鉆探鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

文/何伯穩(wěn)（淮北礦業(yè)集團(tuán)煤礦災(zāi)害防治工程技術(shù)服務(wù)公司）

一、應(yīng)用背景

煤礦井下瓦斯治理、探放水、注漿治理等治災(zāi)工作以及地質(zhì)探查、治災(zāi)效果檢驗(yàn)、地質(zhì)參數(shù)測(cè)量等檢測(cè)工作大部分都是通過(guò)鉆機(jī)施工鉆孔工程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但鉆孔施工過(guò)程中受地質(zhì)條件、鉆桿自重、人為操作等因素的影響，存在人工開(kāi)孔定位精度不高（方位、傾角、開(kāi)孔位置等）、鉆孔偏斜等問(wèn)題，造成鉆孔軌跡、落點(diǎn)發(fā)生位移，精度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，形成未知、不可控制的盲區(qū)，影響瓦斯防治等災(zāi)害治理效果，致使對(duì)重大災(zāi)害難以精準(zhǔn)防控[1]。

現(xiàn)在普遍使用測(cè)斜儀對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，這一技術(shù)存在很多不足[2]，主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)斜，測(cè)斜儀必須在鉆孔施工結(jié)束提鉆后安裝，然后向孔內(nèi)續(xù)鉆測(cè)定鉆孔軌跡，測(cè)斜工序多，費(fèi)工費(fèi)時(shí)；二是目前的測(cè)斜儀數(shù)據(jù)只能人工帶上井后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，無(wú)法將測(cè)量后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和管理；三是目前的測(cè)斜儀數(shù)據(jù)處理后，實(shí)鉆軌跡無(wú)法上至鉆孔設(shè)計(jì)CAD 圖，無(wú)法對(duì)孔群軌跡進(jìn)行三維顯示、對(duì)實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行直觀對(duì)比；四是目前對(duì)于孔深的計(jì)量依靠視頻人工數(shù)鉆桿進(jìn)行，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，孔深造假難以消除。因此，測(cè)斜儀僅能選擇性對(duì)部分鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，覆蓋率低。應(yīng)用新技術(shù)精準(zhǔn)判定鉆孔軌跡及終孔落點(diǎn)、快速分析控制盲區(qū)、為補(bǔ)充治災(zāi)工程提供科學(xué)依據(jù)勢(shì)在必行。

二、鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)

在井下鉆孔施工過(guò)程中運(yùn)用鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔施工運(yùn)行軌跡實(shí)時(shí)上傳給鉆孔的設(shè)計(jì)者，真正意義上實(shí)現(xiàn)了鉆孔實(shí)時(shí)分析，為地質(zhì)資料分析提供了可靠保障。

鉆孔軌跡儀隨鉆測(cè)量裝置由控制器與探管配套組成，自帶可充電電池組，在地面充電。探管安裝在鉆頭后的無(wú)磁鉆鋌中，隨鉆測(cè)量并記錄鉆進(jìn)方向的傾角、方位角；控制器在孔口與探管同步工作并記錄鉆孔深度、鉆孔方位角、鉆孔傾角3 個(gè)鉆孔軌跡參數(shù)；鉆孔終孔后，控制器通過(guò)采集的鉆孔軌跡參數(shù)計(jì)算并生成鉆孔三維軌跡圖。使用時(shí)先將控制器與探管相連進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，同步之后探管隨鉆下入孔內(nèi)，控制器與探管同步進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量。控制器記錄采樣點(diǎn)號(hào)，探管中的方位傳感器、傾角傳感器測(cè)量鉆桿的空間姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量并儲(chǔ)存。鉆孔測(cè)量完成后，探管與控制器連接將鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到控制器，控制器處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后生成鉆孔軌跡圖和數(shù)據(jù)報(bào)表供鉆孔設(shè)計(jì)者進(jìn)行及時(shí)分析。

三、具體實(shí)施過(guò)程

1.實(shí)施方案

選定施工地點(diǎn)→建立數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)→安裝探管并連接軌跡儀→調(diào)試開(kāi)孔參數(shù)→鉆孔施工并同步采集數(shù)據(jù)→上傳、繪制鉆孔軌跡→軌跡對(duì)比→確定是否補(bǔ)孔。

2.設(shè)備配置

鉆孔軌跡儀測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備包括YZG7 礦用鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x、KJ411 礦用本安型監(jiān)測(cè)分站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、KDW0.1/660 隔爆電源等。

3.主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)角及精度：傾角測(cè)量范圍-90°～90°，誤差±0.2°；方位測(cè)量范圍0°～360°，誤差±1.5°。

探管基本參數(shù)：使用方式為固定式，通訊方式為兩線串行，工作電壓≤7.6V，工作電流≤1.2A，工作時(shí)間≥60h，外徑Φ30mm，長(zhǎng)度 952mm，質(zhì)量≤3.3kg，耐水壓≥12MPa。

顯示控制器基本參數(shù)：使用方式為攜帶式，工作電壓5V，工作電流≤1.2A，通信方式為兩線串行，通信電平≥2V。

顯示控制器操作系統(tǒng)：WINDOWS 操作系統(tǒng)。

顯示控制器電池：鎳氫電池組7.2V/18Ah。

防爆類(lèi)型：煤礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，防爆標(biāo)志為“Exibi”。

4.數(shù)據(jù)處理

鉆孔軌跡數(shù)據(jù)傳至地面終端后，利用軌跡儀地面數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行軌跡數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出鉆孔軌跡進(jìn)行顯示；利用AutoCAD 軟件將處理后的軌跡數(shù)據(jù)上圖，在AutoCAD 上顯示鉆孔軌跡。利用專(zhuān)業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)鉆孔實(shí)鉆軌跡三維顯示及鉆場(chǎng)孔群管理，如圖1、圖2 所示。

圖1 地面數(shù)據(jù)處理顯示軟件

圖2 三維顯示鉆孔軌跡圖

四、應(yīng)用分析

1.工程概況

1035 機(jī)巷底抽巷位于10 煤層底板15.6～25.1m（見(jiàn)圖3），10 煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚度1.40～5.90m，平均4.14m。工作面整體傾角4°～8°，平均6°。在1035 機(jī)巷底抽巷每隔40～50m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)的尺寸為寬5.0m、深5.0m、高3.5m。條帶預(yù)抽鉆孔孔底軸向間距為5m、列間距為5m，鉆孔終孔穿過(guò)10 煤頂板3m，控制巷道兩幫輪廓線外15m。1035 機(jī)巷底抽巷22#鉆場(chǎng)頂板距10 煤層底板法距約21m，設(shè)計(jì)穿層鉆孔80 個(gè)，鉆孔工程量3332m。

2.傳統(tǒng)人工填繪成果圖

圖3 22#鉆場(chǎng)穿層鉆孔治理區(qū)域剖面圖

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)方位角、傾角及見(jiàn)煤情況對(duì)鉆孔進(jìn)行上圖分析，具體如圖4 所示。圖中，黑色圓點(diǎn)代表設(shè)計(jì)見(jiàn)煤點(diǎn)投影，紅色粗線代表實(shí)際覆蓋區(qū)投影，所有孔的軌跡均為直線，沒(méi)有實(shí)鉆軌跡。

3.隨鉆測(cè)量成果圖

利用鉆孔軌跡儀采集的數(shù)據(jù)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行上圖分析，22#鉆場(chǎng)正常打鉆結(jié)束后實(shí)際鉆孔覆蓋面積如圖5 所示。圖中，黑色圓點(diǎn)代表設(shè)計(jì)見(jiàn)煤點(diǎn)投影，紅色粗線代表實(shí)際覆蓋區(qū)投影，藍(lán)色數(shù)字為鉆孔已揭露煤層底板高度。

圖4 鉆孔成果平面圖

圖5 測(cè)斜后鉆孔成果平面圖

4.補(bǔ)孔后成果

根據(jù)隨鉆測(cè)量成果圖分析各區(qū)域鉆孔偏斜情況，對(duì)鉆孔成果平面圖中的空白帶進(jìn)行補(bǔ)孔，22#鉆場(chǎng)總共隨鉆測(cè)量穿層鉆孔82 個(gè)，補(bǔ)孔43 個(gè)，共計(jì)125 個(gè)，補(bǔ)孔率達(dá)到34%，補(bǔ)孔前的覆蓋面積達(dá)到全部覆蓋面積的69%，補(bǔ)孔后的覆蓋面積達(dá)到全部覆蓋面積的95%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正常鉆孔后空白帶的覆蓋。

五、結(jié)語(yǔ)

鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用是井下鉆孔工程技術(shù)發(fā)展的必要，實(shí)現(xiàn)鉆孔施工運(yùn)行軌跡實(shí)時(shí)上傳給鉆孔的設(shè)計(jì)者，鉆孔施工軌跡與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行快速分析控制盲區(qū)，為補(bǔ)充治災(zāi)工程提供科學(xué)依據(jù)。