鉆孔軌跡測量技術及應用研究

劉喜龍，張　軍，趙明校，胡　航

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

鉆孔軌跡測量技術及應用研究

劉喜龍*，張軍，趙明校，胡航

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

在煤礦井下鉆孔施工中，由于缺少控制鉆孔軌跡的螺桿鉆具和測斜系統，導致施工出來的鉆孔軌跡和設計存在很大的偏差，但這種偏差如果不進行實際的軌跡測量根本無法知道其具體的偏差位置；研究了目前市面上的幾種鉆孔軌跡測量技術裝備及其應用的效果。

鉆孔；軌跡；測量；技術

1　概述

現在，煤礦對所施工的鉆孔空間軌跡控制的要求越來越高，鉆孔施工過程中，由于地球引力、巖層因素以及工藝技術等方面的影響，實際鉆孔軌跡都存在于偏離設計軌跡的現象，因此，如何精確測量鉆孔軌跡是一項需要研究的課題[1-5]。

煤礦井下各種鉆孔的施工有2個基本目標，其一是保證鉆孔能準確的鉆至預定的層位，其二是降低鉆孔成本。而這2個目標要同時實現卻是相互矛盾的[6-9]。為了能保證鉆孔準確的鉆進至預定的層位必須使用定向鉆機進行鉆進，而定向鉆進成本高，維護成本也高。普通鉆機鉆進成本低，但卻難以準確的鉆進至預定的層位，甚至都很難了解鉆孔終孔位置。所以對普通鉆機的鉆孔軌跡進行測量就顯得尤為重要[10-12]。

2　鉆孔軌跡測量方法

目前鉆孔軌跡測量主要有3種技術方法，第一種是全方位鉆孔測斜技術，但此方法只能成孔之后進行測量，第二種是隨鉆鉆孔軌跡測量技術，此方法在鉆孔施工中可邊打邊測量，成孔之后退鉆出來即可現場看到鉆孔軌跡，第三種是無線隨鉆測斜儀技術，此方法可對鉆孔邊打邊測量，數據實時傳輸可即時看到鉆孔軌跡。以上3種技術的軌跡計算原理都是采用均角全距法[13-15]。

鉆孔軌跡計算模型及方法：將相鄰兩測點間的鉆孔軸線看作為直線；該直線的傾角、方位角分別為上、下兩測點的傾角、方位角的平均值；整個鉆孔軸線仍是直線與直線連接的折線。其實質是以弦代弧。鉆孔軌跡偏離距離按下式計算：

式中：X——鉆孔南北方向的偏離，其中向北為正、向南為負；

Y——鉆孔東西方向的偏離，其中向西為正、向東為負；

Z——鉆孔上下方向的偏離，其中向上為正、向下為負；

α——鉆孔的傾角；

θ——鉆孔的方位角；

θ0——磁偏角；

ΔLi——測點A、B間的距離。

鉆孔軌跡計算原理如圖1所示。

此法比全角全距法稍復雜一些，但比全角半距法簡單，是現場手算常常采用的方法； 以上、下兩測點傾角、方位角的平均值作為軸線的計算角度，降低了增斜段和減斜段水平位移、垂直深度的計算誤差；在測點間距較大、曲率半徑較小時有一定誤差。

3　全方位鉆孔測斜技術

此技術只能在鉆孔打完退鉆之后，連接在鉆桿前面通過鉆桿推送進孔里進行軌跡測量。由于探管外徑達到45mm，所以碰到鉆孔孔徑小于45mm的鉆孔或者塌孔的情況就不能進行軌跡測量，且由于需要重復送鉆，降低了工作效率。但不會掉鉆，對設備的損耗也較小，安全性能高，使用成本也低。

圖1　鉆孔軌跡計算原理圖

3.1全方位鉆孔測量裝備

YHQ-X(C)全方位鉆孔測斜儀主要由全方位鉆孔測斜儀同步機與全方位鉆孔測斜儀探管以及它們之間的通信線組成。探管主要由采集單片機、傾角和測向傳感器、存儲器、通信接口及電源電路等組成：同步機由單片機、鍵盤、顯示器、存儲器、通信接口及電源電路等組成。探管的主要功能是采集傳感器電信號，并將采集的數據存儲到存儲器中：同步機的主要功能是向探管發送命令和數據處理。

3.2應用實例

山西大同某煤礦地質孔的測量，該礦屬于構造較復雜的礦井。為探明煤層位置及厚度，在巷道進行打鉆找煤，用全方位鉆孔測斜儀對其中的地質孔進行軌跡測量。鉆孔設計傾角0.00°，設計方位角282.00°，磁偏角-4.50°，測量結果如表1所示。

表1　鉆孔軌跡偏離設計方位表

鉆孔實際軌跡偏離設計方向較大，在深為78m的鉆孔中，最大水平偏移為0.66m，最大垂直偏移為17.09m。

如圖2所示，鉆孔的實際軌跡沒有達到設計要求。按設計要求，鉆孔應成直線鉆進，利于計算煤層位置和厚度，而通過鉆孔軌跡對比圖可知，實際軌跡嚴重向上偏移，沒有達到設計的目的。依據測量結果，采取補鉆的措施，探明煤層位置及厚度以利于安全生產。如果沒有全方位鉆孔測斜儀的測量，如此大的偏離誤差是無法預知的。

4　隨鉆鉆孔軌跡測量技術

此技術方法適用于鉆孔邊打邊測量，打鉆之前將設備裝在鉆頭后面即可。打鉆完成之后退出鉆桿即可現場看到鉆孔軌跡，不影響打鉆進度，工作效率高。

4.1隨鉆鉆孔軌跡測量裝備

YZG7礦用鉆孔軌跡儀是隨鉆鉆孔軌跡測量專用裝備，它由控制器與探管配套組成。控制器與探管連接，實現控制器與探管之間的時間同步和數據傳輸，主要用于煤礦井下鉆孔測量、數據采集、通信、處理及存儲，可實時顯示數據及圖形。

4.2應用實例

安徽淮南地區某煤礦瓦斯抽放鉆孔的測量。該煤礦屬于高瓦斯突出礦井。為保證安全，在工作面進行鉆孔瓦斯抽放，工作面每隔1m布置一個鉆孔，距離底板1.5m高，用礦用鉆孔軌跡儀對其中一個鉆孔進行軌跡測量，測量結果如表2所示。

圖2　鉆孔設計軌跡和實際軌跡圖

表2　鉆孔軌跡偏離設計方位表

鉆孔實際軌跡偏離設計方向較大，在143m深的鉆孔中，最大水平偏移達到9.258m，最大垂直偏移達到5.772m。

圖3　鉆孔設計軌跡和實際軌跡圖

如圖3所示，鉆孔的實際軌跡沒有達到設計要求。按設計要求，抽放瓦斯孔應鉆成輻射狀，利于擴大抽放面積，而通過鉆孔軌跡對比圖可知，實際軌跡基本都集中到一個方向，沒有達到設計目的。依據測量結果，采取補充鉆孔的措施，保證抽放面積，利于安全生產。如果沒有礦用鉆孔軌跡儀的測量，如此大的偏離誤差是無法預知的。

5　無線電磁波隨鉆鉆孔軌跡測量技術

該技術運用電磁波信號傳輸的方式，通過鉆桿與接地線之間形成電勢回路，通過地層傳輸到孔口之后被接收。該技術方法目前主要使用在定向鉆機上，取代了傳統的定向鉆機上測量系統的數據傳輸需要依賴通纜鉆桿的弊端，使用普通鉆桿即可，極大地降低了打鉆的成本。該技術可實時顯示鉆孔軌跡并通過調整工具面向角隨時調整鉆孔鉆進軌跡。參數的實時顯示可以指導工作人員及時修正鉆孔的位置和方法，提高了鉆孔的質量，實現實時監測鉆孔質量，免去了對鉆孔進行質量檢測的工作，節省了大量的人力和物力，使得鉆孔的工作效率和經濟效益得到提高。

電磁波的測量方法是：孔里儀器將測量的孔底參數加載到載波信號上，載波信號用低頻電磁波，測量信號隨載波信號由電磁波發射器向四周發射，電磁波經過地層、鉆桿傳輸到孔口。孔口檢波器接收電磁波載波，并將檢測到的電磁波進行信號卸載和解碼、計算，得到實際的測量數據。

無線電磁波隨鉆測斜儀主要用于鉆孔施工過程中的鉆孔傾角、方位角、工具面向角等參數的監測，同時可實現鉆孔參數、鉆孔軌跡的即時顯示。便于施工人員隨時掌握鉆孔施工情況，并隨時調整鉆進工藝參數，使鉆孔盡可能按照設計軌跡延伸。

電磁波隨鉆測量具有以下優點：準確測量孔底參數，測量鉆孔軌跡。鉆孔參數包括：傾角、方位角、工具面角等；電信號傳輸速度快，將測量的相關地層、鉆孔的參數實時傳輸到孔口，便于技術人員迅速做出決策；利用所測得的地質參數信息和空間位置信息，實時修正孔底鉆壓、扭矩和工具面角等鉆孔參數，從而控制鉆孔軌跡的走向；不受鉆孔液類型的限制，在液體、氣體鉆孔液中都可以進行信號傳輸。

6　結論

在對煤礦安全高度重視的今天，打鉆成為煤礦地質預報的重要手段之一。普通鉆機的鉆進由于具有不可控性，實鉆軌跡和設計軌跡往往存在很大的偏差，如果不進行軌跡測量根本無法知道偏差的距離到底有多大，有可能釀成安全事故，所以進行軌跡測量更是顯得尤為重要。本文研究了3種不同鉆孔軌跡測量技術與裝備，其各有自身的優勢。目前，最為先進的為無線電磁波隨鉆鉆孔軌跡測量技術，該技術方法可使用普通鉆桿，極大地降低了打鉆的成本，同時，可實時顯示鉆孔軌跡并通過調整工具面向角隨時調整鉆孔鉆進軌跡，使得鉆孔的工作效率和經濟效益得到提高。

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A

1004-5716(2016)11-0017-04

2015-12-28

2016-01-16

劉喜龍（1988-），男（漢族），陜西咸陽人，工程師，現從事電法勘探的理論與應用研究工作。