CN112253093B - 一种分布式钻孔轨迹快速测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式钻孔轨迹快速测量方法及装置，该装置包括能依次相连的多个推杆、设在每个推杆内的轨迹采集单元以及显示控制单元；该方法将安装有轨迹采集单元的推杆依次连接，并将连接好的推杆一次性送入待测钻孔中并送至预定位置；轨迹采集单元采集绘制钻孔轨迹所需的加速度分量和磁分量信息，根据所采集到的信息解算倾角和方位角并存储；最后将各推杆从钻孔中一次抽出，将各采集单元存储的角度信息结合孔深信息传至显示控制单元，由显示控制单元绘制钻孔轨迹。本发明有效解决了现有回转钻机施工的短距离钻孔的轨迹测量效率低、测量误差大等缺陷和不足的问题，使得测量效率和测量精度得到很好的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻孔轨迹快速测量方法及装置，尤其涉及一种针对煤矿领域的分布式钻孔轨迹快速测量方法及装置。
背景技术
煤矿井下钻进技术作为一种直接的地质勘查技术和手段，已被广泛应用于煤矿地质勘探、瓦斯抽放、水害防治等领域。目前，钻进方式可分为定向钻进和回转钻进，其中回转钻进凭借体积小、施工占用空间小、方便运输及短距离、狭小施工空间等优点在井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽放孔等钻孔施工方面得到了广泛的应用。煤矿井下钻孔施工不仅要效率高，更为重要的是对钻孔轨迹实现精准快速测量，便于检验实际钻孔轨迹是否与理想设计轨迹相符，进而达到预期的目标。但是由于多方面因素的影响，实际钻孔轨迹都普遍存在着与设计轨迹偏离的现象，使得井下施工钻孔成孔率大幅度降低，如果钻进不到预期设想的位置，极大可能给煤矿安全生产带来更大的安全隐患。对施工钻孔轨迹精确快速测量就显得十分必要和紧迫。
钻孔轨迹是一条三维空间曲线，由若干测点所测参数计算得到。所测参数包括孔深、倾角、方位角，并用这三个参数计算求得该测点的三维空间坐标，从而绘制钻孔轨迹。目前，针对已有施工钻孔进行轨迹测量的方法和设备较多，中煤科工集团西安研究院、西安科技大学等企业和高校也开发了相应的测量装备。尽管取得了一定的效果，但是也存在很多缺点和不足，例如西安院测量装备在施工过程中每次连接推杆后都需要等待一段时间来使得传感器数据稳定，严重影响钻孔轨迹测量效率。西安科技大学开发的测井分析仪虽然可以提高轨迹测量效率，但是由于是捕捉推进过程中的瞬态静止点进行单点测量，造成整个测量过程中的有效数据点数偏少，影响了轨迹测量精度，测量效果并不理想。综上所述，目前针对普通回转钻机施工的短距离钻孔的轨迹测量方法和装备，在测量效率和测量精度上难以兼顾，对煤矿生产的效率及安全带来不利影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种分布式钻孔轨迹快速测量方法及装置，具体为一种针对短距离回转钻机施工钻孔(通常孔深小于100米)的分布式快速轨迹测量方法与装备，解决现有轨迹测量装备测量施工效率较低、测量误差大的问题。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种分布式钻孔轨迹快速测量装置，包括能依次相连的多个推杆、设在每个推杆内的轨迹采集单元以及显示控制单元；
所述轨迹采集单元包括：用于测量三个方向加速度的三轴加速度传感器、用于测量地磁分量的三轴磁传感器、用于处理数据和控制电路的FPGA模块、用于存储数据的存储单元、用于同步时间的时钟同步单元、供电单元以及WIFI模块；
所述显示控制单元能与轨迹采集单元WIFI通信，显示控制单元能为轨迹采集单元同步时间、下发参数命令和传输数据并能读取轨迹采集单元的ID号，同时将轨迹采集单元的轨迹数据和ID信息存储并绘制钻孔轨迹。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述轨迹采集单元中，三轴加速度传感器和三轴磁传感器作为传感器采集部分，分别连接至所述FPGA模块；时钟同步单元和存储单元分别与FPGA模块连接以作为数据解算同步部分；所述供电单元为FPGA模块供电；所述WIFI模块用以实现轨迹采集单元与显示控制单元WIFI通信。
具体的，所述推杆为中空结构，在推杆内壁上设有安装槽；所述轨迹采集单元安装在安装槽内。
具体的，所述推杆的外径为28-35mm。
具体的，相邻推杆之间螺纹连接。
具体的，所述显示控制单元为防爆平板电脑，该防爆平板电脑能与轨迹采集单元WIFI通信。
具体的，每个所述轨迹采集单元的ID号与其所在的推杆的ID号相同，推杆的ID号为各个推杆的依次编号。
一种分布式钻孔轨迹快速测量方法，包括以下步骤：
步骤1，将显示控制单元通过WIFI连接推杆内的轨迹采集单元，并由显示控制单元为轨迹采集单元下发系统时间，将显示控制单元和各个轨迹采集单元时间同步；
步骤2，将各推杆按顺序依次进行连接并送至钻孔孔底，在推送过程中，由于轨迹采集单元随着推杆移动，因此三轴加速度传感器能感知到推进加速度，此时FPGA模块控制整个电路进入休眠状态，以节省电量；
步骤3，当推杆全部进入孔底时，推杆处于静止状态，三轴加速度传感器感知到推进加速度为零；此时，FPGA模块启动测量电路通过三轴加速度传感器和三轴磁传感器采集绘制钻孔轨迹所需的加速度分量和磁分量信息，根据所采集到的信息解算倾角和方位角，计算完后存储在存储单元内；
步骤4，测量完成后将推杆从钻孔内抽出，将推杆和显示控制单元进行连接，推杆内轨迹采集单元将推杆的ID号、倾角、方位角信息传至显示控制单元；
步骤5，显示控制单元根据ID号获知孔深信息，并结合对应的倾角和方位角信息，绘制钻孔轨迹。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明解决了现有回转钻机施工的短距离钻孔的轨迹测量方法和装备测量效率低、测量误差大等缺陷和不足的问题，使得测量效率和测量精度得到很好的平衡。
由于采用了分布式多单元采集，本发明可以有效解决单一采集单元出现故障时整机无法工作的情况，极大提升了测量设备的可靠性。
附图说明
图1是本发明的原理示意和连接图；
图2是本发明的轨迹采集单元原理框图；
图3是分布式钻孔轨迹快速测量方法过程流程图；
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
钻孔轨迹是一条三维空间曲线，由若干测点所测参数计算得到，所测参数包括孔深、倾角、方位角，并用这三个参数计算求得该测点的三维空间坐标，从而绘制钻孔轨迹。本发明首先在每节推杆内部安装轨迹采集单元；其次，将安装有轨迹采集单元的推杆依次连接起来，并将连接好的推杆一次性送入待测孔中，直到送到预定或者理想的位置；再次，推杆中的轨迹采集单元采集绘制钻孔轨迹所需的加速度分量和磁分量信息，根据所采集到的信息解算倾角和方位角并存储；最后，将推杆从钻孔中一次抽出，将采集单元和防爆平板电脑通过WIFI连接，将各个采集单元存储的角度信息传至平板电脑，由平板电脑绘制钻孔轨迹。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供一种分布式钻孔轨迹快速测量装置，包括能依次相连的多个推杆、设在每个推杆内的轨迹采集单元以及显示控制单元；轨迹采集单元包括：用于测量三个方向加速度的三轴加速度传感器、用于测量地磁分量的三轴磁传感器、用于处理数据和控制电路的FPGA模块、用于存储数据的存储单元、用于同步时间的时钟同步单元、供电单元以及WIFI模块；显示控制单元能与轨迹采集单元WIFI通信，显示控制单元能为轨迹采集单元同步时间、下发参数命令和传输数据并能读取轨迹采集单元的ID号，同时将轨迹采集单元的轨迹数据和ID信息存储并绘制钻孔轨迹。
轨迹采集单元中，三轴加速度传感器和三轴磁传感器作为传感器采集部分，分别连接至FPGA模块；时钟同步单元和存储单元分别与FPGA模块连接以作为数据解算同步部分；供电单元为FPGA模块供电；WIFI模块用以实现轨迹采集单元与显示控制单元WIFI通信。
推杆为中空结构，在推杆内壁上设有安装槽；轨迹采集单元安装在安装槽内。
推杆的外径为28-35mm。
相邻推杆之间螺纹连接。
显示控制单元为防爆平板电脑，该防爆平板电脑能与轨迹采集单元WIFI通信。
每个轨迹采集单元的ID号与其所在的推杆的ID号相同，推杆的ID号为各个推杆的依次编号。
实施例2：
如图3所示，本实施例给出一种分布式钻孔轨迹快速测量方法，包括以下步骤：
步骤1，将显示控制单元通过WIFI连接推杆内的轨迹采集单元，并由显示控制单元为轨迹采集单元下发系统时间，将显示控制单元和各个轨迹采集单元时间同步；具体的，在本实施例中，显示控制单元为防爆平板电脑；
步骤2，将各推杆按顺序依次进行连接并送至钻孔孔底，在推送过程中，由于轨迹采集单元随着推杆移动，因此三轴加速度传感器能感知到推进加速度，此时FPGA模块控制整个电路进入休眠状态，以节省电量；具体的，本发明主要针对短距离回转钻机施工钻孔，该钻孔孔深通常小于100米；
步骤3，当推杆全部进入孔底时，推杆处于静止状态，三轴加速度传感器感知到推进加速度为零；此时，FPGA模块启动测量电路开始采集加速度信息和磁传感器信息并计算倾角和方位角，计算完后存储在存储单元内；
步骤4，测量完成后将推杆从钻孔内抽出，将推杆和显示控制单元进行连接，推杆内轨迹采集单元将推杆的ID号、倾角、方位角信息传至显示控制单元；
步骤5，显示控制单元根据ID号获知孔深信息，并结合对应的倾角和方位角信息，绘制钻孔轨迹。
效果验证：
(一)通过本发明上述实施例1和实施例2的装置和方法进行具体的钻孔轨迹测量，具体包括以下步骤：
步骤1，将防爆平板电脑通过WIFI连接全部推杆内的轨迹采集单元，并将两者之间的时间进行同步；
步骤2，将各推杆按顺序依次进行连接并送至钻孔孔底，推送过程中，采集单元休眠；
步骤3，当推杆全部进入孔底时，推杆处于静止状态，采集单元开始工作，并计算倾角和方位角，计算完后存储在存储单元内；
步骤4，测量完成后将推杆从钻孔内抽出，将各个采集单元和防爆平板通过wifi进行连接，采集单元将其ID号、倾角、方位角信息传至防爆平板；
步骤5，防爆平板根据ID号获知孔深信息，并结合对应的倾角和方位角信息，绘制钻孔轨迹。
本发明上述方法得到的结果为：采用本发明的装置和方法测量孔深为100米的钻孔轨迹，测量时间为10分钟；由于每根推杆中都安装了1个采集单元，共有100组采集数据，因此绘制出的钻孔轨迹曲线光滑，测量精度较高。
(二)采用现有方法进行钻孔轨迹测量：
目前采用西安院测量装备测量测量孔深为100米的钻孔轨迹，为了保证与本发明方法精度相同，需要采集100组数据，测量时间至少需要60分钟；西安科技大学开发的测井分析仪测量孔深为100米的钻孔轨迹时，虽然测量时间与本发明方法和装置相差不多，但是其有效数据不足本发明方法和装置的一半。
经上述效果验证对比可得，本发明方法比对比例的方法测量精度高且测量效率高；本发明方法有效解决了现有回转钻机施工的短距离钻孔的轨迹测量方法和装备测量效率低、测量误差大等缺陷和不足的问题，使得测量效率和测量精度得到很好的平衡。
Claims (5)
1.一种分布式钻孔轨迹快速测量方法，其特征在于，该方法采用分布式钻孔轨迹快速测量装置进行测量；
分布式钻孔轨迹快速测量装置包括能依次相连的多个推杆、设在每个推杆内的轨迹采集单元以及显示控制单元；所述推杆的外径为28-35mm；
所述轨迹采集单元包括：用于测量三个方向加速度的三轴加速度传感器、用于测量地磁分量的三轴磁传感器、用于处理数据和控制电路的FPGA模块、用于存储数据的存储单元、用于同步时间的时钟同步单元、供电单元以及WIFI模块；
所述显示控制单元能与轨迹采集单元WIFI通信，显示控制单元能为轨迹采集单元同步时间、下发参数命令和传输数据并能读取轨迹采集单元的ID号，同时将轨迹采集单元的轨迹数据和ID信息存储并绘制钻孔轨迹；
所述轨迹采集单元中，三轴加速度传感器和三轴磁传感器作为传感器采集部分，分别连接至所述FPGA模块；时钟同步单元和存储单元分别与FPGA模块连接以作为数据解算同步部分；所述供电单元为FPGA模块供电；所述WIFI模块用以实现轨迹采集单元与显示控制单元WIFI通信；
该测量方法包括以下步骤：
步骤1，将显示控制单元通过WIFI连接推杆内的轨迹采集单元，并由显示控制单元为轨迹采集单元下发系统时间，将显示控制单元和各个轨迹采集单元时间同步；
步骤2，将各推杆按顺序依次进行连接并送至钻孔孔底，在推送过程中，由于轨迹采集单元随着推杆移动，因此三轴加速度传感器能感知到推进加速度，此时FPGA模块控制整个电路进入休眠状态，以节省电量；
步骤3，当推杆全部进入孔底时，推杆处于静止状态，三轴加速度传感器感知到推进加速度为零；此时，FPGA模块启动测量电路通过三轴加速度传感器和三轴磁传感器采集绘制钻孔轨迹所需的加速度分量和磁分量信息，根据所采集到的信息解算倾角和方位角，计算完后存储在存储单元内；
步骤4，测量完成后将推杆从钻孔内抽出，将推杆和显示控制单元进行连接，推杆内轨迹采集单元将推杆的ID号、倾角、方位角信息传至显示控制单元；
步骤5，显示控制单元根据ID号获知孔深信息，并结合对应的倾角和方位角信息，绘制钻孔轨迹。
2.如权利要求1所述的分布式钻孔轨迹快速测量方法，其特征在于，所述推杆为中空结构，在推杆内壁上设有安装槽；所述轨迹采集单元安装在安装槽内。
3.如权利要求1所述的分布式钻孔轨迹快速测量方法，其特征在于，相邻推杆之间螺纹连接。
4.如权利要求1所述的分布式钻孔轨迹快速测量方法，其特征在于，所述显示控制单元为防爆平板电脑，该防爆平板电脑能与轨迹采集单元WIFI通信。
5.如权利要求1所述的分布式钻孔轨迹快速测量方法，其特征在于，每个所述轨迹采集单元的ID号与其所在的推杆的ID号相同，推杆的ID号为各个推杆的依次编号。
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| GR01 | Patent grant | ||
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