一種豎井掘進機導向控制及調整方法與流程
2023-08-22 17:53:36
本發明涉及井筒施工領域，特別涉及一種豎井掘進機掘進智能導向控制及調整方法。
背景技術：
大直徑井筒對井筒的偏斜要求比較高，深度為小於300m時的成井偏斜率不得大於150mm，深度為大於300m時的成井，提升井偏斜率不得大於0.4‰，非提升井偏斜率不得大於0.6‰。鑽井法施工成井偏斜率根據井型不同，也要求控制在0.5‰～1.0‰以內。在全斷面豎井掘進機，由於地質條件、設備操作等因素影響，如巖石的大傾角而產生較大的徑向負載，在鑽進過程中必然會產生一定的偏斜。為了滿足成井偏斜的要求，在鑽進的過程中必須對鑽進方向進行時時檢測並加以糾正。設備的糾偏能力成為衡量機械井筒鑽進裝備的重要指標。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明在於提供一種豎井掘進機導向控制及調整方法，該方法可以在鑽進方向產生偏斜後能夠快速有效解決鑽進方向的偏離，確保豎井掘進機能夠時時沿著井筒設計軸線鑽進。
為解決上述問題，本發明採用如下技術方案：一種豎井掘機進導向控制及調整方法，包括如下步驟：
(1)利用豎井掘進機導向系統中測斜系統中的位移測量系統和姿態測量系統對豎井掘進機鑽進方向進行測斜；
(2)當位移測量系統測得的豎井掘進機軸線水平位移偏移量大於或等於預定值時，利用位移測量系統測得的豎井掘進機軸線水平位移偏移量以及姿態測量系統測得的豎井掘進機軸線掘進角度偏移量計算出糾偏過程中豎井掘進機各個油缸的位移和糾偏軌跡曲線；
(3)根據步驟(2)中求出的糾偏過程中豎井掘進機各個油缸的位移和糾偏軌跡曲線利用豎井掘進機導向系統中的糾偏系統對豎井掘進機鑽進方向進行位移糾偏和角度糾偏。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，步驟(3)中，對豎井掘進機鑽進方向進行的位移糾偏包括如下三個階段：
(3.1.1)第一階段：偏斜糾偏階段，本階段內偏斜位移持續減小，且減小速率逐段遞增，在減小速率最大時進入第二階段；
(3.1.2)第二階段：反推糾偏階段，本階段內偏斜位移持續減小，但減小速率逐段遞減，最終回歸預定鑽進軸線；
(3.1.3)第三階段：扶正階段，本階段內將豎井掘進機扶正，沿軸線進行垂直鑽進。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，將第一階段行程數M1和第二階段行程數M2之和設為M，M為正奇數，設定位移偏移量沿橫軸正向偏移為正，且設定初始角度偏移量為0，則第一階段中糾偏m個行程時可完成糾偏的角度偏移量θm和未完成糾偏的位移偏移量Δxm可由下述公式計算得出：
θm＝-mα0 (1)
式中：H為豎井掘進機單次糾偏行程長度；
α0為一個行程的糾偏角度；
Δx0為糾偏前豎井掘進機鑽進軸線的位移偏移量；
則第一階段結束的條件為m＜M。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，第二階段中糾偏k個行程時可完成糾偏的角度偏移量θk和未完成糾偏的位移偏移量Δxk可由下述公式計算得出：
θk＝α0(k-M1) (3)
<![CDATA[ Δx k = Δx m - H Σ i = 1 k iα 0 = Δx 0 - Hα 0 ( M + 3 ) ( M + 1 ) - 4 k ( M - k ) 8 - - - ( 4 ) ]]>
式中：H為豎井掘進機單次糾偏行程長度；
α0為一個行程的糾偏角度；
則第二階段結束的條件為
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，第二階段結束後，第三階段需對豎井掘進機進行扶正的角度偏移量θf＝α0。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，步驟(3)中，對豎井掘進機鑽進方向進行的角度糾偏包括如下三個階段：
(3.2.1)第一階段：偏斜位移控制階段，本階段中糾偏角度與偏斜角度相反，偏斜位移仍持續增加，但偏斜位移的增加速率逐階段遞減，最終偏斜位移由增加轉為減少，進入第二階段；
(3.2.2)第二階段：偏斜位移縮減階段，包括如下兩個子階段：
(3.2.2.1)前半階段：本階段中糾偏角度與偏斜角度相反，偏斜位移持續減小，且偏斜位移減小速率逐階段遞增，在減小速率最大時進入後半階段；
(3.2.2.2)後半階段：本階段中糾偏角度與偏斜角度相同，偏斜位移持續減小，但偏斜位移減小速率逐階段遞減，最終豎井掘進機鑽進方向回歸預定鑽進軸線；
(3.2.3)第三階段：扶正階段，本階段中將豎井掘進機扶正，進行垂直鑽進，角度偏移糾偏結束。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，設初始位移偏移量為0，將第一階段單個行程的糾偏角度設為α1，將第二個階段的單個行程的糾偏角度設為α2，且將單行程最大允許偏移角度設為[α]，則第一階段中糾偏n個行程時可完成糾偏的角度偏移量θn和需要進行糾偏的位移偏移量Δxn可由下述公式計算得出：
θn＝θ-nα1 (5)
式中，H為豎井掘進機單次糾偏行程長度；
θ為初始角度偏移量；
則第一階段結束的條件為|θn|＜[α]，將第一階段的行程數記作N1，進入第二階段。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，在第二階段中，將第二階段行程數設為N2，N2為正奇數，前半階段的行程數設為a，後半階段的行程數設為b，則前半階段中糾偏l個行程時可完成糾偏的角度偏移量θl和需要進行糾偏的位移偏移量Δxl可由下述公式計算得出：
θl＝θ-N1α1-lα2 (7)
<![CDATA[ Δx l = H ( l + N 1 ) θ - N 1 α 1 ( l + N 1 - 1 2 ) - α 2 ( l + 1 ) l 2 - - - ( 8 ) ]]>
則前半階段結束的條件為
後半階段中糾偏j個行程時可完成糾偏的角度偏移量θj和需要進行糾偏的位移偏移量Δxj可由下述公式計算得出：
<![CDATA[ Δx j = H ( N 1 + N 2 + 1 2 + j ) θ - N 1 α 1 ( j + N 1 + N 2 2 + 1 ) - α 2 ( N 2 + 3 ) ( N 2 + 1 ) + 4 j ( N 2 - j ) 8 - - - ( 10 ) ]]>
則後半階段結束的條件為
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，第二階段結束後，第三階段需對豎井掘進機進行扶正的角度偏移量θf'＝-[θ-(N1+N2)α1-α2]。
上述豎井掘進機導向控制及調整方法，所述位移測量系統包括井筒上部的雷射發射器和豎井掘進機上部的光電傳感器平板；所述姿態測量系統包括兩個高精度角度傳感器。
本發明的有益效果是：
1.本發明採用多行程糾偏方案，可以有效減小錐形鑽頭破巖產生彎矩對豎井掘進機主機的損傷，降低維護成本，延長設備的使用壽命。
2.本發明能夠在進行多行程糾偏時，可以計算出各支撐油缸的準確伸縮量，實現豎井掘進機智能糾偏導向。
附圖說明
圖1為本發明豎井掘進機導向控制及調整方法的糾偏原理示意圖；
圖2為支撐油缸與豎井掘進機裝配關係；
圖3為圖2的俯視結構示意圖；
圖4為支撐油缸運行示意圖。
圖中：1-支撐油缸；2-豎井掘進機。
具體實施方式
為清楚說明本發明中的方案，下面給出優選的實施例並結合附圖詳細說明。
豎井掘進機2由上到下分別為：支護平臺，控制與動力平臺，支撐裝置，驅動裝置以及破巖刀盤。其中，支護平臺用於井筒掘進後井壁支護；控制與動力平臺安裝有控制臺、配電櫃、控制櫃、液壓泵站等，並設置有人員監控室；支撐裝置裝有兩層或三層油缸支撐井壁，每層支撐部分裝有四個支撐油缸1和支撐靴板，可進行分段支撐，每一個支撐也可單獨控制動作。導向控制裝置通過支撐油缸1伸縮來調整掘進機掘進方向；掘進機的驅動裝置採用機械傳動，由4臺電機，通過行星減速器，帶動二級減速箱裡的大齒圈轉動，驅動刀盤體公轉，刀盤上的滾刀自轉滾壓破巖，破碎的巖渣由出渣系統提升至地面或由導井掉至下水平面。
而豎井掘進機2的導向系統包括測斜系統和糾偏系統，所述測斜系統包括位移測量系統和姿態測量系統，所述位移測量系統包括井筒上部的雷射發射器和豎井掘進機2上部的光電傳感器平板，可以從光電傳感器平板讀取豎井掘進機2軸線與井筒設計軸線的偏斜量；所述姿態測量系統包括兩個高精度角度傳感器。
本發明豎井掘機機導向控制及調整方法對豎井掘進機2鑽進方向進行控制和調整，包括如下步驟：
(1)利用豎井掘進機2導向系統中測斜系統中的位移測量系統和姿態測量系統對豎井掘進機2鑽進方向進行測斜；
(2)當位移測量系統測得的豎井掘進機2軸線水平位移偏移量大於或等於預定值時，利用位移測量系統測得的豎井掘進機2軸線水平位移偏移量以及姿態測量系統測得的豎井掘進機2軸線掘進角度偏移量計算出糾偏過程中豎井掘進機2各個油缸的位移和糾偏軌跡曲線；
(3)根據步驟(2)中求出的糾偏過程中豎井掘進機2各個油缸的位移和糾偏軌跡曲線利用豎井掘進機2導向系統中的糾偏系統對豎井掘進機2鑽進方向進行位移糾偏和角度糾偏。
鑑於豎井掘進機2的任意偏移都可分解為兩個部分：位移偏移和角度偏移。進行糾偏時，可對位移和角度分別進行糾偏，再將位移糾偏和角度糾偏相疊加，即可完成總偏移的糾偏過程。
本實施例中，利用本發明豎井掘進機2導向控制及調整方法對豎井掘進機2鑽進方向的位移偏移和角度偏移進行糾偏。
1.位移糾偏
位移糾偏可以分三個階段進行，即在步驟(3)中，對豎井掘進機2鑽進方向進行的位移糾偏包括如下三個階段：
(3.1.1)第一階段：偏斜糾偏階段，本階段內偏斜位移持續減小，且減小速率逐段遞增，在減小速率最大時進入第二階段；
將第一階段行程數M1和第二階段行程數M2之和設為M，M為正奇數，設定位移偏移量沿橫軸正向偏移為正，且設定初始角度偏移量為0，則第一階段中糾偏m個行程時可完成糾偏的角度偏移量θm和未完成糾偏的位移偏移量Δxm可由下述公式計算得出：
θm＝-mα0 (1)
式中：H為豎井掘進機2單次糾偏行程長度；
α0為一個行程的糾偏角度；
Δx0為糾偏前豎井掘進機2鑽進軸線的位移偏移量；
則第一階段結束的條件為m＜M，即當豎井掘進機2在位移糾偏的第一階段中鑽進了個行程時本階段的位移糾偏完成，即可進入位移糾偏的第二階段。
(3.1.2)第二階段：反推糾偏階段，本階段內偏斜位移持續減小，但減小速率逐段遞減，最終回歸預定鑽進軸線；
第二階段中糾偏k個行程時可完成糾偏的角度偏移量θk和未完成糾偏的位移偏移量Δxk可由下述公式計算得出：
θk＝α0(k-M1) (3)
<![CDATA[ Δx k = Δx m - H Σ i = 1 k iα 0 = Δx 0 - Hα 0 ( M + 3 ) ( M + 1 ) - 4 k ( M - k ) 8 - - - ( 4 ) ]]>
式中：H為豎井掘進機2單次糾偏行程長度；
α0為一個行程的糾偏角度；
則第二階段結束的條件為即本階段中豎井掘進機2鑽進個行程時本階段的位移糾偏完成，即可進入位移糾偏的第三階段。
(3.1.3)第三階段：扶正階段，本階段內將豎井掘進機2扶正，沿軸線進行垂直鑽進，本階段需對豎井掘進機2進行扶正的角度偏移量θf＝α0。
在對豎井掘進機2鑽進方向進行位移糾偏時，各個階段的角度偏移量的遞推式和位移偏移量的遞推式可由公式(1)～(4)得出：
第一階段：
θm＝θm-1-α0 (11)
Δxm＝Δxm-1+Hθm (12)
式中，
第二階段：
θk＝θk-1+α0 (13)
式中，
第三階段：θf＝α0。
由於公式(1)～(4)和公式(11)～(14)中，豎井掘進機2單次糾偏行程長度H已知，θ的取值可由高精度角度傳感器直接測得，要實現豎井掘進機2鑽進方向的位移糾偏，只需獲得一個行程的糾偏角度α0、第一階段行程數M1和第二階段行程數M2之和M，其中α0可由單行程最大許用偏移角度[α]進行預估，可得α'0，然後根據位移糾偏第二階段的結束條件：當Δxk＝0可得如下方程：
<![CDATA[ Δx 0 - Hα 0 ( M + 3 ) ( M + 1 ) - 4 k ( M - k ) 8 = 0 - - - ( 15 ) ]]>
化簡後為：
將α'0帶入方程(16)可確定M值(需要在計算記過的基礎上進位取單數值)，然後將M反代回方程(16)可確定α0。
在具體操作過程中，工程人員可參考上述方法計算出的M值，在不小於上述數值的前提下(且M須為單數)，自行確定各階段的行程數，從而根據現場情況，對糾偏的過程進行靈活控制。
2.角度糾偏
同樣角度糾偏可以分三個階段進行，即在步驟(3)中，對豎井掘進機2鑽進方向進行的角度糾偏包括如下三個階段：
(3.2.1)第一階段：偏斜位移控制階段，本階段中糾偏角度與偏斜角度相反，偏斜位移仍持續增加，但偏斜位移的增加速率逐階段遞減，最終偏斜位移由增加轉為減少，進入第二階段；
設初始位移偏移量為0，將第一階段單個行程的糾偏角度設為α1，將第二個階段的單個行程的糾偏角度設為α2，且將單行程最大允許偏移角度設為[α]，則第一階段中糾偏n個行程時可完成糾偏的角度偏移量θn和需要進行糾偏的位移偏移量Δxn可由下述公式計算得出：
θn＝θ-nα1 (5)
式中，H為豎井掘進機2單次糾偏行程長度；
θ為初始角度偏移量；
則第一階段結束的條件為|θn|＜[α]，將第一階段的行程數記作N1，即豎井掘進機2在角度糾偏的第一階段鑽進N1個行程時即可進入角度糾偏的第二階段。
(3.2.2)第二階段：偏斜位移縮減階段，包括如下兩個子階段：
(3.2.2.1)前半階段：本階段中糾偏角度與偏斜角度相反，偏斜位移持續減小，且偏斜位移減小速率逐階段遞增，在減小速率最大時進入後半階段；
在第二階段中，將第二階段行程數設為N2，N2為正奇數，前半階段的行程數設為a，後半階段的行程數設為b，則前半階段中糾偏l個行程時可完成糾偏的角度偏移量θl和需要進行糾偏的位移偏移量Δxl可由下述公式計算得出：
θl＝θ-N1α1-lα2 (7)
<![CDATA[ Δx l = H ( l + N 1 ) θ - N 1 α 1 ( l + N 1 - 1 2 ) - α 2 ( l + 1 ) l 2 - - - ( 8 ) ]]>
則前半階段結束的條件為
(3.2.2.2)後半階段：本階段中糾偏角度與偏斜角度相同，偏斜位移持續減小，但偏斜位移減小速率逐階段遞減，最終豎井掘進機2鑽進方向回歸預定鑽進軸線；
後半階段中糾偏j個行程時可完成糾偏的角度偏移量θj和需要進行糾偏的位移偏移量Δxj可由下述公式計算得出：
<![CDATA[ Δx j = H ( N 1 + N 2 + 1 2 + j ) θ - N 1 α 1 ( j + N 1 + N 2 2 + 1 ) - α 2 ( N 2 + 3 ) ( N 2 + 1 ) + 4 j ( N 2 - j ) 8 - - - ( 10 ) ]]>
則後半階段結束的條件為即後半階段中豎井掘進機2鑽進個行程後，對豎井掘進機2的鑽進方向的角度糾偏的第二階段結束，進入角度糾偏的第三階段。
(3.2.3)第三階段：扶正階段，本階段中將豎井掘進機2扶正，需對豎井掘進機2進行扶正的角度偏移量θf'＝-[θ-(N1+N2)α1-α2]，然後豎井掘進機2進行垂直鑽進，角度偏移糾偏結束。
對豎井掘進機2鑽進方向進行角度糾偏時，各個階段的角度偏移量的遞推式和位移偏移量的遞推式可由公式(5)～(10)得出：
第一階段：
θn＝θn-1-α1 (17)
Δxn＝Δxn-1+Hθn (18)
式中，1≤n≤N1；
第二階段：前半階段：
θl＝θl-1-α2 (19)
Δxl＝Δxl-1+Hθl (20)
式中，
後半階段：
θj＝θj-1+α2 (21)
Δxj＝Δxj-1+H·θj (22)
式中，
第三階段：θf'＝-[θ-(N1+N2)α1-α2] (23)
由於公式(5)～(10)和公式(17)～(23)中，豎井掘進機2單次糾偏行程長度H已知，θ的取值可由高精度角度傳感器直接測得，要實現豎井掘進機2鑽進方向的角度糾偏，只需獲得第一階段的一個行程的糾偏角度α1、第二階段的一個行程的糾偏角度α2、第一階段行程數N1和第二階段行程數N2，其中α1和α2可由單行程最大許用偏移角度[α]進行預估，可得α'1和α'2，然後將α'1代入第一階段的結束條件θ-N1·α1|＜|α|可確定第一階段行程數N1，然後將N1代回|θ-N1·α1|＜|α|上式即可確定第一階段單進程糾偏角度α1，其中，取滿足|θ-N1·α1|＜|α|條件下的絕對值最大數值；再根據第二階段的結束條件：當時，Δxj＝0，可得方程：
<![CDATA[ Δx j = H ( N 1 + N 2 + 1 2 + j ) θ - N 1 α 1 ( j + N 1 + N 2 2 + 1 ) - α 2 ( N 2 + 3 ) ( N 2 + 1 ) + 4 j ( N 2 - j ) 8 = 0 - - - ( 23 ) ]]>
化簡後為：
將N1、α1和α'2代入，可確定N2值(需在計算結果的基礎上進位取單數值)，將N2代回方程(24)可確定α2。
在具體操作過程中，工程人員可參考上述方法計算出的N1和N2，在不小於上述數值的前提下(且N2須為單數)，自行確定各階段的行程數，從而根據現場情況，對糾偏的過程進行靈活控制。
由於本發明豎井掘進機2導向控制及調整方法是在豎井掘進機2軸線水平位移偏移量大於或等於預定值時對豎井掘進機2鑽進方向進行分階段逐行程的位移糾偏和角度糾偏，而且根據公式(1)～(10)可知，本發明豎井掘進機2導向控制及調整方法是採用線性糾偏，故糾偏曲線為線段連接的形式，基於公式(1)～(14)和公式(16)～(22)的計算可得豎井掘進機2每一個行程的運行角度及始、末端位移，故各個行程的直線方程為然後將各個線段收尾相連即得糾偏曲線，如圖1所示。
根據在角度糾偏中確定的糾偏角度，並確定糾偏角度與支撐油缸1伸長量之間的關係，通過控制支撐油缸1的伸長量來對豎井掘進機2的姿態進行控制。如圖2和圖3所示，豎井掘進機2上的八個支撐油缸1形成兩個相互垂直的平面，兩個平面各自均分布有上、下方各兩個(共四個)支撐油缸1。本實施例中，將豎井掘進機2機身長度設為L。以縱向剖面建立直角坐標系，如圖4所示，設處在第一、二、三、四象限的支撐油缸1伸長量分別為定義為x1、x2、x3、x4，則豎井掘進機2糾偏時需繞縱軸順時針轉動α角度時(即豎井掘進機2發生正的角度或位移偏移量時)，如表1所示,四個支撐油缸1的伸長量分別為：
表1處在第一、二、三、四象限的支撐油缸1的伸長量
當豎井掘進機2糾偏時需繞縱軸逆時針轉動α角度時，各支撐油缸1伸長量分別反號即可。
根據表1中各支撐油缸1伸長量與豎井掘進機2機身長度L及糾偏角度α之間的關係，即可通過支撐油缸1的伸縮實現豎井掘進機2糾偏角度的控制。
本發明中利用姿態傳感器使豎井掘進機2時刻保持豎直向下掘進，當位移測量系統測量出豎井掘進機2軸線偏離井筒設計軸線一定位移量後，就啟動糾偏導向系統，通過多層支撐油缸1的伸縮量不同使掘進機偏斜，下方鑽頭指向井筒設計中心軸線，在經過幾個步距的糾偏後掘進機軸線重新與井筒設計軸線重合。而且在這幾個步距掘進過程中，掘進機軸線與井筒設計軸線夾角逐漸變小，最後重合。
本實施例中，8個支撐油缸1中每4個為一組分裝於支撐裝置的上下二個水平層上，每層的四個支撐油缸1沿X、Y軸成對反向安裝。且8個支撐油缸1中每個支撐油缸1由一組電液比例換向閥控制支撐靴板的伸縮，並通過磁致伸縮位移傳感器檢測每個支撐油缸1的伸縮量。利用電液比例換向閥來控制支撐油缸1，可以根據通過改變電流或電壓信號的大小來調整電液比例換向閥的開口大小從而達到控制支撐油缸1速度快慢的目的，可以快速伸縮提高工作效率，也可以在積滿的速度下使支撐油缸1進行伸縮，提高支撐油缸1伸縮量的精度，從而便於滿足豎井掘進機2糾偏時對支撐油缸1伸縮量精度的要求。
上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明創造所作的舉例，而並非對本發明創造具體實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所引伸出的任何顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造權利要求的保護範圍之中。