煤礦井下隨鉆測量技術及鉆孔軌跡數據處理方法研究

徐冠男

摘 要：在煤礦生產作業中，為確保生產效率及安全，多會采取定向鉆進技術，確保煤礦生產鉆進工作的有效控制。研制我國煤礦井下隨鉆測量技術，探究鉆孔孔跡數據處理方法，其具備著極為顯著的實踐應用價值。從一般水平定向鉆進入手，分析水平定向鉆孔軌跡的基本要素，探究煤礦井下水平定向孔軌跡的一般形式和描述方法，提出一定的鉆孔孔跡數據處理方法。

關鍵詞：煤礦井下隨鉆測量技術；鉆孔軌跡；數據處理

1 一般水平定向鉆進鉆孔軌跡

一般意義上的水平定位鉆進，多選擇以地面作為參照，并進行相應空間坐標系建立。在煤礦生產作業中，其水平定向鉆孔則需要依據井下鉆場為參照，建立相關的空間坐標系。為確保鉆孔鉆井精度及效率，需要綜合考慮礦井實際狀況，確?？臻g坐標系建立準確性，并研究表征鉆孔貴軌跡空間位置的實際點、線、面與角之間所存在的具體關系，確定描述鉆孔軌跡的方法及相關計算方法，將其作為鉆孔軌跡設計與鉆孔軌跡數據信息處理的理論基礎。定向鉆孔軌跡，以空間曲線參數作為劃分標準，則可以分為設計鉆孔軌跡、實際鉆孔軌跡與實測鉆鉆孔軌跡。其中實際鉆孔軌跡，指的是鉆頭鉆進過程中由鉆頭中心點沿著鉆孔軸移動所形成的實際的幾何路徑，其鉆孔軌跡，是由眾多點組合而成。然而在實際操作過程中，受條件限制無法對鉆孔軌跡中的所有點實施測量，因此其實際鉆孔跪進僅僅具備抽象意義，無法將其完整繪制展示。鉆孔實測軌跡，指的是在鉆進過程中，對實際軌跡中存在的某些特定點執行測量操作獲得的軌跡，這些店稱之為測點，以測點為基礎，繪制出的鉆孔軌跡表現為折線，折線與實際軌跡之間所具備的近似程度，是由測點的密集程度來決定的。

媒礦井下水平定向鉆孔軌跡空間坐標作為基礎，逐步實現鉆孔軌跡描述與繪制作業。其操作步驟主要為：第一，依據區域特征及實際，建立鉆孔軌跡空間坐標系，對鉆孔軌跡所處于的實際空間位置進行確定。傳統方式的地面鉆孔，多會選擇以地面作為參照，依據鉆孔表現的方向，多將向下方向作為垂直軸，設置為Z，表示正方向，然而井下鉆孔作業，不僅僅存在著垂直孔與下斜孔，還存在著近水平孔，鉆有上仰孔，且其鉆孔地點均位于地面以下，為方便研究與描述其鉆孔鉆進狀態，其基本參照物多選擇井下鉆場，依據其參照體系，構建出垂直于軸向上為正方向的煤礦井下鉆孔坐標系。第二，地面鉆井作業中，其關于井斜的描述，多是選擇鉆孔垂直軸及軸線之間所存在的夾角作為重要參數來表示。然而煤礦井下鉆孔，多選擇水平面與鉆孔軸線之間的仰角作為重要參數值，且考慮到地面情況與井下條件下，其X，Y軸在正反向取向上保持著一致性，然而在坐標系中，Z軸方向卻存在著相反性。地面坐標系中，多將Z軸向下作為坐標系正方向，其坐標系統滿足右手螺旋法則。在井下坐標系統中，則多將Z軸向上作為坐標系正方向，此時坐標系則滿足左手螺旋法則。具體如圖1所示。

2 水平定向鉆孔軌跡的基本要素

在實際開展水平定位鉆孔軌跡設計操作、測量操作及數據信息處理的過程中，一般多選擇鉆孔軌跡L中的某一個測點作為研究的基礎對象，其選擇測點所相應的孔深、傾角與方位角，則被稱之為水平定向鉆孔軌跡的基本要素。依據相關理論，則測點數據信息僅表現了該點位置的空間位置，測點位置的切線則表示為鉆進過程中的前進方向線，亦被稱之為鉆孔當前軸線，可以通過鉆孔當前軸線、來表述測點附近一段鉆孔軌跡。測量數據的處理操作與鉆孔孔跡繪制，其對鉆孔軸線的繪制，均是依據鉆孔軸線進行操作的。為確保鉆孔軌跡繪制及描述的準確性，要求對鉆孔孔跡中存在的測點相應的孔深、傾角與方位角基本要素進行精確處理。在其基本要素中，理論孔深定義為：測點位置所具備的實際鉆孔深度值，在近水平鉆孔中，多指的是孔口位置到測點鉆孔曲線之間的實際長度值，多采取鉆桿進行測量，一般用L進行孔深記錄；傾角：是指鉆孔當前點的切線與水平面之間的最小夾角；方位角：是指鉆扎當前點的切線在水平面的投影與北向（N軸）之間的夾角；設計方位錢：開孔方位線在水平面上的投影，代表鉆孔深度廷伸主方向。

3 煤礦井下水平定向孔軌跡的一般形式和描述方法

在煤礦生產過程中，尤其是高瓦斯礦井，從瓦斯治理和利用的角度出發，經常需要在煤層及其頂板或底板中布置一系列的鉆孔用于抽采或釋放瓦斯，以確保生產安全。根據鉆孔的目的和用途不同主要分為預抽鉆孔、防突鉆孔兩種。根據抽采瓦斯的位且或來源不同，水平定向鉆孔主要分為本煤層預抽孔、頂板高位孔、底板穿層孔等形式。

本煤層預抽鉆孔的布且形式預抽鉆孔一般情況都布宜在煤層厚度大、透氣性好、瓦斯含且高、煤層硬度較大的稱定煤層中，這樣不但有利于成孔和后期鉆孔橡定，同時能夠保證鉆孔的高滲透性。有利于瓦斯的逸出。報據鉆有利于瓦斯的逸出。報據鉆孔相對于工作面延伸方向的不同水平定向鉆孔布龍形式主分為走向和傾向布置兩種形式。為了保證良好的抽放效果，不能使鉆孔穿透工作面或從巷道穿出帆，在實施定向拐商鉆孔前，孔相對于工作面延伸方向的不同水平定向鉆孔布置戳主鉆孔布t形式一般以走向或傾向平行布皿為主。在實施向拐夸鉆孔后，可采用“一孔多分支”的鉆孔布1形式。這樣可在順槽直接開孔，減少鉆機椒運次數，提高鉆進效率，同時起到“一孔多用”的效果。

4 煤礦井下隨鉆測量技術鉆孔軌跡數據處理方法

在煤礦井下隨鉆測量技術鉆孔軌跡數據處理中，提出應用平均角法進行軌跡計算。為確保鉆進軌跡描述的準確性，可以進行多點測量，降低兩側點間距，提高計算精度，這種方法計算簡單，在實踐應用中應用較為廣泛。此外，在煤礦井下隨鉆測量技術鉆孔軌跡數據處理中還可以采取平衡正切法。然而其方法應用精度偏低，為滿足現場實際需求，本文提出應用Excel進行鉆孔孔跡測量參數計算，并繪制鉆孔軌跡圖。Excel工具具備著強大的數據處理功能，通過測量儀器，收集測點深度、傾角與方位角等信息，通過Excel形式進行保存，采取相應的計算方式進行孔跡坐標計算，選擇圖表導出方式，直觀獲得鉆孔軌跡水平及垂直投影。

5 結束語

隨著煤礦開采深度增加，為確保煤礦生產安全性，實現生產效率，在煤礦開采中多采取定向鉆進技術，以實現對煤礦鉆進工作的有效控制。在分析鉆孔孔跡一般水平定向鉆進、水平定向鉆孔軌跡的基本要素、煤礦井下水平定向孔軌跡的一般形式和描述方法等基礎上，探究鉆孔孔跡數據處理方法，典型的鉆孔孔跡數據處理方法包括平均三角法、平衡正切法等，本文提出Excel法進行鉆孔孔跡測量參數計算，實踐證明其可行性，且效果良好。

參考文獻

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