孔口回转钻机钻孔轨迹监测算法研究及仿真

摘要

随着煤矿井下瓦斯抽放孔、勘探孔、放水孔等工程的快速发展，如何及时掌握孔口回转钻机钻孔情况，进而确保钻孔工程的安全，提高施工效率和质量，并为司钻工人的绩效考核方便快捷地提供准确可靠的数据，是煤炭行业急需解决的难题。为解决以上难题，本文进行孔口回转钻机钻孔轨迹监测算法研究，为产品的研发提供理论支撑。
　　论文在介绍国内外随钻测量技术发展现状基础上，确定要解决的问题。通过比较目前主要使用的随钻测量模式，选出基于三轴加速度计和三轴磁感应计这种组合模式进行孔口回转钻机钻孔轨迹监测算法研究。论文介绍了钻孔轨迹的空间表示，确定积分法作为钻孔轨迹计算方法。论文从原理的角度论述如何实现轨迹参数（深度、方位角、倾斜角、工具面角）的摄取，并对姿态角（方位角、倾斜角、工具面角）的模型进行完善;提出了钻孔深度获取算法，并对算法增加修正措施，为钻孔轨迹的实时监测迈出关键一步。为了使整体算法可靠性和适应性更好，文中对误差源进行分析，并对磁干扰的消除进行了重点研究，在前人提出的直接校正法消除钻具自身磁干扰的基础上，应用大值消除法和增加陀螺仪法进一步降低外界磁干扰。
　　论文利用MATLAB软件对算法进行仿真论证。先在理想的情况下模拟钻机以任意姿态角直线钻进，在对方位角模型进行曲线补偿后，系统获得预期的理想轨迹，证明算法的准确性;然后模拟存在随机误差和磁干扰的情况下对系统进行仿真，在增加相应的滤波器、深度修正措施和磁干扰消除算法后，系统获得理想的结果，证明整体算法具有良好的可靠性和适应性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文选题目的和意义

1．2 随钻测量技术

1．3 随钻测量技术的发展

1．3．1 国外随钻测量技术的发展

1．3．2 国内随钻测量技术的发展

1．4 煤炭行业钻机及随钻测量技术的发展现状

1．4．1 国外煤矿井下钻机及随钻测量技术发展现状

1．4．2 国内煤矿井下钻机及随钻测量技术发展现状

1．5 论文要解决的问题

1．6 论文结构安排

2 孔口回转钻机钻孔轨迹监测系统

2．1 监测对象--孔口回转钻机

2．2 随钻轨迹监测实现模式

2．3 基于三轴磁感应计和三轴加速度计随钻轨迹监测系统

2．3．1 近钻头监测装置结构

2．3．2 磁感应计

2．3．3 加速度计

2．3．4 MEMS加速度计和MEMS磁感应计

2．3．5 信号传输

2．3．6 系统硬件结构

3 孔口回转钻机钻孔轨迹监测算法研究

3．1 算法概述

3．2 钻孔轨迹的空间表示

3．2．1 轨迹描述基本要素

3．2．2 轨迹的表示方法

3．2．3 轨迹的计算方法

3．3 孔口回转钻机钻孔轨迹监测算法实现原理

3．3．1 坐标系的建立

3．3．2 姿态角模型

3．3．3 钻孔深度求解模型

4 磁干扰的消除研究

4．1 磁干扰

4．2 钻杆固有的磁干扰消除

4．2．1 直接校正法

4．2．2 直接校正法验证

4．3 钻具外部的磁干扰消除

4．3．1 大值消除法

4．3．2 增加陀螺仪法

4．4 本章小结

5 理想情况下的系统仿真

5．1 理想情况下的系统仿真模块

5．1．1 轨迹信号源模块

5．1．2 信号源模块合理性验证

5．1．3 轨迹算法模块

5．2 理想情况下参数仿真

5．2．1 理想情况下系统建模

5．2．2 理想情况下仿真结果

5．2．3 方位角模型补偿

5．2．4 理想情况下钻孔深度仿真

5．2．5 理想情况下钻孔轨迹仿真

5．3 本章小结

6 存在误差源情况下的系统仿真

6．1 传感器误差源

6．2 加入误差模型后的仿真

6．3 降低传感器误差和磁干扰的影响仿真

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

附录