鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件設(shè)計及應(yīng)用

王小龍，張 軍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下普遍采用鉆機施工瓦斯抽放鉆孔，通過預(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有定向鉆進[3-4]、回轉(zhuǎn)鉆進[5-6]。定向鉆進技術(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)鉆進施工方式。

在回轉(zhuǎn)鉆進施工中，常常采用隨鉆軌跡儀進行鉆孔軌跡隨鉆測量，或是鉆孔成孔后采用手推式鉆孔軌跡儀進行鉆孔軌跡測量。軌跡儀將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)保存在測量探管內(nèi)，測量完成后導(dǎo)出存儲的數(shù)據(jù)到軌跡儀控制器中，由軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件處理得到鉆孔軌跡[7-9]。

由于軌跡儀測量效率高、操作簡單，在煤礦井下得到廣泛的應(yīng)用。但其不足之處也很明顯：軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件只能實現(xiàn)單個鉆孔的軌跡圖，無法給出多個鉆孔軌跡的位置關(guān)系以及與煤層之間的關(guān)系；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，無法直觀反映鉆孔軌跡在三維空間中的形態(tài)；軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件無法分析瓦斯抽采盲區(qū)，無法給出后續(xù)鉆孔的指導(dǎo)軌跡。

目前，軌跡儀數(shù)據(jù)處理軟件雖能進行鉆孔軌跡的測量、顯示與存儲，但鉆孔數(shù)據(jù)處理功能薄弱，無法實現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)的分析與顯示，不具備指導(dǎo)鉆孔施工的功能，致使軌跡儀應(yīng)用受到較大限制，造成現(xiàn)場施工的諸多不便。

針對鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)分析及控制的實際需求，設(shè)計開發(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、功能強大、使用便利、操作簡單的特點，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，以及給出后續(xù)鉆孔指導(dǎo)軌跡，使得鉆孔施工人員全面掌握鉆孔信息，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系統(tǒng)

1.1 整體設(shè)計

煤礦井下回轉(zhuǎn)鉆進中，通常采用YZG7 隨鉆軌跡儀進行鉆孔軌跡測量。若在鉆孔施工中未能實現(xiàn)隨鉆測量，則在鉆孔成孔后可采用YQG1 手持式軌跡儀進行鉆孔軌跡測量。

采用YZG7 隨鉆軌跡儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行鉆孔數(shù)據(jù)采集。YZG7 隨鉆軌跡儀包括孔口控制器與鉆孔測量探管。鉆孔測量探管測量鉆孔的傾角、方位角、工具面向角等空間姿態(tài)參數(shù)，孔口控制器記錄測量時間，鉆孔施工完成起鉆后，連接孔口控制器與鉆孔測量探管，根據(jù)測量時間進行數(shù)據(jù)同步后，將鉆孔測量探管的姿態(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)分析及控制的實際需求，鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件開發(fā)了4 大功能：鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理、鉆孔深度及鉆孔軌跡計算、鉆孔軌跡三維建模與顯示及后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計指導(dǎo)。鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件模塊如圖1。

圖1 鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件模塊Fig.1 Module of borehole data processing and 3D display software

鉆孔預(yù)處理模塊包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、鉆場及鉆孔設(shè)計、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等，重點關(guān)注地磁偏角計算及數(shù)據(jù)野點的剔除。鉆孔深度及鉆孔軌跡計算模塊利用鉆孔水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合測點傾角數(shù)據(jù)實現(xiàn)鉆孔靜水壓力的提取及鉆孔深度的計算，同時實現(xiàn)鉆孔軌跡的計算及鉆孔測點坐標(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三維實體有效呈現(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、進煤面設(shè)計鉆孔覆蓋區(qū)域、進煤面實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域等顯示。鉆孔軌跡設(shè)計指導(dǎo)模塊給出鉆孔抽采盲區(qū)，并統(tǒng)計已有鉆孔軌跡的偏移特性，給出后續(xù)補充鉆孔施工的指導(dǎo)軌跡。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）多種數(shù)據(jù)格式的兼容性。經(jīng)過多年的開發(fā)推廣，目前已形成YZG7、YQG1、YZG3.7、YCSZ（A）等多款礦用隨鉆及非隨鉆軌跡測量設(shè)備。鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件在開發(fā)過程中要解決不同軌跡儀設(shè)備數(shù)據(jù)格式的兼容性問題，要能實現(xiàn)各種軌跡儀測量設(shè)備的數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

2）基于鉆孔水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的鉆孔深度計算。在底抽巷的上行鉆孔施工中，為了避免了鉆孔施工人員對鉆孔深度的謊報和誤報，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檢測鉆孔水壓數(shù)據(jù)中的靜水壓力數(shù)據(jù)，同時結(jié)合鉆孔傾角數(shù)據(jù)進行計算獲得鉆孔深度，是鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件需要解決的第2 個問題。

3）鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域的分析。鉆孔軌跡可以精確計算，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。但對于瓦斯抽采而言，關(guān)心的是鉆孔在進入煤層（進煤面）的落點和鉆孔在穿出煤層（出煤面）的落點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。為了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，如何拋卻三維空間鉆孔軌跡覆蓋區(qū)域量化的復(fù)雜性，合理簡化鉆孔軌跡覆蓋區(qū)域描述，直觀且量化表示鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域，是鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件需要解決的第3 個問題。

4）鉆孔偏移規(guī)律分析總結(jié)。在回轉(zhuǎn)鉆進的施工過程中，為獲取最佳的抽采效果，需要實鉆軌跡盡可能與設(shè)計軌跡一致，然而由于鉆孔軌跡易受巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自重及鉆進參數(shù)等多種因素的影響，實鉆軌跡總是偏離設(shè)計軌跡。實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)已有的實鉆軌跡與設(shè)計軌跡找到該鉆場鉆孔偏移的整體規(guī)律，在后續(xù)鉆孔施工中根據(jù)偏移規(guī)律重新設(shè)計鉆孔開孔傾角及方位角，使得鉆孔在煤層中的實際軌跡與設(shè)計軌跡盡可能吻合或是實際軌跡的落點盡可能處于鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)內(nèi)，從而達到控制與消除瓦斯抽采盲區(qū)的目的，是鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件需要解決的第4 個問題。

2 鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件功能

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊實現(xiàn)對軌跡儀測量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、鉆場與鉆孔設(shè)計、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等。

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入。通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入，可將電腦中或U盤中存儲的軌跡儀測量數(shù)據(jù)（XML 格式或EXCEL格式）加載到鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件中進行后續(xù)處理。

2）系統(tǒng)參數(shù)配置。在對鉆孔測量數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)前，需要對軟件的有關(guān)參數(shù)進行配置，具體包括地磁偏角設(shè)置、軌跡計算方法的選擇等。其中在磁偏角設(shè)置中給定了全國79 個不同礦區(qū)的磁偏角數(shù)值，用戶可根據(jù)實測地點選擇所屬礦區(qū)，該礦區(qū)的磁偏角數(shù)值會自動加載到軟件中參與相關(guān)計算。軌跡計算方法分為平均角法與校正平均角法，通常軟件默認選擇平均角法作為軌跡計算方法，可將鉆孔測量的角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化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）鉆場及鉆孔的設(shè)計。對鉆場進行管理，比如對鉆場進行施工用途、巖層分布、含水特性的備注說明。對鉆孔進行新建時，輸入主設(shè)計方位角、開孔傾角、開孔方位角等信息。新建鉆孔完成后，可輸入設(shè)計軌跡。

4）鉆孔測量數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。在使用鉆孔測量數(shù)據(jù)進行軌跡計算前，先進行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整和修正數(shù)據(jù)點，對鉆孔測量數(shù)據(jù)中的野點進行剔除，按七點平滑法進行插值補充。除此之外，可進行數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)刪除、按深度升序或降序進行數(shù)據(jù)排序等，以彌補操作失誤、遺漏采集等原因造成的錯誤。

2.2 鉆孔深度與軌跡計算模塊

鉆場深度與鉆孔軌跡計算模塊是對鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)和鉆孔水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深層處理，主要用于確定鉆孔深度及鉆孔軌跡的管理。

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L 計算。從連續(xù)監(jiān)測的巨量鉆孔水壓數(shù)據(jù)中，提取靜水壓力數(shù)據(jù)（鉆機水開關(guān)關(guān)閉時鉆桿內(nèi)的水壓數(shù)據(jù)），結(jié)合測量的傾角數(shù)據(jù)，計算鉆孔深度，并進行保存、輸出。具體方法是利用式（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）鉆孔軌跡計算。利用軌跡儀測量獲得的傾角和方位角及鉆孔深度數(shù)據(jù)，通過均角全距法將測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表示鉆孔軌跡的空間三維坐標(biāo)。在獲得水平位移，左右位移及上下位移后即可繪制鉆孔軌跡。根據(jù)軌跡計算獲得的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)繪制各個鉆孔的軌跡圖，包括相對于鉆孔坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖以及相對于地理坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖。具體方法為：

式中：x 為水平位移；y 為左右位移；z 為上下位移；βi為第i 個測點的傾角；αi為第i 個測點的方位角；α0為鉆孔主設(shè)計方位角；△Li為第i 個測段的長度。

4）三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)鉆孔坐標(biāo)到鉆場坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換以便于鉆孔的三維建模和三維顯示。針對鉆場或巷道中所有鉆孔，先在鉆場或巷道中規(guī)定1 個基準(zhǔn)零點，給定每個鉆孔起點相對于鉆場基準(zhǔn)點的三維坐標(biāo)值，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為鉆場坐標(biāo)。此外，根據(jù)鉆孔施工記錄給定鉆孔見煤深度、出煤深度及測點間距，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以確定鉆孔見煤點三維坐標(biāo)和出煤點三維坐標(biāo)，這些都方便了在三維空間中進行鉆場孔群的管理。

2.3 鉆孔三維建模與顯示

1）三維建模與顯示。鑒于Golden Software 公司推出的三維可視化軟件Voxler 在鉆孔軌跡可視化方面的優(yōu)勢，在鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中內(nèi)嵌了Voxler 軟件，通過調(diào)用Voxler 軟件，利用其功能強大、操作簡單的特點，可以實現(xiàn)鉆孔群軌跡的三維建模[10-11]。在三維顯示中，可以通過不同視角或任意平面的切片圖來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)計鉆孔覆蓋區(qū)域顯示和實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域顯示2 部分。三維顯示可以直觀顯示鉆孔的軌跡以及鉆孔穿過煤層的見煤點與出煤點，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在1～8 m，相對于鉆孔深度而言煤層很薄且煤層傾角普遍較小這一事實，采用將鉆孔進煤點與出煤點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，來直觀且定量描述鉆孔覆蓋區(qū)域。通過設(shè)計鉆孔覆蓋區(qū)域和實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域的對比，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)的位置及大小。

2.4 鉆孔軌跡設(shè)計指導(dǎo)

1）鉆孔偏移特性分析。根據(jù)鉆孔軌跡以及鉆孔軌跡在煤層中的分布情況，統(tǒng)計鉆場鉆孔偏移特性，總結(jié)鉆孔偏移規(guī)律。具體包括分析開孔傾角偏差，開孔方位角偏差，實鉆軌跡偏差，見煤點位置偏差，出煤點位置偏差等，統(tǒng)計各種偏差大小及分布，給出鉆孔偏移特性及規(guī)律。

2）鉆孔軌跡設(shè)計。根據(jù)鉆孔偏移特性，修改后續(xù)鉆孔設(shè)計軌跡或設(shè)計補充鉆孔軌跡，確定后續(xù)鉆孔或補充鉆孔的開孔傾角及方位角，使得在巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自重及鉆進參數(shù)等多種因素不變的情況下，鉆孔在煤層進出點的位置盡可能與設(shè)計位置一致，從而達到控制與消除瓦斯抽采盲區(qū)的目的。

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2。鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件中鉆孔軌跡計算界面如圖3。

圖2 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.2 Data processing flow of borehole data processing and 3D display software

圖3 鉆孔軌跡計算界面Fig.3 Borehole track computing interface

3 現(xiàn)場試驗

淮北礦業(yè)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該礦866 底抽巷14 號鉆場、16 號鉆場、18 號鉆場、20 號鉆場、22 號鉆場、24號鉆場共6 個連續(xù)鉆共計257 個鉆孔進行了數(shù)據(jù)處理。866 底抽巷位于8 煤層底板下約27～40 m，煤層底板下方位為灰?guī)r層，各鉆場瓦斯穿層鉆孔軸向間距5 m，列間距5 m，鉆孔終孔穿過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4。

圖4 12～22 號鉆場鉆孔軌跡與煤層頂?shù)装迦S顯示Fig.4 3D display of borehole track and coal seam roof and floor of 12—24 drilling field

淮北礦業(yè)某礦1035 機巷底抽巷22 號鉆場設(shè)計鉆孔軌跡三維顯示如圖5。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)掘巷道掘進施工的安全。根據(jù)實際抽采經(jīng)驗，鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域為鉆孔周圍半徑2.5 m 的范圍。為保證預(yù)掘巷道周圍區(qū)域瓦斯抽采的全覆蓋，通常鉆孔設(shè)計將鉆孔在煤層預(yù)掘進巷道附近的落點設(shè)置為等間距，鉆孔進出煤層的落點其行列間距均為4～6 m 左右。雖然設(shè)計軌跡實現(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、鉆桿自重及鉆進參數(shù)等多種因素的影響，鉆孔實鉆軌跡往往偏離設(shè)計軌跡，使得鉆孔瓦斯抽采不能實現(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)域瓦斯未能抽采泄壓存在安全風(fēng)險。

圖5 1035 機巷底抽巷22 號鉆場設(shè)計鉆孔軌跡與煤層頂?shù)装迦S顯示Fig.5 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22 號鉆場設(shè)計鉆孔覆蓋區(qū)域、實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域及補充鉆孔后的覆蓋區(qū)域進行了顯示與評價，鉆孔設(shè)計、實鉆及補鉆施工后抽采覆蓋區(qū)域圖對比如圖6。

圖6 鉆孔設(shè)計、實鉆及補鉆施工后抽采覆蓋區(qū)域圖對比Fig.6 The comparison of borehole design coverage area, actual drilling coverage area and coverage area after supplementary drilling

從圖6（a）可以看到設(shè)計鉆孔的抽采區(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6（b）可以看到實鉆鉆孔的覆蓋區(qū)域只達到設(shè)計覆蓋區(qū)域的55%左右，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)。通過實鉆鉆孔的三維顯示和對實鉆鉆孔偏移規(guī)律的分析，設(shè)計了補充鉆孔的軌跡，利用精準(zhǔn)開孔技術(shù)和隨鉆軌跡測量技術(shù)對22 號鉆場進行了補充鉆孔施工，補孔后鉆孔抽采覆蓋區(qū)域圖如圖6（c），補孔后鉆孔抽采區(qū)域達到設(shè)計覆蓋區(qū)域的95%以上，大大提高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)。

4 結(jié) 語

1）開發(fā)了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件，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，可實現(xiàn)對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)、鉆孔深度數(shù)據(jù)的計算與挖掘、鉆孔偏移特性的統(tǒng)計分析。

2）軟件解決了鉆場或巷道鉆孔群軌跡的三維顯示，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)的定量評價提供了方法與指標(biāo)，能指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計與施工工作，可滿足施工現(xiàn)場多層次的實際需求。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明，鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件為鉆孔群數(shù)據(jù)可視化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了一個良好的工具和平臺。該軟件功能全面、操作簡單，可使鉆孔施工人員更加全面掌握鉆孔信息，可以促進煤礦信息化、自動化建設(shè)。