煤礦井下隨鉆孔軌跡測量技術要點淺析

邊毅彥

【摘 要】在煤炭生產過程中，煤礦井下鉆探是其重要的工程之一，也是煤礦企業進行生產時勘探的重要手段之一，于此同時也為安全生產提供了重要的保障。但是由于在煤礦開采過程中地質條件的復雜性和不確定性，使得煤礦開采存在一定的風險，煤礦井下隨鉆孔軌跡測量技術為煤礦井下開采提供了技術保障。本文主要就煤礦井下隨鉆孔軌跡測量技術進行剖析，為煤礦井下安全開采提供一定的理論和實際指導。

【關鍵詞】煤礦井下；隨鉆測量；測量系統

中圖分類號： P634 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0185-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.084

0 引言

煤礦企業在日常采煤生產過程中，煤礦井下鉆探是一項必不可少的技術手段，根據鉆探的最終目的，可以將煤礦井下鉆孔分為措施孔和地質孔兩大類，地質孔是煤礦采掘過程中格局設置、采面布置的重要地質參考，其目的就是為了更好地采集水文地質資料，為今后的施工提供一定的數據支撐。措施孔是為防止在采煤過程中抽放瓦斯和煤礦水害而進行鉆孔，是目前防治瓦斯爆炸的一 種重要的技術手段，因此，在煤礦日常生產中，通過井下鉆孔技術對礦井進行勘測是很有必要的，將影響到煤礦日常開采的進度，對煤礦工人的工作環境也是一種保障。煤礦企業每年將投入大量的人力、財力等資源用在鉆孔鉆中，因為煤礦井下，鉆孔鉆在礦井下施工時將遇到不同的煤巖層，其煤巖層的形狀、組合方式和物理力學性能將影響鉆孔鉆在施工過程中的鉆壓、進給量，以及鉆孔鉆自身的重量和鉆頭在采煤過程中的磨損，最終將導致鉆孔施工運動軌跡與設定發生一定的偏離，而這種偏差是施工人員不好控制的施工偏差，進而無法達到預定的抽采效果，甚至將影響到煤礦的安全生產工作。

煤礦井下隨鉆孔軌跡測量技術能夠較為準確地測定鉆孔軌跡，使得鉆孔與設定的方案一致，對煤礦開采工作有著極大地幫助，進而保障在煤礦井下開采過程中不遇到礦井突水、瓦斯等一系列安全問題，于此同時，煤礦井下隨鉆孔軌跡測量技術并不會影響日常的采煤工作效率。本文以煤礦井下隨機鉆孔軌跡測量技術中的主要技術參數，通過隨鉆測量系統的原理，實現隨鉆測量中存在的問題和測量誤差進行校正，進而提高煤礦井下隨鉆孔軌跡測量的精度和穩定性，保證煤礦企業采煤日常工作的順利展開，同時也對井下作業工人的安全提供了一定地保障，進而為企業創造更多的經濟效益。

1 煤礦井下隨鉆孔空間軌跡測量

煤礦井下隨鉆測量技術（MWD），是在井下作業中通過鉆頭在進給過程中的數據，主要包括姿態角，地層數據等，通過這些測量得到的數據進行分析，從而提高鉆進的效率，減少不必要的人為因素干擾，保障煤礦企業正常的生產任務和進度。

1.1 隨鉆孔空間軌跡測量

物體運動的軌跡是隨著時間的變化，物體的空間位置發生變化而連成的曲線，在煤礦井下鉆孔在作業時，鉆頭在進給過程中就會形成特定的運動軌跡，根據測繪學中的導航學原理，可以將一個物體的軌跡測量轉換成對一個物體在連續時間中，對微元長度的測量。對于煤礦井下鉆孔的運動軌跡，可以將鉆孔的運動軌跡而形成的曲線進行測量，這可以通過分別測出各點之間在不同時刻的距離差和各個測量點的姿態進行測量即可。對于煤礦井下鉆頭在進給過程中的運動軌跡，可以在鉆頭處安裝航姿參考系統（AHRS），完成對鉆頭隨時間變化的連續姿態的測量，同時測量鉆頭運動過程中的進尺，最后將進尺和姿態數據結合起來，可以得到鉆頭在運動過程中的完整曲線。

在煤礦礦井鉆孔過程中，其坐標系的選取與傳統坐標系有所不同，主要是因為煤礦采煤在礦井下作業，因而將Z軸的選取在正向朝天頂，比將Z軸選在朝向地心更符合實際情況，與此同時，在礦井下工作時，一般可以將鉆孔位置的地理坐標和煤礦工程圖的坐標系作為開孔坐標系，這樣雖然簡單，但增加了鉆孔軌跡的計算，將花費大量的時間。因此，可以選擇將地理坐標系在測量時進行計算，其主要過程是以開孔設備的重心位置為坐標原點，X、Y軸的正向分別為北向、東向，而Z軸垂直于XY軸構成的平面，并且該平面指向地面，然后基于左手法則。這樣就可以較好地得到鉆孔的完整運動軌跡。在煤礦礦井鉆孔設計以及在工作過程中的測量時，通常需要將鉆孔完整軌跡參數進行分段，拆散成若干個測點，在對測量鉆孔的軌跡進行分析的時候，一般每間隔一定的距離，進行一次測量，其主要目的是為了得到鉆孔的進尺、方位角以及俯仰角，于此同時還可以得到鉆孔的工具面角，然后利用物體軌跡擬合算法，得到鉆孔在運動過程中的空間軌跡曲線。

1.2 隨鉆空間軌跡測量儀器的集成設計

由于煤礦井下作業空間較小，使得鉆具工作時直徑較小，而且內部空腔體積較小，使得在使用過程中，將面對高溫度、高負荷等復雜環境，因此隨鉆測量儀的選擇就顯得尤為重要。主要涉及到以下幾個原則：

1.2.1 安全設計原則

煤礦井下使用的設備必須滿足安全的標準，煤礦設備在設計和選型過程中都應該嚴格保證本質安全，如：設備的自動短路保護、高溫自動保護等。在煤礦井下鉆頭設備中，在進行鉆孔軌跡測量系統設計時，就因該充分地考慮鉆頭在實際工作過程中會發生振動，電子元器件隨著鉆頭工作而可能脫落，以及傳感器隨著工作時間而其靈敏度下降等問題。因此在進行設計時，可以對系統內部采用耐高溫密封，然后進行裝填，最后對整個隨鉆測量系統進行減震處理。

1.2.2 空間限制原則

由于隨鉆測量儀的工作特點，使得其要裝入鉆桿內部，因此在儀器設計時，就應充分考慮鉆進過程中進行測量的難度，就必須將儀器設計得比較緊湊，在此狹小的空間中要封裝完整的通信、測量傳感器等原件，但不能使其工作時的穩定性和安全性得不到滿足，在儀器不進行工作時，進行檢修時，還將保留足夠的空間進行檢查和清洗。因此要將隨鉆測量儀器在有限的空間而保障其正常工作將是重要的一環，因此因引起足夠地重視。

2 基于傳感器融合的煤礦井下測量技術

煤礦井下傳統的隨鉆測量系統由于人為影響因素較大，影響最終的測量結果，不能實際反映真實的情況，而基于傳感器融合的煤礦井下進尺測量技術將有效解決人為誤差和儀器的不精準而造成的系統誤差。基于傳感器融合的測量技術主要分為狀態識別的基礎進尺粗側和基于加速度的進尺精測。

2.1 基于狀態識別的基礎進尺粗側

對于煤礦井下隨鉆儀器來說，要想準確無誤地得到計算進尺，就必須精準地識別鉆進狀態。

2.1.1 基礎鉆進狀態識別

在進行基礎鉆進識別時，主要采用震動傳感器對鉆桿的運動狀態進行識別，主要包括鉆進和停鉆兩種基本運動狀態，只要鉆桿運動，不管鉆桿旋轉鉆進去還是非旋轉狀態下運動，都將產生震動，因此必須設計一種震動傳感器來識別鉆桿的震動狀態。對于目前來說，震動傳感器一般都有定位器結構，可以通過定位器結構來設置震動傳感器模塊的靈敏度，可以通過設置程序，通過程序進行閾值設置，就可以完成對誤觸發的過濾，進而避免由于人為操作不當而引起問題。

2.1.2 復雜鉆機狀態識別

在煤礦井下鉆桿運動過程中，可以通過加速度傳感器和陀螺儀對鉆進狀態進行細分。對于鉆桿系統狀態識別來說，只有X軸的加速度參數有意義，就是沿鉆桿鉆進方向軸的加速度，鉆桿在工作狀態時，Y軸和Z軸的加速度對鉆進狀態識別沒有太大意義。陀螺儀在隨鉆測量狀態識別中，也只對X軸旋轉量有意義。可以根據陀螺儀的正負旋轉可以對鉆桿狀態進行繼續細分。

2.2 基于加速度的進尺精測

在煤礦礦井下通過對鉆桿狀態識別完成進尺和每段進尺的平均鉆進速度測量，于此同時，可以通過加速度傳感器對隨鉆測量的數據進行深度挖掘。進而可以得到每個鉆桿段的進尺值和鉆進速度值，達到精確地測量鉆桿的運動軌跡。雖然加速度傳感器可以精確地測量任意時刻隨鉆系統的鉆進速度和進尺值，但是由于加速度傳感器存在隨機漂移問題，為了提高進尺測量精度，可以采用分段積分測量進尺消除誤差和采用固定進尺對加速度進尺進行修正誤差。

2.2.1 分段測量進尺誤差修正

由于加速度傳感器在煤礦井下鉆桿測量時，自身具有一定的隨機誤差，當在進行測量時，測量值依靠加速度測得，將必然對結果產生較大的誤差，為了解決此誤差帶來的影響，可以將加速度計算過程進行分段進行，其主要是將鉆桿進行分段，在兩次加鉆桿之間采用加速度測量進尺，這樣就可以得到任意時刻的基礎進尺和分段加速度，因此，通過分段測量，可以減少因加速度帶來的誤差，將加速度累積誤差控制在每個分段之內，從而從總體上降低了加速度傳感器測量進尺帶來的累積誤差。

2.2.2 進尺校正修正

除了上述對進尺分段測量外，根據煤礦井下鉆桿的運動實際情況，每次以增加的進尺為固定值，則可以采用分段內加速度進行二次積分進而得到鉆桿長度的方法，即用固定進尺增量對加速度進尺進行修正，最終獲得進度較高的進尺測量值。

3 結束語

在煤礦井下作業時，煤礦隨鉆測量系統可以減少鉆孔鉆進完畢后再進行測量的過程，進而優化鉆孔的鉆進技術，能夠很好地解決鉆孔測量、軌跡成圖等實際問題，最終幫助煤炭企業節約日常的開支，提高日常生產的效率。對于煤礦井下的操作工人來說，具有操作簡單，不需要特殊的專業培訓的特點，將減少他們的工作量。隨鉆測量技術可以滿足數據無線傳出，能夠適應煤礦井下復雜的工作環境，這樣能夠保證在煤礦礦井采掘的安全、正常地進行，進而為企業創造出更多的經濟效益。

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