礦井上行鉆孔深度高精度測(cè)量技術(shù)

張 軍，王信文

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

礦井鉆探施工主要用于巷道掘進(jìn)、探放水、地質(zhì)勘探、瓦斯抽采等方面，在瓦斯抽采中更是不可或缺；煤礦井下鉆孔布置方式多是上行或水平孔，在瓦斯抽采中主要以上行鉆孔為主[1]。目前，在鉆孔施工中沒有有效的高精度鉆孔深度測(cè)量方法。常用的方法是在鉆孔施工完成后，通過統(tǒng)計(jì)鉆桿數(shù)量計(jì)算后獲取鉆孔深度，這種常規(guī)的計(jì)算方式不但費(fèi)力，且常常存在人為干擾因素的影響；鉆孔成像類方法可根據(jù)放入鉆孔中線纜的長(zhǎng)度間接測(cè)量鉆孔深度，由于鉆孔遇塌孔或鉆孔軌跡彎曲時(shí)無法正常測(cè)量等原因，其也不適用于井下鉆孔深度測(cè)量。

由于煤礦井下鉆孔施工布置多為斜向上方、水平向前、垂直向上方，前述鉆孔深度測(cè)量方法，在井下測(cè)量存在較大局限性。近年來，針對(duì)不同鉆機(jī)或不同的鉆孔類型，科研人員提出了不同的鉆孔深度測(cè)量方法[2-4]，研發(fā)了相關(guān)的儀器設(shè)備。

1 數(shù)據(jù)測(cè)量

雖然礦井鉆孔深度高精度測(cè)量較為困難，但是在礦井上行鉆孔施工中仍有可以解決鉆孔深度測(cè)量的方法。該鉆孔深度測(cè)量方法主要原理是，隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打鉆過程中鉆桿中的靜水壓強(qiáng)及鉆孔施工中鉆孔的軌跡參數(shù)，即在鉆孔鉆進(jìn)過程中，實(shí)時(shí)記錄鉆孔的靜水壓強(qiáng)值、傾角、方位角、工具面向角等信息，通過監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，通過計(jì)算得到鉆孔的深度變化及鉆孔終孔深度值。

1.1 靜水壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)

鉆孔中的靜水壓強(qiáng)是指在鉆機(jī)完成1 根鉆桿，釋放給進(jìn)水壓后，留置在鉆桿中的水壓力值，這時(shí)的水壓力值為靜止?fàn)顟B(tài)，且為自然水壓力值，即可根據(jù)此時(shí)的孔口水壓力值計(jì)算鉆孔實(shí)時(shí)高程。在鉆孔靜水壓強(qiáng)測(cè)量中最重要的2 點(diǎn)是：能夠?qū)崟r(shí)精確測(cè)量鉆桿中靜水壓強(qiáng)值的傳感器；能夠準(zhǔn)確判斷靜水壓強(qiáng)的方法。水壓傳感器的工作原理是將采集到的模擬電壓信號(hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示處理。水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Data acquisition system structure of water pressure sensor

由于鉆孔靜水壓強(qiáng)測(cè)量的特殊性，采用的水壓傳感器為擴(kuò)散壓力傳感器，最大量程為2 MPa，精度為±0.1%FS，這樣可以保證更加準(zhǔn)確地測(cè)量鉆桿中靜水壓強(qiáng)的變化。測(cè)量探管連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 測(cè)量探管連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Connection structure of measuring probe

由圖2 可以看出，鉆孔測(cè)量系統(tǒng)主要由2 部分組成，整體連接方式為：在鉆頭后方連接測(cè)量探管，測(cè)量探管主要實(shí)時(shí)測(cè)量鉆孔傾角、方位角以及工具面向角等鉆孔信息；在測(cè)量探管后方連接常規(guī)鉆桿；在鉆桿另一邊連接的是水辮，水辮的主要作用是在鉆進(jìn)施工中給鉆孔持續(xù)提供水源，目的是降低鉆頭及鉆桿與巖層摩擦產(chǎn)生的熱量，并把鉆孔中的碎屑沖出鉆孔；在水辮的另一邊連接測(cè)量鉆桿水壓的壓力傳感器，該傳感器使用外接電源供電，可以進(jìn)行持續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量。

在鉆孔施工的過程中，壓力傳感器可以監(jiān)測(cè)到鉆機(jī)鉆進(jìn)全過程水力壓力的變化過程，其中包括停鉆、正常鉆進(jìn)、更換鉆桿、退鉆等，通過持續(xù)的監(jiān)測(cè)測(cè)量可以提取到，鉆機(jī)在更換鉆桿過程鉆桿中水壓的變化情況，這樣就可以得到更換鉆桿的停鉆時(shí)刻鉆桿中的靜水壓強(qiáng)值。

鉆機(jī)的鉆井過程中，鉆桿中的水壓力是一個(gè)不斷變化的過程。在開始鉆進(jìn)時(shí)鉆桿中的水壓瞬間變大，并很快達(dá)到最大值，在鉆進(jìn)過程中水壓變化不大。在單根鉆桿完成鉆進(jìn)后，鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，這時(shí)在沒有給進(jìn)水壓的情況下，鉆桿水壓迅速衰減，但此時(shí)鉆桿中充滿了水，這時(shí)的水頭高度可認(rèn)為鉆孔的深度位置，記錄此時(shí)的靜水壓強(qiáng)值，計(jì)算鉆孔深度需要的就是這時(shí)的靜水水壓值。之后更換鉆桿過程中，鉆桿水壓持續(xù)減小，直至下一個(gè)鉆桿鉆進(jìn)過程。對(duì)全程監(jiān)測(cè)到的鉆桿水壓值進(jìn)行篩選，剔除掉鉆機(jī)給進(jìn)及其他鉆探過程中的水壓力值，保留每根鉆桿鉆進(jìn)完成后的靜水壓強(qiáng)值，然后將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)整理輸出，并進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。

1.2 鉆孔軌跡測(cè)量

測(cè)量到的靜水壓強(qiáng)值是鉆孔深度計(jì)算的1 個(gè)重要參數(shù)，另1 個(gè)參數(shù)是鉆孔的傾角及方位角數(shù)值。因此，在鉆孔鉆進(jìn)過程中需要同時(shí)記錄鉆孔的傾角及方位角變化情況。由圖2 可以看出，隨鉆軌跡測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量探管位于鉆頭于鉆桿之間，另外還包括無磁鉆桿、顯示控制器等設(shè)備。無磁鉆桿主要是為測(cè)量探管提供無磁場(chǎng)環(huán)境，以此保證測(cè)量?jī)A角及方位角數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測(cè)量探管是將三軸MEMS 陀螺、加速度計(jì)和本安電池組集成到無磁管中組成，測(cè)量探管的外層為無磁鉆桿。測(cè)量探管隨鉆完成鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的測(cè)量與存儲(chǔ)，在施工完成后將鉆孔軌跡數(shù)據(jù)輸入顯示控制器中進(jìn)行存儲(chǔ)并處理。

社會(huì)工作的主要目標(biāo)在于促進(jìn)人與外部環(huán)境的交流，解決人與環(huán)境的交流障礙。當(dāng)人與其外部環(huán)境出現(xiàn)交流障礙，傳統(tǒng)社會(huì)工作理論認(rèn)為是因?yàn)閭€(gè)人內(nèi)部有問題有缺陷，需要治療個(gè)人的問題，以達(dá)到適應(yīng)外部環(huán)境。這是一種類似于醫(yī)療專業(yè)的觀點(diǎn)，把案主當(dāng)成病人，根本不去考慮外部環(huán)境有什么問題。外部環(huán)境是個(gè)人要去無條件適應(yīng)的。只要人與環(huán)境出現(xiàn)交流障礙，就肯定是個(gè)人的問題。因此傳統(tǒng)的社會(huì)工作理論是一種以外部環(huán)境為權(quán)威的理論。

鉆孔傾角、方位角的測(cè)量系統(tǒng)通過三軸MEMS陀螺和加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，然后通過測(cè)量得到的參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前測(cè)點(diǎn)方位角、傾角、工具面向角。鉆進(jìn)時(shí)顯示控制器與測(cè)量探管分別獨(dú)立測(cè)量，最后通過計(jì)算得到實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)。

在鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算中采用精度較高的曲率半徑法。在前、后2 個(gè)測(cè)點(diǎn)傾角和方位角變化不大的情況下，通過曲率半徑法計(jì)算鉆孔軌跡坐標(biāo)，計(jì)算誤差很小。具體計(jì)算公式如下：

式中：xn、yn為鉆孔的水平方向的位移，m；zn為測(cè)點(diǎn)上下位移，m；△Li為2 個(gè)測(cè)點(diǎn)距離，m；θi、θi-1分別為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)及上1 個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角，（°）；αi、αi-1分別為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)及上1 個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角，（°）。

在測(cè)量得到鉆孔傾角及方位角后，即可進(jìn)行下一步鉆孔深度的計(jì)算。

2 計(jì)算方法

上行鉆孔深度測(cè)量計(jì)算主要是利用上行孔中靜水壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及鉆孔軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。通過數(shù)據(jù)計(jì)算得到鉆孔的真實(shí)深度值。

2.1 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

鉆孔深度測(cè)量是通過鉆桿中的靜水壓強(qiáng)與鉆孔深度之間的關(guān)系測(cè)量計(jì)算的。其基本理論依據(jù)是靜水水壓與高程之間的關(guān)系。具體計(jì)算方法通過水壓與水密度、重力加速度、高程之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。即在打鉆過程中，在無外加加壓的情況下，鉆桿中的孔口和鉆頭之間存在靜水水壓，這個(gè)水壓通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器可以監(jiān)測(cè)到。得到了鉆桿中靜水水壓也就相當(dāng)于得到了鉆孔的高程，這樣就可以精確推算鉆孔的深度。

式中：p 為靜水壓強(qiáng)，Pa；ρ 為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h 為高程，m。

這里的高程h 值，在計(jì)算鉆孔深度時(shí)需要進(jìn)一步進(jìn)行換算，設(shè)鉆孔深度值為H，則鉆孔高程與鉆孔深度之間的關(guān)系為h =H·sinθi。因此，由式（4）可以推導(dǎo)得到鉆孔深度計(jì)算公式:

式中：H 為鉆孔深度值，m；θ 為鉆孔傾角，（°）。

鉆孔深度計(jì)算是通過監(jiān)測(cè)鉆桿中靜水壓強(qiáng)及鉆孔的軌跡參數(shù)，主要采用靜水壓強(qiáng)值及鉆孔軌跡參數(shù)的鉆孔傾角進(jìn)行計(jì)算。鉆孔軌跡計(jì)算原理示意圖如圖3。

圖3 鉆孔軌跡計(jì)算原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling track calculation

由圖3 可以看出，隨著鉆孔鉆進(jìn)，鉆孔傾角隨著鉆孔的鉆進(jìn)不斷的變化，鉆孔高程也在不斷地變化，在記錄了鉆孔中每節(jié)鉆桿傾角的基礎(chǔ)上，即可以計(jì)算出該鉆桿的長(zhǎng)度。這樣就可以通過式（5）計(jì)算鉆孔終孔位置的精確深度值。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔深度精確計(jì)算方法，編制了基于C#可視化編程語言的適用于Windows 操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件?；阢@孔靜水壓強(qiáng)及鉆孔軌跡測(cè)量的計(jì)算方法具有測(cè)量準(zhǔn)確可靠、計(jì)算精度高、同時(shí)具有防止人為造假等功能。煤礦管理人員可通過管理賬戶登錄該軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。鉆孔深度數(shù)據(jù)處理軟件主要界面如圖4。

圖4 鉆孔深度數(shù)據(jù)處理軟件界面Fig.4 Interface of drilling depth data processing software

鉆孔深度數(shù)據(jù)處理的主要步驟是：首先讀入鉆孔靜水壓強(qiáng)數(shù)據(jù)及鉆孔傾角數(shù)據(jù)；設(shè)置鉆機(jī)供水密度值，通常情況下，鉆機(jī)供水以清水為主，此時(shí)，鉆機(jī)供水密度值為1；根據(jù)式（5）計(jì)算鉆孔深度值，最后可以得到鉆孔開孔傾角、鉆孔平均傾角、終孔深度等數(shù)值，最后將計(jì)算到的鉆孔深度信息進(jìn)行輸出保存，供礦井技術(shù)人員進(jìn)一步分析。

3 工程應(yīng)用

安徽淮北某煤礦在巷道掘進(jìn)前都需要預(yù)抽煤層中的瓦斯，這樣就需要進(jìn)行大量的鉆探施工，一般采用在底抽巷道布置上行鉆孔抽取瓦斯的方式，由于存在大量的鉆孔施工任務(wù)，就需要及時(shí)掌握鉆孔的軌跡及鉆孔深度數(shù)值。

通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與測(cè)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與實(shí)際鉆孔深度（實(shí)際鉆孔深度通過鉆桿計(jì)數(shù)現(xiàn)場(chǎng)完成）的對(duì)比，鉆孔深度計(jì)數(shù)與計(jì)算對(duì)比圖如圖5。

圖5 鉆孔深度計(jì)數(shù)與計(jì)算對(duì)比圖Fig.5 Comparison of drilling depth count and calculation

通過對(duì)實(shí)際鉆孔深度與文中提出的計(jì)算方法的結(jié)果對(duì)比可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差非常小，可在上行鉆孔深度測(cè)量計(jì)算中使用。

4 結(jié) 語

通過對(duì)鉆孔鉆進(jìn)過程中相關(guān)參數(shù)的分析，總結(jié)規(guī)律，分析了利用鉆孔鉆進(jìn)時(shí)鉆桿中的靜水壓強(qiáng)與鉆孔軌跡相關(guān)參數(shù)計(jì)算鉆孔深度的方法。通過該方法的計(jì)算，可以得到鉆孔鉆進(jìn)任意時(shí)刻鉆孔的深度值。通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與推導(dǎo)的精確計(jì)算公式，形成了完整的井下鉆孔深度高精度測(cè)量方法技術(shù)。

通過對(duì)鉆孔深度測(cè)量計(jì)算方法的研究，從數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、計(jì)算方法2 方面實(shí)現(xiàn)了基于靜水壓強(qiáng)的井下上行鉆孔深度高精度測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無需人工操作儀器，使用方法快捷，計(jì)算結(jié)果精度高。