关定理来进行计算，使用最广泛的就是欧拉定理，在欧拉定理之中，载体的工具面角、倾斜角以及方位角是能够通过地理坐标系有限元转动来实现计算的，根据其转动角度的变化就可以及时的获取到俯仰角、航向角以及横滚角，其对应的数据就是工程的倾角、方位角以及工具面角。倾角、方位角以及工具面角的计算方法分别如式（1）、（2）、（3）所示。

其中，GX，G1，GZ均为重力加速度在坐标系中的投影，G0为重力加速度定制，BX，Br，BZ为地磁场强度的投影值。

2 深度获取算法分析

在使用以上的方式进行计算之后，只能够获取到工程的倾角、方位角以及工具面角，而测量需要的数据是孔口回转钻机钻孔深度的参数，对于这一参数的获取十分的困难。在传统计算模式下，主要使用相位差计算法进行计算，使用该种计算方法时，需要设置好同步时钟源，该种同步时钟源的运行是有着非常严格的要求的，很容易出现误差，除此之外，该种计算模式也不能避免孔口回转钻机的磁干扰、回转以及振动问题，为了解决以上存在的问题，需要使用新型深度获取方法。

为了获取到更加精确的孔口回转钻机钻孔深度的参数，可以利用空间方向加速度进行计算，在仪器坐标系之中，钻杆中轴线与Y 轴是平行的，如果钻杆钻进加速度产生变化，那么只能够在仪器坐标系Y 轴中体现出来，那么Y 轴加速度分量、钻进加速度、重力加速度三者在Y 轴分量G×sin（θ）之和就是孔口回转钻机钻孔深度的参数。

使用以上算法可以有效解决孔口回转转钻机震动、磁干扰以及回转问题，在计算的过程中，转动频率仅仅是用在钻机工作的判断过程中，这并不会对计算结果产生影响，这样即可保障深度算法不会受到钻杆转动因素的影响。同时，深度算法仅仅与三轴加速度输出量相关，这样就可以有效避免计算过程受到磁干扰，此外，这种算法是通过钻机加速度来积分的，即使在钻进过程中发生震动，也能够相互抵消，这样就可以很好的解决震动对于计算的影响，而该种算法也可以有效提升计算的准确性。

3 结语

总而言之，煤矿中孔口回转钻机在钻进的过程中会受到各种因素的影响，每一个因素都会影响计算的精度，本文证实基于此来分析一种新型的钻孔深度获取算法，这种算法可以有效解决孔口回转转钻机震动、磁干扰以及回转问题，有着良好的适应性以及可靠性，与传统的计算方法相比而言，有着显著的优势。

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