鉆孔隨鉆三維軌跡測量技術(shù)研究

張 軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 概述

在煤炭生產(chǎn)中，煤與瓦斯突出一直是煤礦安全生產(chǎn)的最大隱患，一直威脅著煤礦工人的人身安全和井田安全。為了提高井下作業(yè)安全系數(shù)，各個煤礦嘗試通過各種不同的措施來解決這一安全隱患。國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)專家進(jìn)行了多方面的研究，也采取了多項措施[1-3]。目前，瓦斯預(yù)防最常使用的方法是利用采前鉆孔預(yù)抽放瓦斯，以降低煤巖層中瓦斯壓力的方式來消除這一隱患。

鉆孔測斜儀的研制，就是為解決監(jiān)測鉆孔鉆進(jìn)過程是否沿預(yù)先設(shè)計方向鉆進(jìn)，達(dá)到預(yù)期的抽放目的的難題而提出來的[4-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，受控定向鉆進(jìn)技術(shù)的日益成熟，礦井超前探測以及精確的工程鉆探的廣泛開展，也迫切需要精度高、能全方位測量鉆孔軌跡的儀器，為此經(jīng)過長期不斷研究，研制了隨鉆測量鉆孔傾角和方位角技術(shù)與裝備，實現(xiàn)了真正的全方位測量，解決了鉆孔軌跡測量技術(shù)難題[8-12]。

2 鉆孔開孔精確監(jiān)控技術(shù)

井下鉆孔施工在地質(zhì)超前探測、瓦斯治理和水害防治等多個領(lǐng)域作用突出。煤礦井下的瓦斯抽采、探放水等效果卻直接受到鉆孔成孔質(zhì)量的影響[13-16]。

鉆進(jìn)施工的第一步就應(yīng)該是鉆機(jī)開孔角度的精確測量，因為鉆孔成孔的質(zhì)量首先受鉆孔開孔精度的影響。因此，鉆孔開孔精度在鉆探作為煤礦瓦斯、水害等災(zāi)害預(yù)防的手段中尤為重要。目前，大多數(shù)煤礦仍然采用傳統(tǒng)的簡單測量工具結(jié)合人工測量的方法測定開孔方位角和傾斜角，其操作程序繁瑣，停鉆時間長，精度極低，測量誤差常常大于10°以上，這給井下防治水、瓦斯抽采等工程的施工和驗收帶來諸多不便，實踐中已不能滿足煤礦安全高效開采的需要，有可能造成極為嚴(yán)重的后果。為解決此問題，需要使用礦用開孔定向裝置，精確控制鉆孔開孔角度。

煤井開孔定向監(jiān)控裝備主要由慣導(dǎo)測量部分、電源部分、顯示部分等組成。慣導(dǎo)測量部分完成鉆機(jī)姿態(tài)傾角與方位角的測量；電源部分主要實現(xiàn)測量單元和顯示模塊的供電；顯示部分完成數(shù)字化顯示，指導(dǎo)鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整(參見圖1)。

圖1 開孔定向裝置測量原理圖

開孔定向裝置選取位置誤差、速度誤差、姿態(tài)誤差和隨機(jī)誤差作為狀態(tài)變量，系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

X′(t)=A(t)X(t)+W(t)

(1)

式中：X′(t)——X(t)的導(dǎo)數(shù)；A(t)——誤差模型的系統(tǒng)矩陣；X(t)——系統(tǒng)狀態(tài)變量；W(t)——系統(tǒng)噪聲矩陣。

建立系統(tǒng)觀測，系統(tǒng)量測量：

Z(t)=HX(t)+V(t)

(2)

式中：Z(t)——系統(tǒng)噪聲；H——系統(tǒng)觀測矩陣；V(t)——系統(tǒng)觀測噪聲。

觀測位置與速度兩種參數(shù)，然后進(jìn)行求解完成濾波，抑制誤差，實現(xiàn)開孔定向技術(shù)精確定向。

開孔定向裝置根據(jù)顯示角度調(diào)整鉆機(jī)傾角和方位角，實現(xiàn)調(diào)整鉆機(jī)與開孔測量同步工作。相比原始的角度測量方法，大大提升了現(xiàn)有測量方法的準(zhǔn)確性和便攜程度，提高了煤礦井下定向鉆進(jìn)的施工效率。

3 鉆孔隨鉆軌跡精確測量

3.1 鉆孔軌跡計算方法

將相鄰兩測點間的鉆孔軸線看作為直線；該直線的傾角、方位角分別為上、下兩測點的傾角、方位角的平均值；整個鉆孔軸線仍是直線與直線連接的折線。鉆孔軌跡偏離距離按下式計算：

(3)

(4)

(5)

式中：X——鉆孔南北方向的偏離，其中向北為正、向南為負(fù)；Y——鉆孔東西方向的偏離，其中向西為正、向東為負(fù)；Z——鉆孔上下方向的偏離，其中向上為正、向下為負(fù)；α——鉆孔的傾角；θ——鉆孔的方位角；ΔL——測點A、B間的距離。

鉆孔空間軌跡計算原理如圖2所示。

圖2 鉆孔空間計算原理示意圖

此法是現(xiàn)場手算常常采用的方法，以上、下兩測點傾角、方位角的平均值作為軸線的計算角度，降低了增斜段和減斜段水平位移、垂直深度的計算誤差；在測點間距較大、曲率半徑較小時有一定誤差。

3.2 誤差的產(chǎn)生與消除

在野外測量和室內(nèi)校驗測斜儀時，在條件不變的情況下，對同一測點做反復(fù)多次測量，會看到測值有波動現(xiàn)象，如果測次足夠，各個數(shù)值出現(xiàn)的頻率符合正態(tài)分布規(guī)律，這也是與誤差產(chǎn)生的機(jī)理相吻合的。用有限多次的測量數(shù)據(jù)的均值來代替數(shù)學(xué)期望。計算公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

在實際工作中不可能在同一測點進(jìn)行很多次的測量，測次的增加，有時也會造成標(biāo)準(zhǔn)差的增加，誤差減小的幅度逐漸降低。

3.3 鉆孔軌跡精確測量技術(shù)

軌跡儀由控制器與探管組成。控制器與探管連接，實現(xiàn)控制器與探管之間的時間同步和數(shù)據(jù)傳輸。探管安裝在鉆頭后的無磁鉆鋌中，探管主要完成對鉆孔的軌跡參數(shù)的測量，方位測量根據(jù)大地磁場確定探管的方向姿態(tài)；傾角測量采用加速度傳感器，根據(jù)重力加速度確定探管的俯仰角度?？刂破髟诳卓谂c探管同步工作并記錄鉆孔深度，控制器主要用于煤礦井下監(jiān)測和測量數(shù)據(jù)采集、通信、處理及存儲，可實時顯示數(shù)據(jù)及鉆孔三維軌跡圖。

鉆孔軌跡精確測量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)精確計算過程，同時鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的采集更為重要。在鉆孔施工中主要由等待準(zhǔn)備、鉆進(jìn)施工和退鉆幾個部分組成。在鉆進(jìn)施工過程間隙進(jìn)行軌跡測量，鉆機(jī)停止鉆進(jìn)時曲線變?yōu)樗椒€(wěn)定狀態(tài)。測量完成后繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)。通過對鉆孔信息的有效監(jiān)測，可以精確監(jiān)控鉆孔施工的整個過程，同時保障鉆孔軌跡測量的有效性和可靠性，避免了因為操作有誤導(dǎo)致的鉆孔信息不準(zhǔn)確的現(xiàn)象發(fā)生。

4 三維軌跡測量技術(shù)研究

在常規(guī)的鉆孔軌跡測量中使用的是測量傾角和方位角，然后在二維空間顯示測量曲線，這種方法雖然能夠看出鉆孔在二維空間的展布，但是很難在三維空間里看出整個鉆孔的分布規(guī)律和分布形態(tài)，這樣的結(jié)果既不利于鉆孔設(shè)計，也不利于鉆孔瓦斯抽放，會為煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患。

在鉆孔軌跡測量中最常用的有3種方式：一種是打完鉆孔進(jìn)行測量，一種是隨鉆鉆孔軌跡測量，還有一種是隨鉆軌跡測量并實時顯示與控制軌跡的方法。第一種測量方法需要在鉆孔形成后進(jìn)行，這樣就影響了鉆孔施工進(jìn)度，降低了鉆孔施工效率；第三種測量方法方便快捷，并且能夠?qū)崟r顯示鉆孔軌跡，指導(dǎo)打鉆，但是這種測量裝備成本昂貴，難以在煤礦普遍使用；在這種情況下，第二種測量方法稱為煤礦能夠普遍使用的鉆孔軌跡測量方式。

通過鉆孔角度的計算，得到鉆孔在三維空間的分布。假設(shè)原點O為鉆孔開孔點，X軸為勘探線方向，Y軸的方向垂直于勘探線，Z軸為地下鉛直方向，鉆孔的開孔坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)，第N點Pn的傾角為θn，方位角為αn，第n+1點Pn+1的傾角為θn+1，方位角為αn+1。

(12)

(13)

(14)

式中：Xn、Yn、Zn——第n個測點的三維坐標(biāo)；Xn+1、Yn+1、Zn+1——第n+1個測點的三維坐標(biāo)；ΔL——第n個測點與第n+1個測點之間距離；θn、θn+1——第n個測點與第n+1個測點的傾角；αn、αn+1——第n個測點與第n+1個測點的方位角；αd——勘探線方位角。

依據(jù)計算式(12)～(14)可求出各測點的三維坐標(biāo)，利用計算后得到的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)繪制三維軌跡圖如圖3所示。

5 應(yīng)用實例

5.1 礦區(qū)地質(zhì)與瓦斯情況

該井田切割較深，溝谷縱橫，地層裸露。井田內(nèi)褶皺、斷層以及陷落柱較發(fā)育，井田內(nèi)褶皺屬寬緩型褶皺，斷層皆為小型層間斷層；陷落柱常成群出現(xiàn)，一定程度上影響到了采區(qū)的劃分。井田內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜程度簡單偏中等。

圖3 鉆孔三維軌跡測量方法示意圖

礦區(qū)屬典型的高瓦斯礦井，在實際開采過程中曾多次發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。瓦斯含量隨煤層埋深的增加而增高，在構(gòu)造破碎帶、采空區(qū)瓦斯易局部聚集。

5.2 鉆孔設(shè)計方法

礦用鉆孔軌跡測量儀方位角傳感器現(xiàn)測量選用體積小、高精度、高集成度的磁阻傳感器；不僅使軌跡儀體積大大減小，降低電路復(fù)雜度，同時增強(qiáng)了儀器抗震性，提高了測量精度。采用無纜測斜技術(shù)，測斜無需電纜，借助鉆桿推送探管，實現(xiàn)了真正意義上的全方位測量，使上仰、下俯、水平、垂直各種鉆孔測量簡便易行，且使用方便。

通常情況下，礦井鉆孔設(shè)計采用平面繪圖軟件進(jìn)行剖面圖(如圖4所示)和平面圖設(shè)計(如圖5所示)，該設(shè)計方法無法直觀顯示鉆孔空間位置，難于理解鉆孔空間分布。

圖4 底抽巷鉆孔設(shè)計剖面圖

在傳統(tǒng)設(shè)計方法使用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了三維顯示軟件在鉆孔軌跡測量中的應(yīng)用，采用三維技術(shù)應(yīng)用于鉆孔測量中。以某礦底抽巷道瓦斯抽采勘探孔為例，鉆孔三維布置如圖6所示。該礦區(qū)地層受客觀因素限制，根據(jù)對前期完工鉆孔測斜數(shù)據(jù)分析，以現(xiàn)有的鉆探施工方法及工藝設(shè)備難以滿足地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程要求。根據(jù)礦區(qū)方位角變化小的特點，對鉆孔軌跡采取相應(yīng)監(jiān)測和控制措施。

圖5 底抽巷鉆孔設(shè)計平面圖

圖6 底抽巷鉆孔布置三維圖

底抽巷道瓦斯抽采孔目的是在底抽巷道進(jìn)行穿層孔施工，在頂板煤層預(yù)掘進(jìn)巷道位置設(shè)置等間距鉆孔，提前抽采煤層中的瓦斯，保障煤層巷道掘進(jìn)施工安全，鉆孔見煤點設(shè)計如圖7所示。

5.3 鉆孔測量實例

由于鉆機(jī)開孔角度不準(zhǔn)確造成的鉆孔成孔質(zhì)量差的情況十分普遍，因此，在鉆孔施工中首先使用開孔定向儀精確控制鉆機(jī)開孔傾角與方位角。在鉆孔鉆進(jìn)過程中使用隨鉆軌跡測量裝置進(jìn)行實時跟蹤測量。

新型鉆孔軌跡測量儀在全國各地礦業(yè)集團(tuán)獲得了廣泛的應(yīng)用，軌跡儀在抽放瓦斯孔、工程地質(zhì)孔以及探放水孔等方面都具有良好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)以底抽巷道瓦斯抽放鉆孔的實例進(jìn)行說明。底抽巷鉆孔是為了釋放煤層的瓦斯壓力而施工的卸壓孔，鉆孔發(fā)生偏斜，應(yīng)該鉆進(jìn)的區(qū)域沒有鉆孔，將達(dá)不到應(yīng)有的卸壓抽采效果。近年來，由于推行井下鉆孔測斜技術(shù)，規(guī)定地質(zhì)鉆孔測斜校正、消除誤差而引發(fā)的不安全事故，終于實現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。底抽巷實鉆鉆孔軌跡三維效果如圖8所示。

圖7 鉆孔見煤點設(shè)計圖

圖8 底抽巷實鉆鉆孔軌跡三維圖

在按照設(shè)計進(jìn)行鉆進(jìn)施工后，繪制了鉆孔見煤點示意圖(見圖9)，由圖9(a)可以看出，在完成設(shè)計鉆孔施工后，見煤位置仍然有大范圍空白區(qū)域，這些區(qū)域鉆孔沒有鉆進(jìn)到位，這樣就可能導(dǎo)致大量的瓦斯仍然在未鉆進(jìn)位置聚集，對后期巷道掘進(jìn)和煤層回采將產(chǎn)生很大的安全隱患。通過實鉆鉆孔的三維顯示和對見煤點位置的分析后，利用鉆孔開孔精確監(jiān)控技術(shù)和鉆孔隨鉆軌跡精確測量技術(shù)對該鉆場進(jìn)行了補(bǔ)孔，補(bǔ)孔后鉆孔見煤點如圖9(b)所示，此時，見煤點位置鉆孔基本均勻覆蓋了該區(qū)域，這樣就達(dá)到了通過鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的目的，提高鉆孔精度與施工效率的同時，大大提高了煤礦安全生產(chǎn)的任務(wù)。

通過對每個鉆孔進(jìn)行開孔定位精確測量以及鉆孔軌跡的精確測量，繪制出鉆孔軌跡三維圖，同時將設(shè)計見煤點與實鉆見煤點以及實鉆煤層位置在圖中顯示(如圖10所示)。通過該圖可以清楚地看到鉆孔位置及其他相關(guān)信息，為煤礦鉆探工作提供可靠的技術(shù)支持，有力的提高了生產(chǎn)效率和安全保障。

圖9 補(bǔ)鉆前后鉆孔見煤點對比圖

圖10 底抽巷實鉆煤層三維圖

礦用開孔定向儀和鉆孔軌跡測量裝備應(yīng)用以后，先是被應(yīng)用在了煤層底抽巷道抽采控制孔以及探放水孔等鉆孔中，使用鉆孔軌跡儀對鉆孔傾斜度進(jìn)行測量。在每一個鉆孔施工結(jié)束后，可通過實時在三維圖中添加鉆孔信息，通過已有鉆孔信息，實時調(diào)整后期鉆孔的布置與設(shè)計，達(dá)到高產(chǎn)高效的作用。

6 結(jié)論

采用鉆機(jī)開孔精確監(jiān)控技術(shù)與鉆孔三維隨鉆軌跡測量技術(shù)，測量過程中可精確測量開孔信息，在鉆機(jī)打鉆過程中就可以實現(xiàn)對鉆孔信息的測量。鉆進(jìn)結(jié)束后，可以對鉆孔軌跡進(jìn)行成圖、分析。

通過在煤礦針對鉆孔開孔精確監(jiān)控技術(shù)、鉆孔隨鉆軌跡精確測量及三維顯示技術(shù)的使用，證明了該測控方法在煤礦鉆孔施工中具有數(shù)據(jù)精確，施工效率高，顯示效果好的突出特點。開孔精確監(jiān)控技術(shù)在提高施工效率的同時，大大提高了測量精度；鉆孔軌跡精確測量技術(shù)不但測量得到了鉆孔準(zhǔn)確空間位置信息，同時可以監(jiān)測鉆孔施工全過程，避免了人為誤操作造成的誤差；三維顯示技術(shù)改變了以往二維條件下鉆孔顯示不直觀引起的問題?？傊V井鉆孔隨鉆三維軌跡測量技術(shù)為煤礦鉆孔的高效使用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)設(shè)備支撐。