CN203729978U - 一种矿用随钻轨迹测量探管控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用随钻轨迹测量探管控制系统，包括电源管理模块、中央控制器、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、存储器以及数据通讯接口模块，其中：电源管理模块为各模块供电；中央控制器通过外设总线与三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、以及存储器连接，中央控制器与数据通讯接口模块连接；本实用新型具有集成度高、小巧轻便，测量精度高，稳定性好，性能优良，在同类产品中处于领先地位，可通过检测煤矿井下瓦斯抽放钻孔中的测点信息，确定钻孔的轨迹。

Description

一种矿用随钻轨迹测量探管控制系统

技术领域

本实用新型是一种用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔设备，更具体的说是一种矿用随钻轨迹测量探管控制系统。

背景技术

通常意义的随钻轨测量仪通过钻机将探管推进已成型的钻孔里以实现轨迹的测量，造成人力、物力等资源的二次浪费。对于瓦斯抽放的钻孔增加了抽采时间，从而降低了安全系数。

其次探头多为铜质材质，硬度、扭力等技术参数都达不到普通钻杆的要求，探管只能靠推力向前移动。因无法实现旋转等操作，探管在控制采样时无法区分更换钻杆停顿和意外原因停顿，更无法实现多功能的控制功能。同时当遇到钻孔塌方时，无法通过正向旋转、逆向旋转等有效手段推进或退出探管。

实用新型内容

为了解决背景技术所存在的问题，本实用新型采用以下技术方案：一种矿用随钻轨迹测量探管及其控制系统，探管上设有密封腔，密封腔内设有电池盒和主电路板，电池盒内设有电池，所述探管内部为相通，探管的一端设有外螺纹，且探管另一端设有内螺纹，所述密封腔边沿设有硅胶垫，密封腔旁还设有板槽，板槽内设USB板；

所述控制系统包括电源管理模块、中央控制器、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、存储器以及数据通讯接口模块，其中：电源管理模块为各模块供电；中央控制器通过外设总线与三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器以及存储器连接；中央控制器与数据通讯接口模块连接；数据通讯接口模块与随钻轨迹测量仪主机连接，实现矿用随钻轨迹测量探管和随钻轨迹测量仪主机之间的数据通讯；

三轴加速度传感器用于检测探管当前的倾斜角和翻转角姿态；中央控制器采集该姿态信息；

三轴磁阻传感器用于检测探管当前的方位数据信息；中央控制器采集该方位数据。中央控制器根据获取的倾斜角和翻转角信息对方位数据进行三轴修正以获取当前探管正确的方位角信息；

三轴角速度传感器用于检测探管角速度信息；中央控制器采集该角速度信息并用以判断探管当前旋转状态；

当探管单次顺时钟旋转周期超过30秒时，中央控制器开始以10Hz的频率采集探管运动周期内100点的姿态信息，探管停止旋转超过5秒后，完成一次周期的数据采集并保存到存储器内；在采集过程中当探管停止旋转超过15秒后，中央控制器开始采集下一段周期的姿态信息，并对当前姿态信息作均值滤波处理作为运动周期的姿态信息；若探管停止旋转未超过15秒，中央控制器放弃记录探管运动周期的姿态信息；如果探管逆时钟旋转时，中央控制器中央控制机不做任何处理，中央控制器在探管停止超过15秒后待收集下一段周期的姿态信息，以此循环采集过程；

存储器用以保存钻孔的点姿态信息和采样时刻，最大可保存6000个钻孔点的姿态信息和采样时刻。

所述的电源管理模块可提供三路电源VDD、V3V和+3V分别为中央控制器、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、存储器以及数据通讯接口进行单独供电，其中V3V和+3V通过中央控制器实现可控输出，中央控制器根据当前是否处于启动状态以及当前电池电压智能控制V3V和+3V是否输出以实现电源的功耗管理。

所述外设总线为I2C总线，所述数据通讯接口模块通过串行通讯接口与中央控制器连接，所述数据通讯接口模块通过RS485接口与随钻轨迹测量仪主机连接。

所述存储器的存储空间为512K，所述存储器保存钻孔的采样时刻为相对时刻，即相对于探管启动时同步点的时刻。

所述姿态信息为探管的倾斜角、翻转角和方位角，所述的旋转状态为顺时钟旋转、逆时钟旋转或停止旋转。

所述的内螺纹和／或外螺纹均与连接探管的钻头相配合。

所述的板槽上还设有与之配合的堵头。

所述探管的材质为铍铜。

所述的姿态信息为三轴加速度传感器检测探管当前的倾斜角和翻滚角；

三轴磁阻传感器检测探管当前的方位数据；

三轴角速度传感器检测探管角速度及探管当前旋转状态。

本实用新型工作原理如下：一种矿用随钻轨迹测量探管及其控制系统，主机启动后，探管随钻进行测量，为了避免钻杆正常推进故障或更换钻杆晃动等原因引起测量误差，探管记录某点信息后，在满足正向旋转累计超过30秒、其中一次正向连续旋转超过5秒后，停止旋转超过15秒后方可再次记录下一点信息，在采集过程中探管停止旋转超过5秒后，开始采样当前探管的姿态信息，频率为10Hz，在停止旋转超过15秒后，对之前采集的探管姿态信息进行均值滤波以得到该点的姿态信息。

探管启动并随钻进入钻孔后，无法人为干预探管记录点数据信息，记录的点姿态信息可能超过实际的点姿态信息。为在记录的众多点姿态信息中快速、准确的找到有用的点姿态信息，在用手持机启动探管时，手持机通过同步指令与探管进行时间同步。探管在姿态信息后添加采样点时间信息，手持机通过人工操作记录打钻过程中的更换钻杆的时间信息，当用手持机读取某钻孔轨迹信息时，手持机将采样点时间信息下发至探管，探管通过下发的时间信息，在众多的点姿态信息中提取有效点，并按顺序组织后发送给手持机，手持机通过上报的点姿态信息绘制该钻孔的轨迹信息。

探管采用铍铜材质在保证了探管硬度的前提下避免材质本身对磁敏原件的磁干扰；为减少探管在工作过程中因与岩壁或煤层摩擦发热而对电子设备工作稳定性的干扰，电子设备通过密封隔热处理后嵌入探管内部，以增加与探管表层的距离，并充分利用钻机的工作方式，使电子设备的隔热表层可与钻管内部流动的水流或气流充分接触，以达到有效散热的目的，对内嵌模块侧面的管壁进行椭圆式扩充，以减少水压或气压的压损，探管采用随钻式采集点姿态信息更为省时便捷，同时该装置是通过现场长期的实验和探讨得出的一套切实可行的系统方式，可以有效的提高姿态信息的精度和设备的适用性。

综上所述，本实用新型优点如下：随钻式探管设计可避免传统的二次推进测量，以减少人力、物力等有限资源的浪费；更重要的是推进了抽采的速度，从而间接的提高了安全生产的系数，探管两端的螺纹结构使得探管可以直接和钻头连接，且可以根据实际钻探的深度来不断增加钻杆的数量，从而达到最佳的检查效果，使得检测的数据更加精确、稳定，探管的硅胶垫和密封结构的处理使得防水、防尘效果更好，使其性能更好。

附图说明

图1是图1为电路框图；

图2为中央控制器电路；

图3为三轴加速度传感器电路图；

图4为三轴磁阻传感器电路图；

图5为三轴角速度传感器电路图；

图6为存储器电路图；

图7为数据通讯接口电路图；

图8为电源管理电路图；

图9为探管结构示意图。

其中，1、三轴加速度传感器；2、三轴磁阻传感器；3、三轴角速度传感器；4、中央控制器；5、存储器；6、数据通讯接口；7、电源管理模块；8、随钻轨迹测量仪主机；9、密封腔；10、电池盒；11、电路板；12、外螺纹；13、内螺纹；14、硅胶垫；15、板槽；16、USB板；17、堵头；18、电池。

具体实施方式

参照附图，一种矿用随钻轨迹测量探管及其控制系统，探管上设有密封腔，密封腔内设有电池盒和主电路板，电池盒内设有电池，所述探管内部为相通，探管的一端设有外螺纹，且探管另一端设有内螺纹，所述密封腔边沿设有硅胶垫，密封腔旁还设有板槽，板槽内设USB板；

所述控制系统包括电源管理模块、中央控制器、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、存储器以及数据通讯接口模块，其中：电源管理模块为各模块供电；中央控制器通过外设总线与三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器以及存储器连接；中央控制器与数据通讯接口模块连接；数据通讯接口模块与随钻轨迹测量仪主机连接，实现矿用随钻轨迹测量探管和随钻轨迹测量仪主机之间的数据通讯；

三轴加速度传感器用于检测探管当前的倾斜角和翻滚角姿态；中央控制器采集该姿态信息；

三轴磁阻传感器用于检测探管当前的方位数据信息；中央控制器采集该方位数据。中央控制器根据获取的倾斜角和翻转角姿态信息对方位数据进行三轴修正以获取当前探管正确的方位角信息；

三轴角速度传感器用于检测探管角速度信息；中央控制器采集该角速度信息并用以判断探管当前旋转状态；

当探管单次顺时钟旋转周期超过30秒时，中央控制器开始以10Hz的频率采集探管运动周期内100点的姿态信息，探管停止旋转超过5秒后，完成一次周期的数据采集并保存到存储器内；在采集过程中当探管停止旋转超过15秒后，中央控制器开始采集下一段周期的姿态信息，并对当前姿态信息作均值滤波处理作为运动周期的姿态信息；若探管停止旋转未超过15秒，中央控制器放弃记录探管运动周期的姿态信息；如果探管逆时钟旋转时，中央控制器中央控制机不做任何处理，中央控制器在探管停止超过15秒后待收集下一段周期的姿态信息，以此循环采集过程；

存储器用以保存钻孔的点姿态信息和采样时刻，最大可保存6000个钻孔点的姿态信息和采样时刻。

所述的电源管理模块可提供三路电源VDD、V3V和+3V分别为中央控制器、三轴加速度传感器、三轴磁阻传感器、三轴角速度传感器、存储器以及数据通讯接口进行单独供电，其中V3V和+3V通过中央控制器实现可控输出，中央控制器根据当前是否处于启动状态以及当前电池电压智能控制V3V和+3V是否输出以实现电源的功耗管理。

所述外设总线为I2C总线，所述数据通讯接口模块通过串行通讯接口与中央控制器连接，所述数据通讯接口模块通过RS485接口与随钻轨迹测量仪主机连接。

所述存储器的存储空间为512K，所述存储器保存钻孔的采样时刻为相对时刻，即相对于探管启动时同步点的时刻。

所述姿态信息为探管的倾斜角、翻转角和方位角，所述的旋转状态为顺时钟旋转、逆时钟旋转或停止旋转。

所述的内螺纹和／或外螺纹均与连接探管的钻头相配合。

所述的板槽上还设有与之配合的堵头。

所述探管的材质为铍铜。

所述的姿态信息为三轴加速度传感器检测探管当前的倾斜角和翻滚角；

三轴磁阻传感器检测探管当前的方位数据；

三轴角速度传感器检测探管角速度及探管当前旋转状态。

一种矿用随钻轨迹测量探管及其控制系统，主机启动后，探管随钻进行测量，为了避免钻杆正常推进故障或更换钻杆晃动等原因引起测量误差，探管记录某点信息后，在满足正向旋转累计超过30秒、其中一次正向连续旋转超过5秒后，停止旋转超过15秒后方可再次记录下一点信息，在采集过程中探管停止旋转超过5秒后，开始采样当前探管的姿态信息，频率为10Hz，在停止旋转超过15秒后，对之前采集的探管姿态信息进行均值滤波以得到该点的姿态信息。

探管启动并随钻进入钻孔后，无法人为干预探管记录点数据信息，记录的点姿态信息可能超过实际的点姿态信息。为在记录的众多点姿态信息中快速、准确的找到有用的点姿态信息，在用手持机启动探管时，手持机通过同步指令与探管进行时间同步。探管在姿态信息后添加采样点时间信息，手持机通过人工操作记录打钻过程中的更换钻杆的时间信息，当用手持机读取某钻孔轨迹信息时，手持机将采样点时间信息下发至探管，探管通过下发的时间信息，在众多的点姿态信息中提取有效点，并按顺序组织后发送给手持机，手持机通过上报的点姿态信息绘制该钻孔的轨迹信息。

探管采用铍铜材质在保证了探管硬度的前提下避免材质本身对磁敏原件的磁干扰；为减少探管在工作过程中因与岩壁或煤层摩擦发热而对电子设备工作稳定性的干扰，电子设备通过密封隔热处理后嵌入探管内部，以增加与探管表层的距离，并充分利用钻机的工作方式，使电子设备的隔热表层可与钻管内部流动的水流或气流充分接触，以达到有效散热的目的，对内嵌模块侧面的管壁进行椭圆式扩充，以减少水压或气压的压损，探管采用随钻式采集点姿态信息更为省时便捷，同时该装置是通过现场长期的实验和探讨得出的一套切实可行的系统方式，可以有效的提高姿态信息的精度和设备的适用性。

矿用随钻轨迹测量仪探管利用三轴磁敏元件测量探管方位，并使用三轴加速度计等先进的硬铁和软铁校准算法对在范围内的倾斜角、翻转角进行校准计算，使得在极其恶劣的矿井环境下也能提供载体准确的姿态信息(倾斜角、翻转角和方位角)，两者结合即可准确计算某一测点在空间的位置，探管通过RS485总线与矿用随钻轨迹测量仪主机进行通讯，主机将探管检测的测点信息进行软件处理后通过水平、截面等二维空间图形显示钻孔的轨迹，本仪器集成度高、小巧轻便，测量精度高，稳定性好，性能优良，在同类产品中处于领先地位。可通过检测煤矿井下瓦斯抽放钻孔中的测点信息，确定钻孔的轨迹。

Claims (3)

1.一种矿用随钻轨迹测量探管控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电源管理模块(7)、中央控制器(4)、三轴加速度传感器(1)、三轴磁阻传感器(2)、三轴角速度传感器(3)、存储器(5)以及数据通讯接口模块(6)，其中：电源管理模块(7)为各模块供电；中央控制器通过外设总线与三轴加速度传感器(1)、三轴磁阻传感器(2)、三轴角速度传感器(3)以及存储器(5)连接；中央控制器(4)与数据通讯接口模块(6)连接；数据通讯接口模块(6)与随钻轨迹测量仪主机(8)连接。

2.如权利要求1所述的矿用随钻轨迹测量探管控制系统，其特征在于：所述外设总线为I2C总线，所述数据通讯接口模块(6)通过串行通讯接口与中央控制器(4)连接，所述数据通讯接口模块(6)通过RS485接口与随钻轨迹测量仪主机(8)连接。

3.如权利要求1所述的矿用随钻轨迹测量探管控制系统，其特征在于：所述存储器的存储空间为512K。