松軟煤層下篩管鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)

張 軍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來，部分地區(qū)由于瓦斯抽放技術(shù)與裝備落后，鉆孔施工很難按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，導(dǎo)致煤層出現(xiàn)瓦斯抽放盲區(qū)而引發(fā)的煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生。由于煤層地質(zhì)條件的特殊性，在松軟煤層鉆孔施工中，通常存在瓦斯壓力大、地質(zhì)條件復(fù)雜、透氣性差等不利因素，導(dǎo)致煤層中鉆孔分布不均勻、成孔效果差，鉆孔的噴孔、塌孔等狀況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。針對(duì)這樣的問題，程建圣[1]研究了穿層鉆孔全程篩管下放瓦斯抽采技術(shù)原理及施工工藝，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了該技術(shù)在穿層鉆孔瓦斯抽采中的應(yīng)用效果。陳功勝等[2]提出不提鉆下篩管技術(shù)應(yīng)用于松軟煤層的瓦斯抽采中。孫新勝等[3]研究了松軟煤層篩管護(hù)孔瓦斯抽采技術(shù)與裝備及施工工藝。

由于松軟煤層的影響，在鉆孔施工過程中難以完成隨鉆軌跡測(cè)量，影響了鉆孔預(yù)抽瓦斯的效果。需要研究適用于松軟煤層下放篩管后的鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)，掌握鉆孔參數(shù)信息，提高瓦斯抽采能力和水平。目前，鉆孔軌跡測(cè)量裝備主要以成孔軌跡測(cè)量、隨鉆軌跡測(cè)量以及定向鉆孔軌跡測(cè)量為主，測(cè)量裝備普遍存在著探管直徑粗、質(zhì)量大，無法應(yīng)用于篩管下放條件下的鉆孔軌跡測(cè)量。針對(duì)以上問題，研究了松軟煤層條件下，篩管下放后的鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)由測(cè)量探管與手持式控制終端組成，測(cè)量探管直徑小、長(zhǎng)度短、質(zhì)量輕，可以適用于大多數(shù)篩管下放后的鉆孔軌跡測(cè)量。手持式控制終端采用防爆手機(jī)及專用數(shù)據(jù)采集軟件組成，測(cè)量探管與手持式控制終端可通過藍(lán)牙或有線2 種方式進(jìn)行指令控制與信號(hào)傳輸，確保在不同環(huán)境下儀器正常使用。

1 鉆孔篩管下放與軌跡測(cè)量的關(guān)系

為了提高松軟煤層地質(zhì)條件下的瓦斯抽采效果，通常在鉆孔施工完成后，會(huì)在鉆孔下放篩管護(hù)孔，保證瓦斯預(yù)抽采效果。篩管下放的技術(shù)是在松軟突出煤層鉆孔成孔后，在不退出孔內(nèi)鉆具的情況下，將護(hù)孔篩管和孔底固定裝置由鉆桿的內(nèi)通孔輸送到孔底，完成護(hù)孔篩管和孔底固定裝置輸送及固定后，退出鉆桿和鉆頭，孔底固定裝置將篩管固定后，在一定時(shí)間內(nèi)留在鉆孔內(nèi)作為瓦斯抽采通道。

鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)也根據(jù)不同需求產(chǎn)生了成孔軌跡測(cè)量、隨鉆軌跡測(cè)量、鉆孔有線隨鉆軌跡測(cè)量[4]、數(shù)據(jù)無線傳輸軌跡測(cè)量[5]等方式。這些軌跡測(cè)量方式主要適用于鉆桿直徑在50 mm 以上的鉆孔中使用，無法實(shí)現(xiàn)篩管下放后的鉆孔軌跡測(cè)量。有研究指出實(shí)現(xiàn)了松軟煤層條件下的隨鉆軌跡測(cè)量技術(shù)[6-7]。但是由于松軟煤層瓦斯壓力大、煤層透氣性差，鉆孔施工時(shí)容易出現(xiàn)塌孔、抱鉆等現(xiàn)象，隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量在這種鉆孔中使用存在鉆桿或探管埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

目前需要能適應(yīng)篩管下放工藝的鉆孔軌跡測(cè)量設(shè)備，解決鉆孔在煤層中分布不均，鉆孔軌跡不明的問題。當(dāng)測(cè)量鉆孔軌跡達(dá)不到要求時(shí)，重新修改設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯災(zāi)害的潛在風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。

2 鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)

煤礦井下鉆孔軌跡測(cè)量裝置主要包括測(cè)量探管、手持式控制終端、手推桿等。測(cè)量方式為在篩管下放到位后，將測(cè)量探管安裝于手推桿頂端送入鉆孔進(jìn)行軌跡測(cè)量。這種測(cè)量方式是在松軟煤層條件下，篩管下放后進(jìn)行的鉆孔軌跡測(cè)量，由于篩管的保護(hù)作用，探管很少存在埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 軌跡測(cè)量探管

由于需要在下放過篩管后的鉆孔中進(jìn)行鉆孔的軌跡測(cè)量，因此，測(cè)量探管的設(shè)計(jì)與使用方法尤為重要。受到篩管空間尺寸限制，探管外徑設(shè)計(jì)為21 mm，長(zhǎng)度450 mm，使得篩管在鉆桿內(nèi)下放的空間足夠大，以適用于大多數(shù)下放過篩管的鉆孔使用。

測(cè)量探管在鉆孔中進(jìn)行測(cè)量時(shí)存在高振動(dòng)、易磨損的施工特點(diǎn)，測(cè)量探管耐12 MPa 水壓，設(shè)計(jì)了注塑減振套件和抗壓耐磨外管與碳纖維手推桿，手推桿前后設(shè)計(jì)有公母扣連接套件裝置。鉆孔軌跡測(cè)量最重要的3 個(gè)參數(shù)為鉆孔深度、方位角、傾角，這3 個(gè)參數(shù)決定了鉆孔軌跡空間姿態(tài)。需要將加速度計(jì)芯片和磁敏傳感器芯片裝入測(cè)量探管內(nèi)部[11]。測(cè)量探管原理框圖如圖1。

圖1 測(cè)量探管原理框圖Fig.1 Principle block diagram of measuring probe tube

方位測(cè)量采用磁敏傳感器，根據(jù)大地磁場(chǎng)確定探管的方向姿態(tài)；傾角測(cè)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。傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)，經(jīng)控制單元計(jì)算處理成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)。探管存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至手持式控制終端。通過測(cè)量的鉆孔傾角、方位角數(shù)據(jù)以及記錄的鉆孔深度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，完成鉆孔軌跡測(cè)量。鉆孔軌跡測(cè)量探管在篩管中的施工方式如圖2。

圖2 鉆孔軌跡測(cè)量施工方式示意圖Fig.2 Drilling trajectory measurement construction method

由圖2 可以看出，使用該測(cè)量探管進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，是在鉆孔成孔以及篩管下方以后進(jìn)行的，不依賴于鉆機(jī)推送，而且能夠保證測(cè)量探管在鉆孔軌跡測(cè)量時(shí)的安全性，減少埋鉆等事故的發(fā)生。

測(cè)量探頭控制軟件采用集成環(huán)境C 語言開發(fā)。測(cè)量探管采集控制軟件實(shí)現(xiàn)了初始化、數(shù)據(jù)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、角度計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出等功能，代碼經(jīng)過編譯和調(diào)試后輸入探管存儲(chǔ)器。

2.2 手持式控制終端功能

手持式控制終端選用具有礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書的礦用防爆兼本安型手機(jī)，手機(jī)搭載Android 系統(tǒng)，開發(fā)了鉆孔軌跡測(cè)量專用APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量探管的時(shí)間同步、參數(shù)設(shè)置、命令控制等功能。

手持式控制終端的主要功能有以下幾個(gè)方面。

1）藍(lán)牙連接。打開手持式控制終端藍(lán)牙，打開測(cè)量探管電源開關(guān)。搜索附近可用藍(lán)牙，配對(duì)成功綁定后即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)與測(cè)量探管之間的藍(lán)牙通信。藍(lán)牙通訊可以實(shí)現(xiàn)指令控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2）定時(shí)同步。目的是在探管與手持式控制終端分離后能夠在時(shí)間上精準(zhǔn)統(tǒng)一。在手持式控制終端與測(cè)量探管建立藍(lán)牙連接后，控制終端發(fā)送約定的同步指令給測(cè)量探管，測(cè)量探管以約定的時(shí)間與測(cè)量方式開始同步測(cè)量。

3）數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)鉆孔測(cè)量完成后，再次將手持式控制終端與測(cè)量探管建立藍(lán)牙通信連接，手持式控制終端讀取測(cè)量探管存儲(chǔ)器中的所有數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)存在手持式控制終端。

4）鉆孔軌跡計(jì)算與顯示。鉆孔軌跡計(jì)算是指在測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至手持式控制終端后，手持式控制終端的測(cè)量控制APP 可以實(shí)時(shí)計(jì)算該測(cè)量鉆孔的軌跡及上下、左右偏差值。計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)后，從第1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)深度累加得出整個(gè)鉆孔的偏差數(shù)值，以深度為橫坐標(biāo)，上下偏差值、左右偏差值為縱坐標(biāo)繪制鉆孔軌跡偏差圖。鉆孔軌跡計(jì)算采用均角全距法，計(jì)算方法[12]如下。

式中：Xn為測(cè)點(diǎn)在x 軸上的投影長(zhǎng)度，m；Yn為測(cè)點(diǎn)的累計(jì)左右偏差，m；Zn為測(cè)點(diǎn)的上下偏差，m；△Li為2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離，m；θi為當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的傾角，（°）；θi-1為上1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的傾角，（°）；α0為第1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的方位角，（°）；αi為當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的方位角，（°）；αi-1為上1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的方位角，（°）；Ai-1為上1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的深度，m；Ai為當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量深度，m。

2.3 軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件

鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件是篩管下放鉆孔軌跡儀的人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)運(yùn)行于PC 客戶端。數(shù)據(jù)處理軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，減少數(shù)據(jù)處理軟件的操作流程。軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、軌跡圖二維及三維顯示與存儲(chǔ)等功能。

數(shù)據(jù)處理的主要流程：讀取鉆孔軌跡原始數(shù)據(jù)；對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；配置鉆孔測(cè)量地區(qū)的磁偏角值；計(jì)算鉆孔軌跡相對(duì)于開孔傾角與方位角的上下偏差值、左右偏差值；輸出數(shù)據(jù)成果及鉆孔軌跡成果圖。數(shù)據(jù)處理軟件的功能界面，鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件界面如圖3。

圖3 鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件界面Fig.3 Software interface of drilling trajectory data processing

在進(jìn)行完常規(guī)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理后，數(shù)據(jù)處理軟件可以通過換算軌跡偏差坐標(biāo)，進(jìn)一步數(shù)據(jù)建模，在建立三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在三維空間展示鉆孔的軌跡信息，這樣使鉆孔的軌跡及相對(duì)空間位置更加清晰，有利于進(jìn)行鉆孔的設(shè)計(jì)與后期數(shù)據(jù)分析。

3 井下試驗(yàn)

為驗(yàn)證鉆孔測(cè)量系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和有效性，驗(yàn)證測(cè)量探管在鉆孔安裝篩管后是否影響鉆孔軌跡的正常測(cè)量，選擇安徽淮北某煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

當(dāng)探管送入預(yù)定位置后，系統(tǒng)將記錄下相應(yīng)的鉆孔測(cè)量時(shí)間、深度、傾角、方位角、工具面向角。在下一測(cè)量點(diǎn)時(shí)，重復(fù)測(cè)量操作，直至測(cè)量完成。測(cè)量完成后，采用無線藍(lán)牙連接探管與控制器，獲取探管中所有的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)保存在手持式控制終端鉆孔文件中。

在進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量時(shí)，由于鉆孔孔口附近有錨網(wǎng)等金屬體干擾，為了保證測(cè)量精度，第1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)深度設(shè)定在鉆孔中距離孔口6 m 位置，測(cè)量深度間距設(shè)定為6 m。鉆孔設(shè)計(jì)孔深115 m，設(shè)計(jì)傾角4°、設(shè)計(jì)方位角187°，實(shí)測(cè)鉆孔深度114 m?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)精度高。經(jīng)巷道掘進(jìn)后驗(yàn)證情況分析，鉆孔軌跡測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，繪制鉆孔軌跡偏差圖，鉆孔軌跡偏差成果圖如圖4。

圖4 鉆孔軌跡偏差成果圖Fig.4 Borehole trajectory deviation results

由圖4 可以看出，由于松軟煤層特殊的地質(zhì)條件和其他因素的影響，設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與實(shí)際鉆孔軌跡存在一定的偏差。鉆孔實(shí)鉆終孔位置與設(shè)計(jì)鉆孔終孔位置上下偏差1.96 m，左右偏差0.36 m。

在對(duì)所有測(cè)量鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并建模后，在三維空間展示鉆孔的軌跡信息，鉆孔軌跡三維成果如圖5。

圖5 鉆孔軌跡三維成果圖Fig.5 3D results of drilling trajectory

圖5 中，黑色線條為實(shí)鉆鉆孔軌跡，白色線條為實(shí)鉆鉆孔在煤層中的軌跡；白色圓點(diǎn)為設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)位置，黑色圓點(diǎn)為實(shí)際見煤點(diǎn)位置；水平平面為設(shè)計(jì)煤層位置，曲面為實(shí)際煤層位置。由圖可以看出，實(shí)測(cè)見煤點(diǎn)位置與設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)位置偏差較大，實(shí)際煤層位置與設(shè)計(jì)煤層位置偏差較大。通過鉆孔數(shù)據(jù)及成果圖可以看出，該裝置測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，真實(shí)反映了鉆孔軌跡走勢(shì)，鉆孔軌跡數(shù)據(jù)能夠有效預(yù)防鉆探偏差帶來的安全隱患。

4 結(jié) 語

為了解決松軟煤層篩管下放條件下鉆孔軌跡測(cè)量難題，研究了篩管下放條件下的鉆孔軌跡測(cè)量裝置與技術(shù)。設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于篩管中使用的小型軌跡測(cè)量探管，以及與之配套使用的手持式控制終端，測(cè)量探管與手持式控制終端通過藍(lán)牙進(jìn)行連接。通過大量的工程實(shí)踐表明，基于藍(lán)牙傳輸?shù)?，適用于松軟煤層篩管下放條件下的鉆孔軌跡測(cè)量裝備，有效解決了篩管下放后導(dǎo)致的鉆孔盲打、鉆孔分布情況不明等問題，極大地降低了瓦斯災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提高了瓦斯抽采效果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明了基于藍(lán)牙傳輸?shù)你@孔軌跡測(cè)量?jī)x具有很高的工作穩(wěn)定性和實(shí)用性，為煤礦安全生產(chǎn)提供設(shè)備支撐。