礦井長(zhǎng)鉆孔隨鉆軌跡測(cè)量技術(shù)研究

公維強(qiáng) 任文

山東華新建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東泰安 271200

煤礦在進(jìn)行采煤作業(yè)前，通常會(huì)先進(jìn)行地質(zhì)勘探，以查明煤層、巖石、水的地質(zhì)分布，有瓦斯的煤礦通常需要進(jìn)行瓦斯抽放；這些作業(yè)主要在煤層或巖層中打入一定數(shù)量的鉆孔。而煤礦井下的鉆孔軌跡的準(zhǔn)確量對(duì)于衡量煤礦瓦斯抽采孔、探放水孔作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。隨著我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展，礦井安全生產(chǎn)對(duì)井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽放孔等施工裝備和技術(shù)的要求也不斷提高。煤礦鉆孔測(cè)量系統(tǒng)逐步得到了應(yīng)用。由于定向鉆探施工過(guò)程中鉆桿旋轉(zhuǎn)，排渣情況較普通鉆進(jìn)工藝差，使得鉆孔的成孔率大幅度降低，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果鉆孔未能打到預(yù)定位置，有可能會(huì)出現(xiàn)瓦斯突出等重大事故的發(fā)生。因此，煤礦鉆孔隨鉆測(cè)量技術(shù)在煤礦中具有非常重要的作用[1]。目前國(guó)內(nèi)外主要用有線式隨鉆測(cè)量方式，即鉆桿中心穿纜，是一種在線測(cè)量，通常也稱(chēng)作千米定向鉆，但是這種鉆機(jī)成本較高，而且因?yàn)轶w積較大，不適合掘進(jìn)工作面；另外千米定向鉆機(jī)系統(tǒng)適合煤層氣開(kāi)采、或者瓦斯開(kāi)采的長(zhǎng)距離鉆進(jìn)，對(duì)于探放水或者排放瓦斯需要的短距離鉆進(jìn)工況來(lái)說(shuō)，千米定向鉆機(jī)顯得不合理，同時(shí)千米定向鉆機(jī)的在線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)還有價(jià)格昂貴、維修不便等缺點(diǎn)，所以中小型的普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就成為首選，使得礦用小型回轉(zhuǎn)鉆機(jī)也能實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡精確繪制。利用鉆孔隨鉆軌跡儀可以測(cè)量鉆孔軌跡，實(shí)現(xiàn)方式是直接把測(cè)量探管安裝到鉆桿前方作為普通鉆桿使用，在鉆進(jìn)過(guò)程中測(cè)量鉆孔姿態(tài)參數(shù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示器中，在井下即可進(jìn)行數(shù)據(jù)成圖和分析。

1 鉆孔軌跡測(cè)量方法

我國(guó)煤礦井下瓦斯抽采或者探放水都需要通過(guò)鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于多方面因素的影響，實(shí)際鉆孔軌跡都普遍存在著與設(shè)計(jì)軌跡偏離的現(xiàn)象。目前，長(zhǎng)鉆孔軌跡測(cè)量的主要原理是通過(guò)不同方法將信號(hào)上傳到鉆孔外的顯示器。顯示器將接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔過(guò)程中的鉆孔參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高鉆孔的質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)方法主要有2種：通纜隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量和無(wú)線電磁波隨鉆軌跡測(cè)量。

1.1 通纜隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量

通纜隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)是由中心通纜鉆桿、上下無(wú)磁鉆桿、測(cè)量探管、孔口監(jiān)視器等組成。原理為在鉆頭與第1節(jié)鉆桿之間安裝特制的信號(hào)采集裝置，測(cè)量主機(jī)通過(guò)鉆桿內(nèi)電纜發(fā)送命令給信號(hào)采集裝置，信號(hào)采集裝置進(jìn)行信號(hào)提取。數(shù)據(jù)處理器將信號(hào)采集傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)擴(kuò)頻等方法進(jìn)行處理，并將命令內(nèi)容通過(guò)鉆桿內(nèi)電纜回傳至鉆孔外的顯示器。使得在顯示器上可以查看鉆孔軌跡，并實(shí)時(shí)發(fā)送命令對(duì)鉆孔姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整[2]。

1.2 無(wú)線電磁波隨鉆軌跡測(cè)量

無(wú)線電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)主機(jī)和測(cè)量探管、上下無(wú)磁鉆桿等組成。工作原理為測(cè)量探管內(nèi)部采用動(dòng)調(diào)陀螺測(cè)量三維空間的傾角和方位角和工具面向角，然后將測(cè)量參數(shù)送入通信模塊，通信模塊將處理過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)給測(cè)量軟件，由施工人員提取有效信息，接收探管的測(cè)量結(jié)果，以此為參照，控制測(cè)量探管的工作狀態(tài)，指導(dǎo)鉆孔按照設(shè)計(jì)軌跡延伸[3]。

2 鉆孔軌跡計(jì)算方法

鉆孔軌跡是一條三維空間曲線，由若干測(cè)點(diǎn)所測(cè)參數(shù)計(jì)算得到。所測(cè)參數(shù)包括孔深、傾角、方位角，并用這3個(gè)參數(shù)計(jì)算求得該測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，從而得到鉆孔軌跡。鉆孔軌跡通常的計(jì)算方法有均角全距法、全角半距法、最小曲率法等。鉆孔隨鉆測(cè)量的目的是要得到鉆頭前進(jìn)的實(shí)際軌跡，從而控制下一步鉆進(jìn)方向。長(zhǎng)鉆孔一般是每鉆進(jìn)一定距離測(cè)量一次鉆桿姿態(tài)，然后得到鉆桿坐標(biāo)，通過(guò)插值擬合鉆桿前進(jìn)軌跡。

3 鉆孔軌跡誤差分析

煤礦鉆孔施工過(guò)程中，影響鉆孔軌跡的因素是多方面的，其中主要有地質(zhì)因素、鉆具因素、計(jì)算誤差、子午線收斂角等幾個(gè)方面的因素。由于地質(zhì)因素不可改變，因此調(diào)整鉆孔軌跡主要通過(guò)調(diào)整鉆探參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 地質(zhì)因素

在選定鉆孔開(kāi)孔位置和開(kāi)孔方位后，影響鉆孔軌跡的地質(zhì)因素主要是鉆進(jìn)地層的硬度、密度、礦物成分等。由于巖石的層理、軟硬互層、礫石等不同因素，造成受力不均，使得鉆頭軌跡偏離，引起鉆孔彎曲。在松軟、破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)鉆具與孔壁間有較大的間隙，同時(shí)鉆具在重力作用下有下斜趨勢(shì)；在較硬地層鉆進(jìn)時(shí)，一般沿容易通過(guò)的地方延伸，此時(shí)鉆孔彎曲方向無(wú)定性規(guī)律。

3.2 鉆具因素

鉆具主要有4個(gè)方面的因素影響鉆頭的切削方向。①穩(wěn)定器的不同排列間距使鉆具在自重作用下具有某個(gè)方向的彎曲趨勢(shì)；②在給進(jìn)壓力的作用下出現(xiàn)鉆具彎曲；③鉆具回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，離心力的大小與轉(zhuǎn)速和鉆具的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，影響鉆具彎曲趨勢(shì)和鉆孔彎曲方向；④鉆桿上穩(wěn)定器的排列方式和排列間距對(duì)于鉆進(jìn)軌跡有著重要意義[4]。

3.3 測(cè)量精度

測(cè)量?jī)x器精度對(duì)鉆孔軌跡的測(cè)量結(jié)果有直接影響。由軌跡測(cè)量計(jì)算公式可知，鉆孔軌跡計(jì)算的左右位移不僅受傾角影響，也和方位角的測(cè)量誤差有關(guān)，并且方位角誤差影響更大。儀器的測(cè)量誤差對(duì)鉆孔軌跡不確定性的影響，是隨著測(cè)點(diǎn)數(shù)量增多而不斷累加的過(guò)程，由于方位角精度較低，左右位移誤差較大。為了減小誤差，必須提高測(cè)量?jī)x器的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

鉆孔定向鉆進(jìn)過(guò)程中，由于受各種因素的影響，測(cè)量結(jié)果與實(shí)鉆軌跡之間存在一定的誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因，采取措施提高儀器測(cè)量精度、校正子午線收斂角、準(zhǔn)確計(jì)量孔深以及降低磁干擾等，可以降低影響，提高鉆孔軌跡的精確度。