礦井多煤層瓦斯穿層抽放鉆孔軌跡測量技術(shù)

王軍鋒，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。嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，可能摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，使巷道充滿瓦斯與粉塵，造成煤塵和瓦斯爆炸等嚴(yán)重后果。

煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生嚴(yán)重制約了礦井的健康發(fā)展。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設(shè)計(jì)的合理性、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給煤層瓦斯消突工作帶來重大隱患。

針對以上問題，程建圣[1]研究了穿層鉆孔全程篩管下放瓦斯抽采技術(shù)原理及工藝。劉軍[2]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。徐青偉[3]等研究利用“三花眼”布孔方式與縮短抽采鉆孔間距布孔方式。李鵬[4]測定預(yù)抽鉆孔的成孔軌跡，確定鉆孔在不同方向上的偏斜量。董洪凱[5]建立了煤層流—固耦合模擬方程，通過對模擬結(jié)果分析確定了抽采空白帶范圍。李克松[6]等研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測量系統(tǒng)，通過計(jì)算得到實(shí)際鉆孔軌跡。向真才[7]對鉆孔隨鉆軌跡進(jìn)行分析，分析順層抽采鉆孔空白帶情況，陳睿[8]研發(fā)了對抽采鉆孔布孔合理性進(jìn)行智能評判的系統(tǒng)。黃麟森[9]提出了適合于煤礦井下鉆孔測量系統(tǒng)藍(lán)牙無線傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了同步機(jī)和測斜儀之間的數(shù)據(jù)傳輸。秦怡[10]提出適用于同步機(jī)和測斜儀之間的無線通訊策略，實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的精確傳輸。王鵬[11]對比分析了綜放工作面空白帶施工釋放孔與煤層注水孔后對工作面回采時(shí)瓦斯涌出的影響。張軍[12-13]研究了鉆孔深度測量計(jì)算方法，隨鉆鉆孔三維軌跡測量技術(shù)。

通過鉆孔軌跡測量設(shè)備的使用，掌握鉆孔施工中的軌跡參數(shù)，包括鉆孔開孔傾角、方位角，鉆孔鉆進(jìn)過程中的鉆孔軌跡。通過對穿層鉆孔的軌跡測量，為實(shí)現(xiàn)透明掘進(jìn)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。通過對鉆孔參數(shù)的測量，分析鉆孔覆蓋區(qū)域與范圍，減小鉆孔覆蓋空白帶，提高鉆場后續(xù)施工設(shè)計(jì)效果，提高瓦斯預(yù)抽效果。

現(xiàn)場測量鉆孔軌跡，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，利用鉆孔軌跡，分析鉆孔軌跡數(shù)據(jù)及鉆孔偏移規(guī)律。依據(jù)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，對鉆場、巷道、煤層、預(yù)掘巷道、鉆孔軌跡進(jìn)行三維顯示，提高鉆孔施工效果，減少鉆孔覆蓋空白帶。

1 礦井地質(zhì)概況

煤礦位于貴州省盤縣東北部，煤層細(xì)—中條帶狀,見少量寬條帶；玻璃光澤和瀝青光澤為主；斷口主要為貝殼狀，見少量參差狀；質(zhì)松軟、性脆，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育。局部煤巖中含少量星點(diǎn)狀、蠕蟲狀黃鐵礦，發(fā)育內(nèi)生裂隙，宏觀煤巖類型為光亮型、暗淡型為主，半暗型次之，微觀煤巖類型為微鏡惰煤，煤質(zhì)為低灰—中高灰、特低硫、高揮發(fā)份、低磷、低固定碳、高發(fā)熱量，其工業(yè)用途可作動力用煤和民用煤。

含煤地層賦存于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，全區(qū)可采煤層8層。各煤層均以亮煤和暗煤為主，含鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鉆孔勘探施工運(yùn)輸大巷為直墻半圓拱形斷面，采用錨網(wǎng)、錨索、噴漿聯(lián)合支護(hù)，巷道規(guī)格為下凈寬中高，巷道工作面標(biāo)高1300m，工作面埋深550m，周邊鄰近不受其它采掘影響。

2 技術(shù)措施

煤礦在井下進(jìn)行瓦斯抽放鉆孔施工中，由于受到煤層賦存條件、鉆桿鉆具的磨損、操作鉆機(jī)人員等因素的影響，很難保證鉆孔的實(shí)鉆軌跡能按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。導(dǎo)致瓦斯抽放空白帶的存在，增加瓦斯局部突出和超限的危險(xiǎn)，導(dǎo)致瓦斯抽放不充分。

利用隨鉆鉆孔軌跡測量系統(tǒng)對鉆孔施工過程中監(jiān)測鉆頭的軌跡，確保鉆孔按照設(shè)計(jì)角度進(jìn)行鉆進(jìn)。在監(jiān)測鉆孔走向的同時(shí)，采集鉆孔各位置的傾角、方位角、深度等參數(shù)，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，分析鉆孔軌跡數(shù)據(jù)及鉆孔偏移規(guī)律。

礦井在運(yùn)輸大巷側(cè)幫設(shè)計(jì)穿層抽采鉆孔預(yù)抽運(yùn)輸巷條帶煤層瓦斯，鉆孔分組布孔，組與組間距為4m，每組分兩豎排，每一豎排為4個(gè)鉆孔（鉆孔布置在同一垂直線上），豎排與豎排間距為2m。每組鉆孔平均長度為105m，鉆孔終孔控制到煤層層面方向往上20m，往下15m范圍。其中，煤層厚度平均為2.0m，該標(biāo)高煤層平均傾角為20°。

依據(jù)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，對鉆場、巷道、煤層、預(yù)掘巷道、鉆孔軌跡進(jìn)行三維顯示，顯示鉆孔軌跡與煤層的三維空間位置關(guān)系。分析鉆孔覆蓋區(qū)域，減小瓦斯抽放空白帶，減少瓦斯突出的危險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

鉆孔軌跡儀可對已經(jīng)下過篩管的瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行測量，該設(shè)備具有測量精度高、操作簡單、施工方便、便攜可靠等特點(diǎn)，鉆孔軌跡儀如圖1所示。

圖1 鉆孔軌跡儀

鉆場的鉆孔設(shè)計(jì)控制到22#煤層層位方向向上22m，向下14m。在巷道橫向方向每2m一組鉆場，每組鉆場縱向布置8個(gè)鉆孔，鉆孔平均深度100～130m。鉆孔設(shè)計(jì)開孔傾角在-2.5°～12°，鉆孔設(shè)計(jì)方位角為135°，設(shè)計(jì)鉆孔布置方式如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)鉆孔剖面圖

通過對巷道的鉆孔進(jìn)行隨鉆鉆孔軌跡測量，得到對應(yīng)的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)。通過對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出鉆場中每個(gè)鉆孔的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的剖面圖與水平面圖，如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與實(shí)際鉆孔軌跡剖面圖

圖4 設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與實(shí)際鉆孔軌跡平面圖

由圖3、圖4可以看出，鉆孔實(shí)鉆軌跡傾角會隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，測量鉆孔100m深度平均向上偏差10m左右。方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，測量鉆孔100m 深度平均向右偏差5m 左右。實(shí)際測量鉆孔開孔傾角在-3.1°～12.3°之間，測量鉆孔開孔方位角在131.45°～140.95°之間，實(shí)際測量開孔方位角平均較設(shè)計(jì)開孔方位角大2°，測量開孔傾角與設(shè)計(jì)傾角偏差較小，開孔方位角與設(shè)計(jì)偏差較大。

通過對鉆場每個(gè)鉆孔軌跡的隨鉆測量，可以掌握每個(gè)鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理及三維顯示，可以在三維空間中直觀地展示出每個(gè)鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，顯示每個(gè)鉆孔軌跡與不同煤層之間的位置關(guān)系。

圖5中，實(shí)線為設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，點(diǎn)畫線為實(shí)測鉆孔軌跡，層狀體為設(shè)計(jì)煤層，框體為巷道。由圖5（a）可以看出，鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實(shí)鉆軌跡相對于設(shè)計(jì)軌跡普遍呈向右偏移趨勢。由圖5（b）可以看出，測量鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實(shí)鉆軌跡相對于設(shè)計(jì)軌跡普遍呈現(xiàn)向上偏移趨勢。由圖5（c）可以看出，測量鉆孔軌跡沒有穿過預(yù)掘巷道位置，鉆孔的實(shí)鉆軌跡均偏離鉆孔設(shè)計(jì)，這為瓦斯與抽采效果及煤層巷道的掘進(jìn)埋下了隱患。

圖5 鉆孔軌跡三維成果圖

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆孔實(shí)鉆軌跡傾角會隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，偏移距離均隨著鉆孔深度增大而增大。鉆孔軌跡儀在現(xiàn)場使用適應(yīng)性較好，穿層鉆孔測量孔深在100～110m左右，鉆孔軌跡測量時(shí)間較短，儀器操作簡單、可靠，滿足了煤礦的使用要求。

4 結(jié)論

通過對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，分析了鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維顯示、鉆孔偏移規(guī)律，分析了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)、鉆孔偏移特性。

通過對鉆孔軌跡偏移規(guī)律的分析，可以提前對進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)修改或采取補(bǔ)孔措施。可有效提高鉆孔施工效果，減少鉆孔施工空白帶的影響。

為保證瓦斯抽采鉆孔群的抽采效果，建議在鉆孔施工過程中使用鉆孔軌跡測量技術(shù)，對鉆孔進(jìn)行開孔及鉆孔軌跡測量。為鉆孔瓦斯抽采空白帶的定量評價(jià)提供方法與指標(biāo)，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與施工。