煤矿定向钻机轨迹控制系统的研究

发布时间：2020-04-08 21:22

【摘要】：煤矿定向钻进技术发展于石油钻探领域,其凭借在钻孔深度、轨迹可控性等方面上的优异性能,已被广泛应用于煤矿地质勘探、瓦斯抽放、水害防治等领域。现有的定向钻孔轨迹控制主要是依靠司钻工人的施工经验来完成,这种操作现状不可避免地带来了钻进效率低、实际轨迹与设计轨迹偏离度大等问题。为提高煤矿开采效率,实现钻孔轨迹的智能化控制,有必要开展煤矿水平定向钻机轨迹预测技术与控制技术的研究。定向钻孔的轨迹控制本质上是对设计轨迹的跟踪,其前提是对下一阶段轨迹的精确预测。本文首先以国内外各类钻孔轨迹预测方法的计算原理为基础,探讨了它们相对于煤矿开采领域的适用性问题。实现轨迹预测的前提是要明确钻具组合当前姿态与钻孔轨迹当前位置,因此本文分别在硬、软件的层面上研究了钻具组合姿态参数的计算方法以及钻孔轨迹的描述方法。其次,本文根据已有的钻孔轨迹预测方法中的纵横弯曲梁法与三点定圆法,构建了一种适用于煤矿井下近水平定向钻孔的轨迹预测算法,该预测算法通过已知的姿态角参数、已钻钻孔轨迹参数,计算得到不同施工参数下,下一根钻杆完成钻进后测点未知的三维坐标值。最后,本文基于上述轨迹预测算法,以跟踪偏差最小化为原则,利用求导函数的方法,构建了钻孔轨迹控制算法,该算法以设计轨迹中下一测点的三维坐标值为输入,以下一钻杆的最佳施工参数为输出,钻机以此参数进行施工,即可使实际轨迹最大可能贴近设计轨迹,实现最优轨迹控制。在上述两种算法的验证上,本文首先根据实钻轨迹数据验证了轨迹预测算法的有效性,并通过设计实验完成相关参数的测量,实现了根据传统纵横弯曲梁法进行钻孔轨迹预测,将两者的预测精度进行对比,结果表明本文构建的轨迹预测算法在易于实现的同时,预测精度也稍强于传统纵横弯曲梁法。其次,本文根据实地钻孔实验,验证了轨迹控制算法有效性,由于轨迹预测算法在计算过程中未考虑地层因素影响,在最终的轨迹控制效果对比中,依靠控制算法施工要略弱于依靠司钻工人经验施工。这并不能说明上述轨迹控制算法没有应用价值,在智慧矿山的大背景下,上述工作仍然为实现煤矿开采自动化、智能化目标做出了贡献。
【图文】：

图 1-1 单弯螺杆钻具结构示意图Fig.1-1 Schematic diagram of single-bent screw drill如图 1-1 所示，，现有的煤矿井下具有轨迹控制能力的施工装备为千米钻机搭配单弯螺杆动力钻具的组合，所谓单弯螺杆钻具是指该钻具在离钻头不远处存在一个大小

无磁三轴转台Fig.3-7Non-magnetictriaxialturntable
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD421.25

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本文编号：2619844