基于鉆孔軌跡精確測(cè)量的瓦斯抽采鉆孔群空白帶控制技術(shù)

張 軍，王霄菲，王小龍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害，將對(duì)礦井及社會(huì)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的負(fù)面影響。防治煤與瓦斯突出災(zāi)害是煤礦需要研究的重要課題。煤層瓦斯預(yù)抽是防治煤與瓦斯突出的主要措施，煤層瓦斯預(yù)抽主要方法是打鉆孔預(yù)抽煤層中的瓦斯。影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的因素主要有鉆孔成孔情況、鉆孔分布、封孔效果等，其中因?yàn)殂@孔施工不到位而留有空白帶會(huì)給煤層瓦斯消突工作帶來(lái)隱患。劉軍[1]等研究了抽采時(shí)間、鉆孔間距和瓦斯抽采有效影響半徑的關(guān)系；李克松[2]等研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際鉆孔軌跡；徐青偉[3]等對(duì)鉆孔布置方式進(jìn)行調(diào)整，利用“三花眼”布孔方式與縮短抽采鉆孔間距布孔方式；董洪凱[4]建立了煤層流-固耦合模擬方程，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析確定了抽采空白帶范圍；向真才[5]對(duì)鉆孔隨鉆軌跡進(jìn)行分析，分析了順層抽采鉆孔空白帶情況；李鵬[6]測(cè)定預(yù)抽鉆孔的成孔軌跡，確定鉆孔在不同方向上的偏斜量；李普[7]等研究了典型穿層鉆孔間抽采空白帶的存在形式；高珺[8]等進(jìn)行隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)聲波傳輸?shù)难芯?；石智軍[9]等提出了在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定向鉆探的基礎(chǔ)上向智能化定向鉆探邁進(jìn)的發(fā)展路徑；王鵬[10]研究了工作面空白帶注水孔高壓注水后可保證工作面安全高效回采；陳睿[11]研發(fā)了可根據(jù)工程平面圖模擬煤層真實(shí)賦存狀態(tài)，并對(duì)抽采鉆孔布孔合理性進(jìn)行智能評(píng)判的系統(tǒng)。通過(guò)鉆孔開(kāi)孔分布以及軌跡測(cè)量技術(shù)的研究，對(duì)改善鉆孔覆蓋空白帶起到了一定的作用，但針對(duì)這方面的研究還不夠深入。分析認(rèn)為需要從鉆孔施工全過(guò)程做起，充分掌握鉆孔施工中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，主要包括鉆孔開(kāi)孔傾角、方位角，鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆孔軌跡，見(jiàn)煤層位置、出煤層位置等。為此，通過(guò)對(duì)鉆孔各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，分析鉆孔覆蓋區(qū)域與范圍，減小鉆孔覆蓋空白帶，提高鉆場(chǎng)后續(xù)施工設(shè)計(jì)效果，同時(shí)提高瓦斯預(yù)抽采效果。

1 抽采空白帶產(chǎn)生的因素

造成鉆孔空白帶主要有2個(gè)方面的原因：

1）抽采鉆孔間距過(guò)大，鉆孔工程量不足，影響抽采效果。通過(guò)不同間距預(yù)抽鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以分析結(jié)果與瓦斯抽采數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)預(yù)抽鉆孔布孔方式進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［3］等在這方面都做過(guò)相關(guān)研究，并在實(shí)踐生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

2）造成瓦斯抽采鉆孔空白帶的另一個(gè)主要因素，是鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔軌跡因地層環(huán)境等因素影響產(chǎn)生彎曲，將會(huì)在煤層中造成抽采空白帶，無(wú)法按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)入煤層，影響煤層瓦斯抽采效果。針對(duì)這方面的影響的研究較少，這里將對(duì)這方面的技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)

鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)主要由鉆孔開(kāi)孔精確測(cè)量技術(shù)和鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)組成。鉆孔開(kāi)孔精確測(cè)量技術(shù)主要是由光纖陀螺、MEMS陀螺及相關(guān)電路組成；鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)主要由鉆孔測(cè)量硬件，數(shù)據(jù)計(jì)算及三維顯示軟件組成。

2.1 鉆孔軌跡精確測(cè)量技術(shù)

鉆孔軌跡精確測(cè)量系統(tǒng)主要包括鉆機(jī)開(kāi)孔姿態(tài)精確測(cè)量與鉆孔軌跡精確測(cè)量。鉆孔開(kāi)孔姿態(tài)精確測(cè)量使用光纖陀螺作為測(cè)量傳感器，可以隨著鉆機(jī)姿態(tài)變化實(shí)時(shí)精確測(cè)量鉆孔開(kāi)孔傾角與方位角，保證鉆機(jī)開(kāi)孔姿態(tài)準(zhǔn)確。鉆孔軌跡測(cè)量可隨鉆測(cè)量鉆孔軌跡，也可以成孔后進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，測(cè)量完成后可計(jì)算鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，繪制鉆孔軌跡二維、三維圖。通過(guò)對(duì)鉆機(jī)開(kāi)孔姿態(tài)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量與鉆孔軌跡的測(cè)量，可以精準(zhǔn)掌握鉆孔的延伸變化情況。

鉆機(jī)開(kāi)孔定向技術(shù)主要是采用光纖陀螺的尋北系統(tǒng)。它為整個(gè)方案提供方位基準(zhǔn)，尋北精度決定了裝備的整體精度。系統(tǒng)采用濾波的數(shù)據(jù)處理方法減小光纖陀螺的隨機(jī)漂移誤差，完成不同條件下系統(tǒng)尋北的精度。

傾角和真方位角是鉆機(jī)開(kāi)孔定向的關(guān)鍵參數(shù)。尋北系統(tǒng)采用高精度單軸光纖陀螺進(jìn)行尋北，得到傾角、方位角的初始基準(zhǔn)。尋北方法因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、尋北速度快等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。在尋北完成后采用三軸MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)組合進(jìn)行姿態(tài)動(dòng)態(tài)跟蹤。施工時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的方位角和傾斜角，將定向儀放置在鉆場(chǎng)附近的水平處，進(jìn)行尋北；尋北完成后，將定向儀放置在鉆機(jī)導(dǎo)軌處，在調(diào)整鉆機(jī)姿態(tài)的同時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鉆機(jī)傾角和方位角，直至鉆機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)角度。

在鉆機(jī)完成開(kāi)孔后，鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中可以進(jìn)行隨鉆軌跡的測(cè)量，也可以在鉆孔鉆進(jìn)完成后進(jìn)行鉆孔軌跡的測(cè)量。測(cè)量完成后對(duì)測(cè)量的鉆孔傾角、方位角、鉆孔深度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。鉆孔軌跡計(jì)算是對(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，主要用于確定鉆孔軌跡的管理。計(jì)算通過(guò)均角全距法將測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鉆孔軌跡的三維空間坐標(biāo)。具體算法是利用公式:

式中：x為水平方向（前后）位移；y為左右位移；z為上下位移；△Li為第i個(gè)測(cè)段的長(zhǎng)度；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。

根據(jù)軌跡計(jì)算獲得的鉆孔軌跡數(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。

2.2 鉆孔軌跡三維坐標(biāo)計(jì)算與顯示

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，實(shí)現(xiàn)了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1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)。根據(jù)鉆孔施工記錄給定鉆孔見(jiàn)煤深度、出煤深度，同時(shí)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)。

在計(jì)算鉆孔軌跡在空間的三維坐標(biāo)后，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。通過(guò)鉆孔軌跡的三維空間展示，可以改善傳統(tǒng)鉆孔軌跡二維平面顯示的弊端，更加直觀的展示鉆孔軌跡在三維空間的分布。通過(guò)鉆孔軌跡的空間分布分析鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工，合理簡(jiǎn)化鉆孔軌跡覆蓋區(qū)域描述，直觀表示鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域。鉆孔設(shè)計(jì)軌跡圖如圖1。

圖1 鉆孔設(shè)計(jì)軌跡圖Fig.1 Trajectory diagram of drilling design

由圖1（a）可以看出，二維鉆孔軌跡設(shè)計(jì)可以由平面觀察鉆孔軌跡與鉆場(chǎng)相對(duì)位置。由圖1（b）可以看出，鉆孔三維軌跡圖可以顯示巷道、鉆場(chǎng)、鉆孔軌跡、煤層等與鉆孔相關(guān)的信息。其中鉆孔軌跡顯示包括設(shè)計(jì)鉆孔軌跡顯示和實(shí)鉆鉆孔軌跡顯示2部分。三維顯示可以直觀顯示鉆孔的軌跡以及鉆孔穿過(guò)煤層的見(jiàn)煤點(diǎn)與出煤點(diǎn)。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)域由三維空間投影到水平面的方法，定量描述鉆孔覆蓋范圍。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，確定鉆孔瓦斯抽采空白帶的位置及大小。

2.3 鉆孔偏移規(guī)律

瓦斯抽采鉆孔關(guān)注鉆孔進(jìn)入煤層的位置、鉆孔穿出煤層的位置、鉆孔在煤層中覆蓋的區(qū)域。只有掌握了鉆孔的數(shù)據(jù)參數(shù)，才能了解是否存在鉆孔覆蓋空白帶及空白帶位置，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工。在鉆孔施工中，鉆孔軌跡在受到巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自重及鉆進(jìn)參數(shù)等多種因素的影響下，實(shí)鉆軌跡總是偏離設(shè)計(jì)軌跡。這樣就會(huì)在煤層中產(chǎn)生鉆孔覆蓋空白帶，影響瓦斯抽采效果。需要根據(jù)已有實(shí)鉆軌跡與鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)找到鉆孔偏移的整體規(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，使得鉆孔實(shí)際軌跡的落點(diǎn)盡可能處于鉆孔瓦斯抽采空白帶內(nèi)。

鉆孔軌跡偏移規(guī)律分析需要考慮巖層性質(zhì)、鉆機(jī)類型、鉆進(jìn)壓力等諸多因素。在同一鉆場(chǎng)，相同鉆機(jī)、相同鉆進(jìn)參數(shù)的情況下，鉆孔偏移規(guī)律的統(tǒng)計(jì)則主要考慮不同鉆孔傾角、方位角的偏移規(guī)律。首先對(duì)鉆場(chǎng)鉆孔按照傾角、方位角進(jìn)行分類，分類原則是傾角、方位角相近的鉆孔歸為一類進(jìn)行偏移規(guī)律分析。鉆孔偏移規(guī)律統(tǒng)計(jì)主要依據(jù)鉆孔開(kāi)孔傾角、方位角參數(shù)，通過(guò)鉆孔全孔各個(gè)測(cè)點(diǎn)傾角、方位角與開(kāi)孔傾角、方位角進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得到鉆孔偏移規(guī)律。鉆孔偏移計(jì)算方法示意圖如圖2。

圖2 鉆孔偏移計(jì)算方法示意圖Fig.2 Sketch map of borehole migration calculation method

鉆孔軌跡偏移計(jì)算方法是對(duì)鉆孔軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)的深層處理，主要用于確定鉆孔軌跡的延伸方向與實(shí)際見(jiàn)煤位置、出煤位置。通過(guò)實(shí)測(cè)鉆孔每個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角或方位角數(shù)據(jù)與開(kāi)孔傾角或方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算任意測(cè)點(diǎn)位置與開(kāi)孔傾角或方位角之間的變化量。具體計(jì)算如下：

式中：θ′為鉆孔實(shí)測(cè)傾角或方位角與開(kāi)孔傾角或方位角之間的偏差；θ1、θ2、…、θn為鉆孔軌跡實(shí)測(cè)傾角或方位角；θ為鉆孔開(kāi)孔傾角或方位角。

根據(jù)鉆孔軌跡以及鉆孔軌跡在煤層中的分布情況，總結(jié)鉆孔偏移規(guī)律。具體包括分析開(kāi)孔傾角偏差，開(kāi)孔方位角偏差，實(shí)鉆軌跡偏差，見(jiàn)煤點(diǎn)位置偏差，出煤點(diǎn)位置偏差等，統(tǒng)計(jì)各種偏差大小及分布，給出鉆孔偏移特性及規(guī)律。以開(kāi)孔傾角范圍在50°～55°之間為例統(tǒng)計(jì)軌跡偏差。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中存在傾角沿鉆孔鉆進(jìn)方向向更大傾角延伸，即鉆孔越深，鉆孔傾角越大。通過(guò)對(duì)其他不同大小鉆孔傾角分析，也存在這樣的現(xiàn)象。同時(shí)存在鉆孔沿鉆孔鉆進(jìn)方向向右延伸，即鉆孔越深，鉆孔軌跡越向右偏。

根據(jù)鉆孔偏移特性，修改后續(xù)鉆孔設(shè)計(jì)，確定后續(xù)鉆孔或補(bǔ)充鉆孔的開(kāi)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(jìn)參數(shù)等多種因素不變的情況下，鉆孔在煤層進(jìn)出點(diǎn)的位置盡可能與設(shè)計(jì)位置一致，達(dá)到控制與消除瓦斯抽采空白帶的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

淮北礦業(yè)某礦為治理瓦斯災(zāi)害，在井下施工大量底抽巷道穿層鉆孔。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，預(yù)先抽采煤層中預(yù)掘巷道周圍的瓦斯。采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對(duì)該礦鉆孔進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。底抽巷位于煤層底板下約30～70m位置，各鉆場(chǎng)瓦斯穿層鉆孔開(kāi)孔軸向間距0.5m，列間距0.5m；見(jiàn)煤點(diǎn)軸向間距5m，列間距5m。二維軌跡設(shè)計(jì)圖如圖3。鉆孔軌跡與煤層三維顯示圖如圖4。由圖4可以看出，鉆場(chǎng)、煤層以及與實(shí)際鉆孔軌跡的相對(duì)位置關(guān)系。

圖3 二維軌跡設(shè)計(jì)圖Fig.32 D trajectory design

圖4 鉆孔軌跡與煤層三維顯示圖Fig.43 D display of borehole track and coal seam roof and floor

根據(jù)該礦實(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2.5m的范圍以內(nèi)。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(jì)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)其行列間距均為5m左右。雖然設(shè)計(jì)軌跡實(shí)現(xiàn)了鉆孔瓦斯抽采全覆蓋，但由于前述多種因素的影響，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)了鉆孔覆蓋空白帶，導(dǎo)致部分區(qū)域瓦斯未能抽采泄壓存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

鉆孔覆蓋區(qū)空白帶分析就是基于鉆孔軌跡偏移規(guī)律計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，根據(jù)已測(cè)鉆孔軌跡偏移規(guī)律，設(shè)計(jì)未鉆進(jìn)鉆孔開(kāi)孔傾角、方位角等參數(shù)，減小、控制鉆孔覆蓋空白帶，提高瓦斯抽采效果。

采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對(duì)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)，實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域如圖5。

圖5 實(shí)鉆鉆孔覆蓋區(qū)域Fig.5 Drill holes coverage area

由圖5可以看出，鉆孔施工完成后仍有部分區(qū)域存在空白帶（紅圈處）。通過(guò)實(shí)鉆鉆孔軌跡的三維顯示和對(duì)實(shí)鉆鉆孔偏移規(guī)律的分析，可以更加合理地設(shè)計(jì)鉆孔開(kāi)孔參數(shù)，控制鉆孔的覆蓋區(qū)域，利用開(kāi)孔精準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)和鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)對(duì)鉆場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)充鉆孔施工，提高了鉆孔瓦斯抽采覆蓋范圍，消除鉆孔瓦斯抽采空白帶，提高了瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）開(kāi)發(fā)了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件，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)、鉆孔偏移特性的分析。

2）解決了鉆場(chǎng)、巷道、煤層、預(yù)掘進(jìn)巷道、鉆孔軌跡群的三維顯示，直觀顯示鉆孔軌跡與煤層的三維空間位置關(guān)系。通過(guò)對(duì)鉆孔偏移規(guī)律的分析，提高了鉆孔施工效果，減少了鉆孔覆蓋空白帶。為鉆孔瓦斯抽采空白帶的定量評(píng)價(jià)提供了方法與指標(biāo)，能指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與施工。

3）鉆孔軌跡偏移規(guī)律數(shù)據(jù)分析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(gè)良好的工具和平臺(tái)。數(shù)據(jù)計(jì)算與三維顯示功能全面、操作簡(jiǎn)單，可使鉆孔施工人員更加全面掌握鉆孔信息。