CN106246186A - 一种竖井掘进机导向控制及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种竖井掘进机导向控制及调整方法，包括如下步骤：(1)利用竖井掘进机导向系统中测斜系统中的位移测量系统和姿态测量系统对竖井掘进机钻进方向进行测斜；(2)当位移测量系统测得的竖井掘进机轴线水平位移偏移量大于或等于预定值时，利用位移测量系统测得的竖井掘进机轴线水平位移偏移量以及姿态测量系统测得的竖井掘进机轴线掘进角度偏移量计算出纠偏过程中竖井掘进机各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线；(3)根据步骤(2)中求出的纠偏过程中竖井掘进机各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线利用竖井掘进机导向系统中的纠偏系统对竖井掘进机钻进方向进行位移纠偏和角度纠偏。

Description

一种竖井掘进机导向控制及调整方法

技术领域

本发明涉及井筒施工领域，特别涉及一种竖井掘进机掘进智能导向控制及调整方法。

背景技术

大直径井筒对井筒的偏斜要求比较高，深度为小于300m时的成井偏斜率不得大于150mm，深度为大于300m时的成井，提升井偏斜率不得大于0.4‰，非提升井偏斜率不得大于0.6‰。钻井法施工成井偏斜率根据井型不同，也要求控制在0.5‰～1.0‰以内。在全断面竖井掘进机，由于地质条件、设备操作等因素影响，如岩石的大倾角而产生较大的径向负载，在钻进过程中必然会产生一定的偏斜。为了满足成井偏斜的要求，在钻进的过程中必须对钻进方向进行时时检测并加以纠正。设备的纠偏能力成为衡量机械井筒钻进装备的重要指标。

发明内容

有鉴于此，本发明在于提供一种竖井掘进机导向控制及调整方法，该方法可以在钻进方向产生偏斜后能够快速有效解决钻进方向的偏离，确保竖井掘进机能够时时沿着井筒设计轴线钻进。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种竖井掘机进导向控制及调整方法，包括如下步骤：

(1)利用竖井掘进机导向系统中测斜系统中的位移测量系统和姿态测量系统对竖井掘进机钻进方向进行测斜；

(2)当位移测量系统测得的竖井掘进机轴线水平位移偏移量大于或等于预定值时，利用位移测量系统测得的竖井掘进机轴线水平位移偏移量以及姿态测量系统测得的竖井掘进机轴线掘进角度偏移量计算出纠偏过程中竖井掘进机各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线；

(3)根据步骤(2)中求出的纠偏过程中竖井掘进机各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线利用竖井掘进机导向系统中的纠偏系统对竖井掘进机钻进方向进行位移纠偏和角度纠偏。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，步骤(3)中，对竖井掘进机钻进方向进行的位移纠偏包括如下三个阶段：

(3.1.1)第一阶段：偏斜纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，且减小速率逐段递增，在减小速率最大时进入第二阶段；

(3.1.2)第二阶段：反推纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，但减小速率逐段递减，最终回归预定钻进轴线；

(3.1.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段内将竖井掘进机扶正，沿轴线进行垂直钻进。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，将第一阶段行程数M₁和第二阶段行程数M₂之和设为M，M为正奇数，设定位移偏移量沿横轴正向偏移为正，且设定初始角度偏移量为0，则第一阶段中纠偏m个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_m和未完成纠偏的位移偏移量Δx_m可由下述公式计算得出：

θ_m＝-mα₀ (1)

${\mathrm{\Δx}}_m={\mathrm{\Δx}}_0-H\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\frac{(1+m)m}{2}---\left(2\right)$

式中：H为竖井掘进机单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

Δx₀为纠偏前竖井掘进机钻进轴线的位移偏移量；

则第一阶段结束的条件为m＜M。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，第二阶段中纠偏k个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_k和未完成纠偏的位移偏移量Δx_k可由下述公式计算得出：

θ_k＝α₀(k-M₁) (3)

${\mathrm{\Δx}}_k={\mathrm{\Δx}}_m-H\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\[\frac{(M+3)(M+1)-4k(M-k)}{8}\]---\left(4\right)$

式中：H为竖井掘进机单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

则第二阶段结束的条件为

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，第二阶段结束后，第三阶段需对竖井掘进机进行扶正的角度偏移量θ_f＝α₀。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，步骤(3)中，对竖井掘进机钻进方向进行的角度纠偏包括如下三个阶段：

(3.2.1)第一阶段：偏斜位移控制阶段，本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移仍持续增加，但偏斜位移的增加速率逐阶段递减，最终偏斜位移由增加转为减少，进入第二阶段；

(3.2.2)第二阶段：偏斜位移缩减阶段，包括如下两个子阶段：

(3.2.2.1)前半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移持续减小，且偏斜位移减小速率逐阶段递增，在减小速率最大时进入后半阶段；

(3.2.2.2)后半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相同，偏斜位移持续减小，但偏斜位移减小速率逐阶段递减，最终竖井掘进机钻进方向回归预定钻进轴线；

(3.2.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段中将竖井掘进机扶正，进行垂直钻进，角度偏移纠偏结束。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，设初始位移偏移量为0，将第一阶段单个行程的纠偏角度设为α₁，将第二个阶段的单个行程的纠偏角度设为α₂，且将单行程最大允许偏移角度设为[α]，则第一阶段中纠偏n个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_n和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_n可由下述公式计算得出：

θ_n＝θ-nα₁ (5)

${\mathrm{\Δx}}_n=Hn(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1\frac{n+1}{2})---\left(6\right)$

式中，H为竖井掘进机单次纠偏行程长度；

θ为初始角度偏移量；

则第一阶段结束的条件为|θ_n|＜[α]，将第一阶段的行程数记作N₁，进入第二阶段。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，在第二阶段中，将第二阶段行程数设为N₂，N₂为正奇数，前半阶段的行程数设为a，后半阶段的行程数设为b，则前半阶段中纠偏l个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_l和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_l可由下述公式计算得出：

θ_l＝θ-N₁α₁-lα₂ (7)

${\mathrm{\Δx}}_l=H\[(l+N_1)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(l+\frac{N_1-1}{2})-{\mathrm{\α}}_2\frac{(l+1)l}{2}\]---\left(8\right)$

则前半阶段结束的条件为

后半阶段中纠偏j个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_j和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_j可由下述公式计算得出：

${\mathrm{\θ}}_j=\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1-\frac{N_2+1}{2}{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{j\α}}_2---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δx}}_j=H\[(N_1+\frac{N_2+1}{2}+j)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(j+\frac{N_1+N_2}{2}+1)-{\mathrm{\α}}_2\frac{(N_2+3)(N_2+1)+4j(N_2-j)}{8}\]---\left(10\right)$

则后半阶段结束的条件为

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，第二阶段结束后，第三阶段需对竖井掘进机进行扶正的角度偏移量θ_f'＝-[θ-(N₁+N₂)α₁-α₂]。

上述竖井掘进机导向控制及调整方法，所述位移测量系统包括井筒上部的激光发射器和竖井掘进机上部的光电传感器平板；所述姿态测量系统包括两个高精度角度传感器。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用多行程纠偏方案，可以有效减小锥形钻头破岩产生弯矩对竖井掘进机主机的损伤，降低维护成本，延长设备的使用寿命。

2.本发明能够在进行多行程纠偏时，可以计算出各支撑油缸的准确伸缩量，实现竖井掘进机智能纠偏导向。

附图说明

图1为本发明竖井掘进机导向控制及调整方法的纠偏原理示意图；

图2为支撑油缸与竖井掘进机装配关系；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为支撑油缸运行示意图。

图中：1-支撑油缸；2-竖井掘进机。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。

竖井掘进机2由上到下分别为：支护平台，控制与动力平台，支撑装置，驱动装置以及破岩刀盘。其中，支护平台用于井筒掘进后井壁支护；控制与动力平台安装有控制台、配电柜、控制柜、液压泵站等，并设置有人员监控室；支撑装置装有两层或三层油缸支撑井壁，每层支撑部分装有四个支撑油缸1和支撑靴板，可进行分段支撑，每一个支撑也可单独控制动作。导向控制装置通过支撑油缸1伸缩来调整掘进机掘进方向；掘进机的驱动装置采用机械传动，由4台电机，通过行星减速器，带动二级减速箱里的大齿圈转动，驱动刀盘体公转，刀盘上的滚刀自转滚压破岩，破碎的岩渣由出渣系统提升至地面或由导井掉至下水平面。

而竖井掘进机2的导向系统包括测斜系统和纠偏系统，所述测斜系统包括位移测量系统和姿态测量系统，所述位移测量系统包括井筒上部的激光发射器和竖井掘进机2上部的光电传感器平板，可以从光电传感器平板读取竖井掘进机2轴线与井筒设计轴线的偏斜量；所述姿态测量系统包括两个高精度角度传感器。

本发明竖井掘机机导向控制及调整方法对竖井掘进机2钻进方向进行控制和调整，包括如下步骤：

(1)利用竖井掘进机2导向系统中测斜系统中的位移测量系统和姿态测量系统对竖井掘进机2钻进方向进行测斜；

(2)当位移测量系统测得的竖井掘进机2轴线水平位移偏移量大于或等于预定值时，利用位移测量系统测得的竖井掘进机2轴线水平位移偏移量以及姿态测量系统测得的竖井掘进机2轴线掘进角度偏移量计算出纠偏过程中竖井掘进机2各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线；

(3)根据步骤(2)中求出的纠偏过程中竖井掘进机2各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线利用竖井掘进机2导向系统中的纠偏系统对竖井掘进机2钻进方向进行位移纠偏和角度纠偏。

鉴于竖井掘进机2的任意偏移都可分解为两个部分：位移偏移和角度偏移。进行纠偏时，可对位移和角度分别进行纠偏，再将位移纠偏和角度纠偏相叠加，即可完成总偏移的纠偏过程。

本实施例中，利用本发明竖井掘进机2导向控制及调整方法对竖井掘进机2钻进方向的位移偏移和角度偏移进行纠偏。

1.位移纠偏

位移纠偏可以分三个阶段进行，即在步骤(3)中，对竖井掘进机2钻进方向进行的位移纠偏包括如下三个阶段：

(3.1.1)第一阶段：偏斜纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，且减小速率逐段递增，在减小速率最大时进入第二阶段；

将第一阶段行程数M₁和第二阶段行程数M₂之和设为M，M为正奇数，设定位移偏移量沿横轴正向偏移为正，且设定初始角度偏移量为0，则第一阶段中纠偏m个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_m和未完成纠偏的位移偏移量Δx_m可由下述公式计算得出：

θ_m＝-mα₀ (1)

${\mathrm{\Δx}}_m={\mathrm{\Δx}}_0-H\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\frac{(1+m)m}{2}---\left(2\right)$

式中：H为竖井掘进机2单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

Δx₀为纠偏前竖井掘进机2钻进轴线的位移偏移量；

则第一阶段结束的条件为m＜M，即当竖井掘进机2在位移纠偏的第一阶段中钻进了个行程时本阶段的位移纠偏完成，即可进入位移纠偏的第二阶段。

(3.1.2)第二阶段：反推纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，但减小速率逐段递减，最终回归预定钻进轴线；

第二阶段中纠偏k个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_k和未完成纠偏的位移偏移量Δx_k可由下述公式计算得出：

θ_k＝α₀(k-M₁) (3)

${\mathrm{\Δx}}_k={\mathrm{\Δx}}_m-H\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\[\frac{(M+3)(M+1)-4k(M-k)}{8}\]---\left(4\right)$

式中：H为竖井掘进机2单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

则第二阶段结束的条件为即本阶段中竖井掘进机2钻进个行程时本阶段的位移纠偏完成，即可进入位移纠偏的第三阶段。

(3.1.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段内将竖井掘进机2扶正，沿轴线进行垂直钻进，本阶段需对竖井掘进机2进行扶正的角度偏移量θ_f＝α₀。

在对竖井掘进机2钻进方向进行位移纠偏时，各个阶段的角度偏移量的递推式和位移偏移量的递推式可由公式(1)～(4)得出：

第一阶段：

θ_m＝θ_m-1-α₀ (11)

Δx_m＝Δx_m-1+Hθ_m (12)

式中，

第二阶段：

θ_k＝θ_k-1+α₀ (13)

${\mathrm{\Δx}}_k={\mathrm{\Δx}}_{k-1}+{\mathrm{H\α}}_0\frac{2k-M-1}{2}---\left(14\right)$

式中，

第三阶段：θ_f＝α₀。

由于公式(1)～(4)和公式(11)～(14)中，竖井掘进机2单次纠偏行程长度H已知，θ的取值可由高精度角度传感器直接测得，要实现竖井掘进机2钻进方向的位移纠偏，只需获得一个行程的纠偏角度α₀、第一阶段行程数M₁和第二阶段行程数M₂之和M，其中α₀可由单行程最大许用偏移角度[α]进行预估，可得α'₀，然后根据位移纠偏第二阶段的结束条件：当Δx_k＝0可得如下方程：

${\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\[\frac{(M+3)(M+1)-4k(M-k)}{8}\]=0---\left(15\right)$

化简后为：

$M=\frac{2{\mathrm{\Δx}}_0}{{\mathrm{H\α}}_0}-1---\left(16\right)$

将α'₀带入方程(16)可确定M值(需要在计算记过的基础上进位取单数值)，然后将M反代回方程(16)可确定α₀。

在具体操作过程中，工程人员可参考上述方法计算出的M值，在不小于上述数值的前提下(且M须为单数)，自行确定各阶段的行程数，从而根据现场情况，对纠偏的过程进行灵活控制。

2.角度纠偏

同样角度纠偏可以分三个阶段进行，即在步骤(3)中，对竖井掘进机2钻进方向进行的角度纠偏包括如下三个阶段：

(3.2.1)第一阶段：偏斜位移控制阶段，本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移仍持续增加，但偏斜位移的增加速率逐阶段递减，最终偏斜位移由增加转为减少，进入第二阶段；

设初始位移偏移量为0，将第一阶段单个行程的纠偏角度设为α₁，将第二个阶段的单个行程的纠偏角度设为α₂，且将单行程最大允许偏移角度设为[α]，则第一阶段中纠偏n个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_n和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_n可由下述公式计算得出：

θ_n＝θ-nα₁ (5)

${\mathrm{\Δx}}_n=Hn(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1\frac{n+1}{2})---\left(6\right)$

式中，H为竖井掘进机2单次纠偏行程长度；

θ为初始角度偏移量；

则第一阶段结束的条件为|θ_n|＜[α]，将第一阶段的行程数记作N₁，即竖井掘进机2在角度纠偏的第一阶段钻进N₁个行程时即可进入角度纠偏的第二阶段。

(3.2.2)第二阶段：偏斜位移缩减阶段，包括如下两个子阶段：

(3.2.2.1)前半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移持续减小，且偏斜位移减小速率逐阶段递增，在减小速率最大时进入后半阶段；

在第二阶段中，将第二阶段行程数设为N₂，N₂为正奇数，前半阶段的行程数设为a，后半阶段的行程数设为b，则前半阶段中纠偏l个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_l和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_l可由下述公式计算得出：

θ_l＝θ-N₁α₁-lα₂ (7)

${\mathrm{\Δx}}_l=H\[(l+N_1)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(l+\frac{N_1-1}{2})-{\mathrm{\α}}_2\frac{(l+1)l}{2}\]---\left(8\right)$

则前半阶段结束的条件为

(3.2.2.2)后半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相同，偏斜位移持续减小，但偏斜位移减小速率逐阶段递减，最终竖井掘进机2钻进方向回归预定钻进轴线；

后半阶段中纠偏j个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_j和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_j可由下述公式计算得出：

${\mathrm{\θ}}_j=\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1-\frac{N_2+1}{2}{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{j\α}}_2---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δx}}_j=H\[(N_1+\frac{N_2+1}{2}+j)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(j+\frac{N_1+N_2}{2}+1)-{\mathrm{\α}}_2\frac{(N_2+3)(N_2+1)+4j(N_2-j)}{8}\]---\left(10\right)$

则后半阶段结束的条件为即后半阶段中竖井掘进机2钻进个行程后，对竖井掘进机2的钻进方向的角度纠偏的第二阶段结束，进入角度纠偏的第三阶段。

(3.2.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段中将竖井掘进机2扶正，需对竖井掘进机2进行扶正的角度偏移量θ_f'＝-[θ-(N₁+N₂)α₁-α₂]，然后竖井掘进机2进行垂直钻进，角度偏移纠偏结束。

对竖井掘进机2钻进方向进行角度纠偏时，各个阶段的角度偏移量的递推式和位移偏移量的递推式可由公式(5)～(10)得出：

第一阶段：

θ_n＝θ_n-1-α₁ (17)

Δx_n＝Δx_n-1+Hθ_n (18)

式中，1≤n≤N₁；

第二阶段：前半阶段：

θ_l＝θ_l-1-α₂ (19)

Δx_l＝Δx_l-1+Hθ_l (20)

式中，

后半阶段：

θ_j＝θ_j-1+α₂ (21)

Δx_j＝Δx_j-1+H·θ_j (22)

式中，

第三阶段：θ_f'＝-[θ-(N₁+N₂)α₁-α₂] (23)

由于公式(5)～(10)和公式(17)～(23)中，竖井掘进机2单次纠偏行程长度H已知，θ的取值可由高精度角度传感器直接测得，要实现竖井掘进机2钻进方向的角度纠偏，只需获得第一阶段的一个行程的纠偏角度α₁、第二阶段的一个行程的纠偏角度α₂、第一阶段行程数N1和第二阶段行程数N2，其中α₁和α₂可由单行程最大许用偏移角度[α]进行预估，可得α'₁和α'₂，然后将α'₁代入第一阶段的结束条件θ-N₁·α₁|＜|α|可确定第一阶段行程数N₁，然后将N₁代回|θ-N₁·α₁|＜|α|上式即可确定第一阶段单进程纠偏角度α₁，其中，取满足|θ-N₁·α₁|＜|α|条件下的绝对值最大数值；再根据第二阶段的结束条件：当时，Δx_j＝0，可得方程：

${\mathrm{\Δx}}_j=H\[(N_1+\frac{N_2+1}{2}+j)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(j+\frac{N_1+N_2}{2}+1)-{\mathrm{\α}}_2\frac{(N_2+3)(N_2+1)+4j(N_2-j)}{8}\]=0---\left(23\right)$

化简后为：

$N_2^2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{4}+N_2(N_1{\mathrm{\α}}_1+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{2}-\mathrm{\θ})+N_1(\frac{1+N_1}{2}{\mathrm{\α}}_1-\mathrm{\θ})+\frac{{\mathrm{\α}}_2}{4}=0---\left(24\right)$

将N₁、α₁和α'₂代入，可确定N₂值(需在计算结果的基础上进位取单数值)，将N₂代回方程(24)可确定α₂。

在具体操作过程中，工程人员可参考上述方法计算出的N₁和N₂，在不小于上述数值的前提下(且N₂须为单数)，自行确定各阶段的行程数，从而根据现场情况，对纠偏的过程进行灵活控制。

由于本发明竖井掘进机2导向控制及调整方法是在竖井掘进机2轴线水平位移偏移量大于或等于预定值时对竖井掘进机2钻进方向进行分阶段逐行程的位移纠偏和角度纠偏，而且根据公式(1)～(10)可知，本发明竖井掘进机2导向控制及调整方法是采用线性纠偏，故纠偏曲线为线段连接的形式，基于公式(1)～(14)和公式(16)～(22)的计算可得竖井掘进机2每一个行程的运行角度及始、末端位移，故各个行程的直线方程为然后将各个线段收尾相连即得纠偏曲线，如图1所示。

根据在角度纠偏中确定的纠偏角度，并确定纠偏角度与支撑油缸1伸长量之间的关系，通过控制支撑油缸1的伸长量来对竖井掘进机2的姿态进行控制。如图2和图3所示，竖井掘进机2上的八个支撑油缸1形成两个相互垂直的平面，两个平面各自均分布有上、下方各两个(共四个)支撑油缸1。本实施例中，将竖井掘进机2机身长度设为L。以纵向剖面建立直角坐标系，如图4所示，设处在第一、二、三、四象限的支撑油缸1伸长量分别为定义为x₁、x₂、x₃、x₄，则竖井掘进机2纠偏时需绕纵轴顺时针转动α角度时(即竖井掘进机2发生正的角度或位移偏移量时)，如表1所示,四个支撑油缸1的伸长量分别为：

表1处在第一、二、三、四象限的支撑油缸1的伸长量

当竖井掘进机2纠偏时需绕纵轴逆时针转动α角度时，各支撑油缸1伸长量分别反号即可。

根据表1中各支撑油缸1伸长量与竖井掘进机2机身长度L及纠偏角度α之间的关系，即可通过支撑油缸1的伸缩实现竖井掘进机2纠偏角度的控制。

本发明中利用姿态传感器使竖井掘进机2时刻保持竖直向下掘进，当位移测量系统测量出竖井掘进机2轴线偏离井筒设计轴线一定位移量后，就启动纠偏导向系统，通过多层支撑油缸1的伸缩量不同使掘进机偏斜，下方钻头指向井筒设计中心轴线，在经过几个步距的纠偏后掘进机轴线重新与井筒设计轴线重合。而且在这几个步距掘进过程中，掘进机轴线与井筒设计轴线夹角逐渐变小，最后重合。

本实施例中，8个支撑油缸1中每4个为一组分装于支撑装置的上下二个水平层上，每层的四个支撑油缸1沿X、Y轴成对反向安装。且8个支撑油缸1中每个支撑油缸1由一组电液比例换向阀控制支撑靴板的伸缩，并通过磁致伸缩位移传感器检测每个支撑油缸1的伸缩量。利用电液比例换向阀来控制支撑油缸1，可以根据通过改变电流或电压信号的大小来调整电液比例换向阀的开口大小从而达到控制支撑油缸1速度快慢的目的，可以快速伸缩提高工作效率，也可以在积满的速度下使支撑油缸1进行伸缩，提高支撑油缸1伸缩量的精度，从而便于满足竖井掘进机2纠偏时对支撑油缸1伸缩量精度的要求。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种竖井掘机进导向控制及调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用竖井掘进机(2)导向系统中测斜系统中的位移测量系统和姿态测量系统对竖井掘进机(2)钻进方向进行测斜；

(2)当位移测量系统测得的竖井掘进机(2)轴线水平位移偏移量大于或等于预定值时，利用位移测量系统测得的竖井掘进机(2)轴线水平位移偏移量以及姿态测量系统测得的竖井掘进机(2)轴线掘进角度偏移量计算出纠偏过程中竖井掘进机(2)各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线；

(3)根据步骤(2)中求出的纠偏过程中竖井掘进机(2)各个油缸的位移和纠偏轨迹曲线利用竖井掘进机(2)导向系统中的纠偏系统对竖井掘进机(2)钻进方向进行位移纠偏和角度纠偏。

2.根据权利要求1所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，步骤(3)中，对竖井掘进机(2)钻进方向进行的位移纠偏包括如下三个阶段：

(3.1.1)第一阶段：偏斜纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，且减小速率逐段递增，在减小速率最大时进入第二阶段；

(3.1.2)第二阶段：反推纠偏阶段，本阶段内偏斜位移持续减小，但减小速率逐段递减，最终回归预定钻进轴线；

(3.1.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段内将竖井掘进机(2)扶正，沿轴线进行垂直钻进。

3.根据权利要求2所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，将第一阶段行程数M₁和第二阶段行程数M₂之和设为M，M为正奇数，设定位移偏移量沿横轴正向偏移为正，且设定初始角度偏移量为0，则第一阶段中纠偏m个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_m和未完成纠偏的位移偏移量Δx_m可由下述公式计算得出：

θ_m＝-mα₀ (1)

${\mathrm{\Δx}}_m={\mathrm{\Δx}}_0-H\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\frac{(1+m)m}{2}---\left(2\right)$

式中：H为竖井掘进机(2)单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

Δx₀为纠偏前竖井掘进机(2)钻进轴线的位移偏移量；

则第一阶段结束的条件为

4.根据权利要求3所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，第二阶段中纠偏k个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_k和未完成纠偏的位移偏移量Δx_k可由下述公式计算得出：

θ_k＝α₀(k-M₁) (3)

${\mathrm{\Δx}}_k={\mathrm{\Δx}}_m-H\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{i\α}}_0={\mathrm{\Δx}}_0-{\mathrm{H\α}}_0\[\frac{(M+3)(M+1)-4k(M-k)}{8}\]---\left(4\right)$

式中：H为竖井掘进机(2)单次纠偏行程长度；

α₀为一个行程的纠偏角度；

则第二阶段结束的条件为

5.根据权利要求4所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，第二阶段结束后，第三阶段需对竖井掘进机(2)进行扶正的角度偏移量θ_f＝α₀。

6.根据权利要求1所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，步骤(3)中，对竖井掘进机(2)钻进方向进行的角度纠偏包括如下三个阶段：

(3.2.1)第一阶段：偏斜位移控制阶段，本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移仍持续增加，但偏斜位移的增加速率逐阶段递减，最终偏斜位移由增加转为减少，进入第二阶段；

(3.2.2)第二阶段：偏斜位移缩减阶段，包括如下两个子阶段：

(3.2.2.1)前半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相反，偏斜位移持续减小，且偏斜位移减小速率逐阶段递增，在减小速率最大时进入后半阶段；

(3.2.2.2)后半阶段：本阶段中纠偏角度与偏斜角度相同，偏斜位移持续减小，但偏斜位移减小速率逐阶段递减，最终竖井掘进机(2)钻进方向回归预定钻进轴线；

(3.2.3)第三阶段：扶正阶段，本阶段中将竖井掘进机(2)扶正，进行垂直钻进，角度偏移纠偏结束。

7.根据权利要求6所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，设初始位移偏移量为0，将第一阶段单个行程的纠偏角度设为α₁，将第二个阶段的单个行程的纠偏角度设为α₂，且将单行程最大允许偏移角度设为[α]，则第一阶段中纠偏n个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_n和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_n可由下述公式计算得出：

θ_n＝θ-nα₁ (5)

${\mathrm{\Δx}}_n=Hn(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\α}}_1\frac{n+1}{2})---\left(6\right)$

式中，H为竖井掘进机(2)单次纠偏行程长度；

θ为初始角度偏移量；

则第一阶段结束的条件为|θ_n|＜[α]，将第一阶段的行程数记作N₁，进入第二阶段。

8.根据权利要求7所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，在第二阶段中，将第二阶段行程数设为N₂，N₂为正奇数，前半阶段的行程数设为a，后半阶段的行程数设为b，则前半阶段中纠偏l个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_l和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_l可由下述公式计算得出：

θ_l＝θ-N₁α₁-lα₂ (7)

${\mathrm{\Δx}}_l=H\[(l+N_1)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(l+\frac{N_1-1}{2})-{\mathrm{\α}}_2\frac{(l+1)l}{2}\]---\left(8\right)$

则前半阶段结束的条件为

后半阶段中纠偏j个行程时可完成纠偏的角度偏移量θ_j和需要进行纠偏的位移偏移量Δx_j可由下述公式计算得出：

${\mathrm{\θ}}_j=\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1-\frac{N_2+1}{2}{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{j\α}}_2---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δx}}_j=H\[(N_1+\frac{N_2+1}{2}+j)\mathrm{\θ}-N_1{\mathrm{\α}}_1(j+\frac{N_1+N_2}{2}+1)-{\mathrm{\α}}_2\frac{(N_2+3)(N_2+1)+4j(N_2-j)}{8}\]---\left(10\right)$

则后半阶段结束的条件为

9.根据权利要求8所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，第二阶段结束后，第三阶段需对竖井掘进机(2)进行扶正的角度偏移量θ_f'＝-[θ-(N₁+N₂)α₁-α₂]。

10.根据权利要求1～9任一所述的竖井掘进机导向控制及调整方法，其特征在于，所述位移测量系统包括井筒上部的激光发射器和竖井掘进机(2)上部的光电传感器平板；所述姿态测量系统包括两个高精度角度传感器。