煤礦井下礦用本安型鉆機(jī)開孔定向儀的研制

燕 斌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

為了提高煤礦的安全性，加強(qiáng)煤礦井下瓦斯災(zāi)害和水害的預(yù)防及治理，鉆探工藝是最有效的方法之一，其鉆孔的成孔質(zhì)量決定鉆探工藝的效果及安全性。鉆孔的開孔精度決定鉆孔的成孔質(zhì)量，因此，準(zhǔn)確測量鉆孔開孔姿態(tài)有助于煤礦瓦斯和水害預(yù)防及治理，一定程度上確保開采安全[1-4]。

鉆機(jī)開孔測量參數(shù)主要包括方位角和傾斜角。目前，常采用的平移巷道中線法，需要采用直尺和量角儀等，操作復(fù)雜，測量時間較長，精度較差。2014年，林鐵等研制了基于三軸一體化光纖陀螺的裝備首次應(yīng)用于煤礦井下的鉆機(jī)開孔定位[5]，該裝備測量精度較高，操作方便，滿足煤礦井下的精度需求，但其三軸一體化光纖陀螺成本較高。2018年，燕斌等提出一種基于MEMS陀螺的新型鉆機(jī)開孔定向儀[6-7]，解決了采用三軸光纖陀螺的鉆孔定位成本較高的問題，但其對MEMS陀螺精度要求較高，生產(chǎn)制造難以滿足實(shí)際需求。

針對上述問題，本文提出一種將單軸高精度光纖陀螺和低精度MEMS陀螺相結(jié)合方式的鉆機(jī)開孔定向儀，既滿足高精度需要又滿足低成本需求，為煤礦行業(yè)的定向測量提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)整體方案

針對煤礦井下特殊的應(yīng)用，在保證鉆機(jī)開孔實(shí)際測量精度下，必須兼顧成本、開發(fā)難度等綜合情況，且煤礦井下施工鉆場空間狹小，該儀器必須方便安裝和拆卸，因此儀器結(jié)構(gòu)和尺寸必須小，但同時要滿足電池大小和容量的要求。針對上述施工環(huán)境和實(shí)際需求，對煤礦井下鉆機(jī)開孔定向儀提出了表1的技術(shù)要求。

表1 鉆機(jī)開孔定向儀技術(shù)要求

根據(jù)表1的技術(shù)要求，研制了單軸光纖陀螺和MEMS陀螺相結(jié)合的開孔定向儀，其總體框圖如圖1所示。

鉆探施工時，鉆機(jī)到達(dá)指定的鉆場，根據(jù)設(shè)計的方位角和傾角，操作人員可粗略預(yù)定鉆機(jī)的方位和傾角，然后將開孔定向儀放置在鉆場附近較為水平處，進(jìn)行尋北操作，在單軸光纖陀螺尋北系統(tǒng)中，坐標(biāo)軸O1X1Y1Z1中的3個軸安裝加速度傳感器測量加速度ax1、ay1、az1，安裝一個單軸光纖陀螺測量地球自轉(zhuǎn)角速度分量ωx1，同時系統(tǒng)構(gòu)建轉(zhuǎn)動平臺，轉(zhuǎn)動平臺帶動光纖陀螺的敏感軸指向不同方位采集ωx1，旋轉(zhuǎn)多個位置后，完成光纖陀螺輸出角速度的采集，并利用加速度傳感器獲得傾斜角θ和橫滾角β后，利用尋北算法解算出與地理北向的夾角即方位角γ。

待尋北完成，將儀器放置鉆機(jī)導(dǎo)軌處，此時MEMS陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)連續(xù)測量，坐標(biāo)軸O2X2Y2Z2中分別安裝三軸加速度傳感器測量加速度ax2、ay2、az2和三軸MEMS陀螺測量角速度ωx2、ωy2、ωz2，利用捷聯(lián)慣導(dǎo)解算獲得動態(tài)姿態(tài)角度，實(shí)時顯示當(dāng)前鉆機(jī)姿態(tài)信息，再調(diào)整鉆機(jī)姿態(tài)，直到鉆機(jī)姿態(tài)達(dá)到設(shè)計的角度即完成開孔定向。

2 姿態(tài)解算及濾波處理

本系統(tǒng)姿態(tài)解算主要包含2部分，分別為單軸光纖陀螺尋北解算和MEMS陀螺四元數(shù)互補(bǔ)濾波解算。

2.1 單軸光纖陀螺尋北解算

本系統(tǒng)尋北解算主要采用四位置尋北[8-9]。在初始位置，光纖陀螺輸出為

ωx11=HωiecosLcosγ+N0

(1)

式中：H為光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù);ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度；N0為光纖陀螺漂移；L為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

利用轉(zhuǎn)動平臺帶動單軸光纖陀螺依次在初始位置上旋轉(zhuǎn)90°，其輸出分別為：

ωx12=HωiecosLcos(γ+90°)+N0

(2)

ωx13=HωiecosLcos(γ+180°)+N0

(3)

ωx14=HωiecosLcos(γ+270°)+N0

(4)

化簡整理后可得方位角γ：

(5)

2.2 MEMS陀螺四元數(shù)解算

(6)

姿態(tài)四元數(shù)Q滿足微分方程：

(7)

(8)

2.3 互補(bǔ)濾波解算

圖2中，K1，K2為比例系數(shù)，aerr為加速度計姿態(tài)測量值與上次更新姿態(tài)角的誤差，利用aerr對互補(bǔ)濾波器進(jìn)行修正，修正后的姿態(tài)值加上MEMS陀螺積分值后再進(jìn)行積分，即得到當(dāng)前時刻的更新姿態(tài)角，此姿態(tài)角再反饋到下一時刻互補(bǔ)濾波算法中，以此形成循環(huán)運(yùn)算。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)中單軸光纖陀螺選用F70L-M，其零偏不穩(wěn)定性為0.2(°)/h。三軸MEMS加速度采用ADXL355，其輸出滿量程范圍(FSR)為±2g～±8g。MEMS陀螺采用ADIS16475-3，其零偏不穩(wěn)定性為7(°)/h。電動旋轉(zhuǎn)臺采用PX110-30型，渦輪結(jié)構(gòu)的傳動比為64∶1，配置的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)Y07-28D1-5008，控制器選擇RQSM240微型一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，為了提高測量精度，采用32細(xì)分的方式提高控制精度。

3.1 靜態(tài)性能試驗(yàn)

設(shè)定系統(tǒng)在各靜止?fàn)顟B(tài)下分別進(jìn)行10 min性能試驗(yàn)，測量結(jié)果如表2所示。可以看出，靜態(tài)條件下開孔定向儀的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角在自適應(yīng)互補(bǔ)濾波算法下得到了穩(wěn)定的修正，誤差不隨時間發(fā)散；方位角誤差在互補(bǔ)濾波穩(wěn)定下也得到了靜態(tài)穩(wěn)定，符合預(yù)期的參數(shù)和算法。

表2 靜態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果 (°)

3.2 動態(tài)性能試驗(yàn)

設(shè)定多種模擬運(yùn)動軌跡：軌跡1采用轉(zhuǎn)動角速率5(°)/s，軌跡2采用10(°)/s，軌跡3采用15(°)/s，軌跡4采用20(°)/s，軌跡5采用25(°)/s；每種軌跡均按照如下方式旋轉(zhuǎn)：滾轉(zhuǎn)角正向轉(zhuǎn)動100 s后反向轉(zhuǎn)動100 s歸零，同樣對俯仰角和方位角進(jìn)行相同操作，共計600 s，即10 min；記錄結(jié)果如表3所示。可以看出，開孔定向儀的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角誤差穩(wěn)定，不隨動態(tài)大小發(fā)散；方位角誤差伴隨著轉(zhuǎn)動角速率的增大，誤差積累越快，但整體均符合預(yù)期精度指標(biāo)。

表3 不同動態(tài)下精度對比試驗(yàn)結(jié)果

3.3 系統(tǒng)綜合試驗(yàn)

系統(tǒng)上電開始尋北(3 min)，尋北結(jié)束后，方位以10(°)/s順時針每轉(zhuǎn)過90°并靜止3 min，連續(xù)轉(zhuǎn)動4次回初始位置；繼續(xù)以同樣速率順時針每轉(zhuǎn)過60°并靜止3 min，連續(xù)轉(zhuǎn)動6次回初始位置；再以20(°)/s重復(fù)上述試驗(yàn)，測試曲線如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，試驗(yàn)結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，連續(xù)跟蹤過程中方位角誤差隨著動態(tài)具有一定的積累效應(yīng)，在整體模擬過程中，跟蹤誤差最大為0.34°，符合預(yù)期精度。

表4 連續(xù)跟蹤試驗(yàn)結(jié)果 (°)

4 結(jié)論

(1)將原有采用三軸光纖陀螺改為單軸光纖陀螺和三軸高精度MEMS陀螺相結(jié)合的方式，極大降低裝置的成本。

(2)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)測量精度滿足實(shí)際使用要求。

(3)將慣性測量技術(shù)在煤炭行業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用，為行業(yè)定位定向的測量提供了一種新思路。