回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件設(shè)計(jì)

王小龍，張軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

煤礦井下普遍采用鉆機(jī)施工瓦斯抽放鉆孔，通過(guò)預(yù)先抽采鉆孔瓦斯降低煤層瓦斯壓力，有效預(yù)防煤與瓦斯突出事故的發(fā)生[1-2]。目前，煤礦井下鉆孔施工方式包括定向鉆進(jìn)[3-4]和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)[5-6]。定向鉆進(jìn)技術(shù)由于鉆孔軌跡可調(diào)可控，在煤礦井下取得了良好的應(yīng)用效果，但其價(jià)格昂貴、施工工藝復(fù)雜，所以煤礦井下大部分鉆孔仍采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工方式。

在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工中，常常采用隨鉆軌跡儀進(jìn)行鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量，或是鉆孔成孔后采用手持式鉆孔軌跡儀進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量。鉆孔軌跡儀將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)保存在測(cè)量探管內(nèi)，測(cè)量完成后導(dǎo)出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)到鉆孔軌跡儀控制器中，由鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件處理得到鉆孔軌跡[7-9]。但鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件只能給出單個(gè)鉆孔的軌跡圖，無(wú)法給出多個(gè)鉆孔軌跡的位置關(guān)系以及與煤層之間的關(guān)系；鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件所生成的上下偏差及左右偏差圖都是二維圖形，無(wú)法直觀反映鉆孔軌跡在三維空間中的形態(tài)；鉆孔軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件無(wú)法分析與圈定瓦斯抽采盲區(qū)，無(wú)法給出后續(xù)鉆孔的指導(dǎo)軌跡。

針對(duì)鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)分析及控制的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件。該軟件具有界面友好、功能強(qiáng)大、使用便利、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可幫助施工人員完成鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的處理、鉆孔軌跡與煤層分布等三維顯示、鉆孔覆蓋盲區(qū)的分析顯示并給出后續(xù)鉆孔指導(dǎo)軌跡，使鉆孔施工人員可全面掌握鉆孔信息，為優(yōu)化鉆孔施工提供技術(shù)支撐。

1 鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

煤礦井下回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中通常采用YZG7隨鉆軌跡儀測(cè)量鉆孔軌跡，YZG7隨鉆軌跡儀如圖1所示。若在鉆孔施工中未能實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量，則在鉆孔成孔后可采用YQG1手持式軌跡儀進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，YQG1手持式軌跡儀如圖2所示。

圖1 YZG7隨鉆軌跡儀Fig.1 YZG7 trackers while drilling

圖2 YQG1手持式軌跡儀Fig.2 YQG1 hand held trackers

采用YZG7隨鉆軌跡儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)采集。YZG7隨鉆軌跡儀包括孔口控制器與鉆孔測(cè)量探管。鉆孔測(cè)量探管測(cè)量鉆孔的傾角、方位角、工具面向角等空間姿態(tài)參數(shù)，孔口控制器記錄測(cè)量時(shí)間，鉆孔施工完成起鉆后，連接孔口控制器與鉆孔測(cè)量探管，根據(jù)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步后，將鉆孔測(cè)量探管的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳到孔口控制器中便于后續(xù)處理。

根據(jù)鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)分析及控制的實(shí)際需求，鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件包括4個(gè)功能模塊：鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理、鉆孔深度與軌跡計(jì)算、鉆孔軌跡三維建模與顯示及鉆孔軌跡設(shè)計(jì)指導(dǎo)模塊，如圖3所示。其中鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等，重點(diǎn)關(guān)注地磁偏角計(jì)算及數(shù)據(jù)野點(diǎn)的剔除。鉆孔深度與軌跡計(jì)算模塊利用鉆孔水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合測(cè)點(diǎn)傾角數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)鉆孔靜水壓力的提取及鉆孔深度的計(jì)算，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的計(jì)算及鉆孔測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的提取，完成鉆孔軌跡深層次的數(shù)據(jù)挖掘。鉆孔軌跡三維建模與顯示模塊將鉆孔軌跡及煤層走向等鉆孔信息通過(guò)三維實(shí)體有效呈現(xiàn)，便于鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)的確定，包括鉆孔群軌跡及煤層分布三維顯示、進(jìn)煤面設(shè)計(jì)鉆孔覆蓋區(qū)域、進(jìn)煤面實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域等顯示。鉆孔軌跡設(shè)計(jì)指導(dǎo)模塊給出了鉆孔抽采盲區(qū)，并統(tǒng)計(jì)已有鉆孔軌跡的偏移特性，給出后續(xù)補(bǔ)充鉆孔施工的指導(dǎo)軌跡。

圖3 鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件模塊Fig.3 Modules of borehole data processing and 3D display software

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 多種數(shù)據(jù)格式的兼容性。目前已有YZG7、YQG1、YZG3.7、YCSZ(A)等多款礦用隨鉆及非隨鉆軌跡測(cè)量設(shè)備。鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件在開(kāi)發(fā)過(guò)程中要解決不同軌跡儀設(shè)備數(shù)據(jù)格式的兼容性問(wèn)題，要能實(shí)現(xiàn)各種軌跡儀測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)導(dǎo)入。根據(jù)數(shù)據(jù)文件編碼方式的不同，該軟件能讀取.dat、.excel、.xml等不同格式的數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式的兼容。

(2) 基于鉆孔水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的鉆孔深度計(jì)算。在底抽巷的上行鉆孔施工中，為了避免鉆孔施工人員對(duì)鉆孔深度的謊報(bào)和誤報(bào)，采用基于鉆孔靜水壓力數(shù)據(jù)結(jié)合鉆孔傾角數(shù)據(jù)確定鉆孔深度的技術(shù)方法。在鉆桿尾部的水辮上安裝水壓傳感器，連續(xù)監(jiān)測(cè)鉆桿內(nèi)水壓數(shù)據(jù)，在鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中通過(guò)檢測(cè)鉆孔水壓數(shù)據(jù)中的靜水壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合鉆孔傾角數(shù)據(jù)計(jì)算鉆孔深度。

(3) 鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域分析。鉆孔軌跡可以精確計(jì)算，采用三維建模及顯示軟件可以顯示鉆孔軌跡在空間中的分布情況。但對(duì)于瓦斯抽采而言，關(guān)心的是鉆孔在進(jìn)入煤層(進(jìn)煤面)的落點(diǎn)和鉆孔在穿出煤層(出煤面)的落點(diǎn)以及在煤層中鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域的大小，是否有覆蓋盲區(qū)存在及覆蓋盲區(qū)的大小。只有知道了盲區(qū)是否存在及盲區(qū)位置，才能指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工，定量分析鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域，更好地指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工。

(4) 鉆孔偏移規(guī)律分析。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工過(guò)程中，為獲取最佳的抽采效果，需要實(shí)鉆軌跡盡可能與設(shè)計(jì)軌跡一致，然而由于鉆孔軌跡易受巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自質(zhì)量及鉆進(jìn)參數(shù)等多種因素的影響，實(shí)鉆軌跡總是偏離設(shè)計(jì)軌跡。實(shí)鉆軌跡與這些影響因素之間的定量化關(guān)系難以確定。如何根據(jù)已有的實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡找到該鉆場(chǎng)鉆孔偏移的整體規(guī)律，在后續(xù)鉆孔施工中根據(jù)偏移規(guī)律重新設(shè)計(jì)鉆孔開(kāi)孔傾角及方位角，使得鉆孔在煤層中的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡盡可能吻合或是實(shí)際軌跡的落點(diǎn)盡可能處于鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到控制與消除瓦斯抽采盲區(qū)的目的。

2 鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件模塊功能

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡儀測(cè)量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等功能。

(1) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，可將計(jì)算機(jī)中或U盤(pán)中存儲(chǔ)的軌跡儀測(cè)量數(shù)據(jù)(XML格式或Excel格式)加載到鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。

(2) 系統(tǒng)參數(shù)配置。在對(duì)鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)前，需要對(duì)軟件的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，具體包括地磁偏角設(shè)置、軌跡計(jì)算方法的選擇等。其中在磁偏角設(shè)置中給定了全國(guó)79個(gè)不同礦區(qū)的磁偏角數(shù)值，用戶可根據(jù)實(shí)測(cè)地點(diǎn)選擇所屬礦區(qū)，該礦區(qū)的磁偏角數(shù)值會(huì)自動(dòng)加載到軟件中參與相關(guān)計(jì)算。軌跡計(jì)算方法分為平均角法與校正平均角法，通常軟件默認(rèn)選擇平均角法作為軌跡計(jì)算方法，可將鉆孔測(cè)量的角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為鉆孔軌跡的三維坐標(biāo)，如有需要也可設(shè)置校準(zhǔn)平均角法作為配置。

(3) 鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)。對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行管理，比如對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行施工用途、巖層分布、含水特性的備注說(shuō)明。新建鉆孔時(shí)，需輸入主設(shè)計(jì)方位角、開(kāi)孔傾角、開(kāi)孔方位角等信息。新建鉆孔完成后，可輸入設(shè)計(jì)軌跡。

(4) 鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。在使用鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡計(jì)算前，先進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整和修正數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)中的野點(diǎn)進(jìn)行剔除，按多點(diǎn)平滑法進(jìn)行插值補(bǔ)充。除此之外，可進(jìn)行數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)刪除、按深度升序或降序進(jìn)行數(shù)據(jù)排序等，以彌補(bǔ)操作失誤、遺漏采集等原因造成的錯(cuò)誤。

2.2 鉆孔深度與軌跡計(jì)算模塊

鉆場(chǎng)深度與軌跡計(jì)算模塊可對(duì)鉆孔軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)和鉆孔水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深層處理，主要用于確定鉆孔深度和鉆孔軌跡的管理。

(1) 鉆孔水壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入。 將鉆孔水壓數(shù)據(jù)文件(Excel格式)導(dǎo)入到鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件中。

(2) 鉆孔深度計(jì)算。從連續(xù)監(jiān)測(cè)的巨量鉆孔水壓數(shù)據(jù)中提取靜水壓力數(shù)據(jù)(鉆機(jī)水開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)鉆桿內(nèi)的水壓數(shù)據(jù))，結(jié)合測(cè)量的傾角數(shù)據(jù)，計(jì)算鉆孔深度H，并進(jìn)行保存、輸出。具體計(jì)算公式為

H=P/(ρgsinθ)

(1)

式中：P為靜水壓力；ρ為水的密度；g為重力加速度；θ為鉆孔傾角。

(3) 鉆孔軌跡計(jì)算。利用軌跡儀測(cè)量獲得的傾角和方位角及鉆孔深度數(shù)據(jù)，通過(guò)均角全距法將測(cè)量的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表示鉆孔軌跡的空間三維坐標(biāo)(x,y,z)。具體計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：ΔLi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)與i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離,i=1,2,…,n,n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；βi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角；αi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角；α0為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角。

在獲得水平位移x、左右位移y及上下位移z后即可繪制鉆孔軌跡。根據(jù)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)繪制各個(gè)鉆孔的軌跡圖，包括相對(duì)于鉆孔坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖以及相對(duì)于地理坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖。

(4) 鉆孔三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)鉆孔坐標(biāo)到鉆場(chǎng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，以便于鉆孔的三維建模和三維顯示。針對(duì)鉆場(chǎng)或巷道中所有鉆孔，先在鉆場(chǎng)或巷道中規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)零點(diǎn)，給定每個(gè)鉆孔起點(diǎn)相對(duì)于鉆場(chǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，通過(guò)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為鉆場(chǎng)坐標(biāo)。此外，根據(jù)鉆孔施工記錄給定鉆孔見(jiàn)煤深度、出煤深度及測(cè)點(diǎn)間距，通過(guò)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以確定鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)三維坐標(biāo)和出煤點(diǎn)三維坐標(biāo)，這些參數(shù)都可用于在三維空間中進(jìn)行鉆場(chǎng)孔群的管理。

2.3 鉆孔軌跡三維建模與顯示模塊

(1) 三維建模與顯示。鑒于三維可視化軟件Voxler在鉆孔軌跡可視化方面的優(yōu)勢(shì)，在鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中內(nèi)嵌了Voxler軟件，通過(guò)調(diào)用Voxler軟件，利用其功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆孔群軌跡的三維建模[10-11]。在三維顯示中，可以通過(guò)不同視角或任意平面的切片圖來(lái)直觀顯示鉆孔軌跡及煤層分布。

(2) 鉆孔覆蓋區(qū)域顯示。包括設(shè)計(jì)鉆孔覆蓋區(qū)域顯示和實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域顯示2個(gè)部分。三維顯示可以直觀顯示鉆孔的軌跡以及鉆孔穿過(guò)煤層的見(jiàn)煤點(diǎn)與出煤點(diǎn)，但定量描述鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域并非易事。考慮到通常煤層厚度為1～8 m，相對(duì)于鉆孔深度而言煤層很薄且煤層傾角普遍較小這一事實(shí)，采用將鉆孔進(jìn)煤點(diǎn)與出煤點(diǎn)及鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域(通常取鉆孔周圍直徑5 m的范圍)由三維空間投影到水平面的方法，以直觀且定量描述鉆孔覆蓋區(qū)域。通過(guò)設(shè)計(jì)鉆孔覆蓋區(qū)域和實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域的對(duì)比，可以確定是否存在鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)以及鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)的位置與大小。

2.4 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)指導(dǎo)模塊

(1) 鉆孔偏移特性分析。鉆孔軌跡偏移受巖層地質(zhì)條件、巖層夾角、鉆桿自質(zhì)量、鉆機(jī)型號(hào)及鉆機(jī)操作人員等多種因素的影響，是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。根據(jù)已有的鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔偏移具有如下規(guī)律：① 巖層結(jié)構(gòu)單一,鉆孔偏移量較小；巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,鉆孔偏移量較大。② 巖石堅(jiān)固性系數(shù)大, 鉆孔偏移量小; 巖石堅(jiān)固性系數(shù)小,鉆孔偏移量大。③ 巖層傾角和鉆孔傾角的夾角大，鉆孔偏移量??；巖層傾角和鉆孔傾角的夾角小，鉆孔偏移量大。④ 鉆機(jī)功率越大，鉆桿直徑越大，鉆孔偏移量越大。⑤ 鉆頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，鉆孔偏斜一般向右。⑥ 給定壓力適中、鉆進(jìn)速度適中時(shí)，隨著孔深增加，由于鉆具自重影響，鉆孔軌跡向下偏斜；給定壓力過(guò)大、鉆進(jìn)速度過(guò)快時(shí)，鉆孔軌跡向上偏斜。在鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中根據(jù)鉆孔群軌跡統(tǒng)計(jì)鉆場(chǎng)鉆孔偏移特性，包括各個(gè)鉆孔開(kāi)孔傾角偏差、開(kāi)孔方位角偏差、實(shí)鉆軌跡偏差等，將鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔按照一行或多行排列進(jìn)行傾角偏差統(tǒng)計(jì)，按照一列或多列進(jìn)行方位角偏差統(tǒng)計(jì)，給出一定傾角或一定方位角范圍內(nèi)，鉆孔的傾角或方位角偏差及偏差角度和鉆孔深度之間的擬合公式。

(2) 指導(dǎo)鉆孔軌跡調(diào)整。 根據(jù)鉆孔偏移特性，結(jié)合鉆孔軌跡偏移的一般規(guī)律，修改后續(xù)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡或設(shè)計(jì)補(bǔ)充鉆孔軌跡，修改或設(shè)計(jì)的依據(jù)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)的平均偏差(方位角偏差和傾角偏差)，在原設(shè)計(jì)參數(shù)上減去該平均偏差角度，即獲得新的設(shè)計(jì)參數(shù)。在鉆場(chǎng)地質(zhì)條件、鉆機(jī)型號(hào)、施工人員及施工工藝等條件不變的情況下，按照新的設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔施工可以保證鉆孔在煤層進(jìn)出點(diǎn)的位置落在設(shè)計(jì)位置附近，從而達(dá)到控制與消除瓦斯抽采盲區(qū)的目的。此外，鉆機(jī)操作人員可以通過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)壓力與鉆進(jìn)速度，人為控制軌跡傾角的變化達(dá)到鉆孔落點(diǎn)盡可能靠近設(shè)計(jì)位置,但這對(duì)鉆機(jī)操作人員的鉆探經(jīng)驗(yàn)要求很高。 根據(jù)鉆孔偏移特性設(shè)計(jì)的補(bǔ)充鉆孔方位和傾角如圖4和圖5所示。根據(jù)設(shè)計(jì)方位與實(shí)鉆方位角的偏差，在補(bǔ)充設(shè)計(jì)中人為反向增加該偏差，以保證補(bǔ)充實(shí)鉆軌跡落點(diǎn)與設(shè)計(jì)軌跡落點(diǎn)基本一致。

圖4 補(bǔ)充鉆孔方位角設(shè)計(jì)Fig.4 Design of azimuth angle of supplementary borehole

圖5 補(bǔ)充鉆孔傾角設(shè)計(jì)Fig.5 Design of dip angle of supplementary borehole

鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中鉆孔軌跡計(jì)算界面如圖7所示。

圖6 鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 Data processing flow of borehole data processing and 3D display software

圖7 鉆孔軌跡計(jì)算界面Fig.7 Borehole track computing interface

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

淮北礦業(yè)集團(tuán)某礦為治理瓦斯災(zāi)害，在井下施工大量穿層鉆孔、順層鉆孔及高位鉆孔等。采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對(duì)該礦866底抽巷14號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、20號(hào)、22號(hào)、24號(hào)鉆場(chǎng)共6個(gè)連續(xù)鉆場(chǎng)計(jì)257個(gè)鉆孔進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。866底抽巷位于8煤層底板下27～40 m，煤層底板下方為灰?guī)r層，各鉆場(chǎng)瓦斯穿層鉆孔軸向間距為5 m，列間距為5 m，鉆孔終孔穿過(guò)8煤層頂板約3 m。處理后的鉆孔群軌跡及煤層頂?shù)装宓娜S顯示如圖8所示。

圖8 鉆場(chǎng)鉆孔軌跡與煤層頂?shù)装迦S顯示Fig.8 3D display of borehole track and coal seam roof and floor

淮北礦業(yè)集團(tuán)某礦1035機(jī)巷底抽巷22號(hào)鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)鉆孔軌跡三維顯示如圖9所示。底抽巷瓦斯抽采鉆孔是由底抽巷頂板或側(cè)幫向上施工穿層鉆孔，使鉆孔穿過(guò)上方煤層中預(yù)掘巷道附近位置，以預(yù)先抽采煤層中預(yù)掘巷道周圍的瓦斯，保障后續(xù)預(yù)掘巷道掘進(jìn)施工的安全。根據(jù)實(shí)際抽采經(jīng)驗(yàn)，鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域?yàn)殂@孔周圍半徑為2.5 m的圓形區(qū)域。為保證預(yù)掘巷道周圍區(qū)域瓦斯抽采的全覆蓋，通常將鉆孔在煤層預(yù)掘進(jìn)巷道附近的落點(diǎn)設(shè)置為等間距，鉆孔進(jìn)出煤層的落點(diǎn)的行列間距均為4～6 m。雖然設(shè)計(jì)軌跡實(shí)現(xiàn)了鉆孔瓦斯抽采全覆蓋，但由于巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自質(zhì)量及鉆進(jìn)參數(shù)等多種因素的影響，鉆孔實(shí)鉆軌跡往往偏離設(shè)計(jì)軌跡，使得鉆孔瓦斯抽采不能實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋，從而出現(xiàn)了鉆孔覆蓋盲區(qū)，導(dǎo)致部分區(qū)域瓦斯未能抽采，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 1035機(jī)巷底抽巷22號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與煤層頂?shù)装迦S顯示Fig.9 3D display of borehole track and roof and floor of coal seam in No.22 drilling field of 1035 mine roadway

采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對(duì)22號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔覆蓋區(qū)域、實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域及補(bǔ)充鉆孔后的覆蓋區(qū)域進(jìn)行了顯示與評(píng)價(jià)，鉆孔覆蓋區(qū)域顯示如圖10所示。從圖10(a)可看出，設(shè)計(jì)鉆孔的抽采區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了預(yù)掘巷道周圍20 m半徑內(nèi)全覆蓋。從圖10(b)可看出，實(shí)鉆鉆孔的覆蓋區(qū)域只達(dá)到設(shè)計(jì)覆蓋區(qū)域的55%左右(綠色為實(shí)際鉆孔出煤點(diǎn),紅色表示實(shí)際鉆孔的抽采覆蓋區(qū)域)，在預(yù)掘巷道的中間部位及右上方、右下方存在較大的鉆孔抽采覆蓋盲區(qū)。通過(guò)實(shí)鉆鉆孔的三維顯示和對(duì)實(shí)鉆鉆孔偏移規(guī)律的分析，設(shè)計(jì)了補(bǔ)充鉆孔的軌跡，利用精準(zhǔn)開(kāi)孔技術(shù)和隨鉆軌跡測(cè)量技術(shù)對(duì)22號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行了補(bǔ)充鉆孔施工，補(bǔ)孔后鉆孔抽采覆蓋區(qū)域如圖10(c)所示(紅色為實(shí)際鉆孔的抽采覆蓋區(qū)域,藍(lán)色為補(bǔ)充鉆孔的抽采覆蓋區(qū)域)，此時(shí)鉆孔抽采區(qū)域達(dá)到了設(shè)計(jì)覆蓋區(qū)域的95%以上，擴(kuò)大了鉆孔瓦斯抽采覆蓋范圍，能有效控制或消除鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)。

(a) 設(shè)計(jì)鉆孔抽采覆蓋區(qū)域

(b) 實(shí)鉆鉆孔抽采覆蓋區(qū)域

(c) 補(bǔ)鉆后實(shí)鉆鉆孔抽采覆蓋區(qū)域

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件，該軟件具有鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維顯示、鉆孔偏移規(guī)律分析等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)、鉆孔深度數(shù)據(jù)的計(jì)算與挖掘、鉆孔偏移特性的統(tǒng)計(jì)分析。

(2) 該軟件解決了鉆場(chǎng)或巷道鉆孔群軌跡的三維顯示問(wèn)題，可直觀再現(xiàn)鉆孔軌跡與煤層的關(guān)系，為鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)的定量評(píng)價(jià)提供了一種新方法，能指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與施工工作，滿足施工現(xiàn)場(chǎng)多層次的實(shí)際需求。