隨鉆測振在井下鉆孔鉆進監控中的應用

李輝峰

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

瓦斯抽采是煤礦治理瓦斯災害的重要技術措施，尤其是針對高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的低滲透煤層，需要施工大量的鉆孔進行瓦斯抽采[1-2]。鉆孔的巖性識別及深度標定對瓦斯抽采非常重要。目前鉆孔鉆進監控缺少有效技術手段，采用耳聽目識判斷鉆進情況缺乏準確性、連續性和記錄性。隨鉆振動(沖擊參數)監測早期應用于石油鉆探領域[3-4]，將振動傳感器安裝固定在鉆柱上對振動參數進行連續監測。本文將隨鉆測振方法應用于井下抽采鉆孔施工監測，實現對鉆機的工作狀態監測和巖性識別。

1 隨鉆測振原理與儀器

1.1 隨鉆測振原理

1) 鉆桿振動。鉆孔施工過程中，鉆桿振動包括縱向振動、橫向振動和扭轉振動[5]。鉆桿縱向振動是鉆頭縱向受壓引起的，包括鉆頭重力、鉆頭旋轉鉆進破煤/巖反向作用力等。鉆桿橫向振動與鉆桿的彎曲共振(“弦”振)有關，共振是引起鉆具弓狀彎曲的主要原因，能夠造成鉆桿的偏磨，縮短鉆柱使用壽命甚至誘發鉆柱斷裂引發事故。鉆桿扭轉振動是煤/巖破碎過程中鉆桿與鉆孔內破碎巖石相互作用導致鉆桿發生扭轉，尤其遇到是堅硬煤巖，鉆桿與鉆孔表面間的摩擦更加劇烈，特別容易引起鉆柱粘滑。

2) 振動信號分析。鉆機鉆進過程中振動信號是連續、長延時、非可控的振源，屬于連續非穩態信號，其優點是成本低、可連續采集。鉆進過程振動監測的難點在于煤/巖性信息和鉆機自身產生的噪聲，以及確定不同巖性優勢頻譜。隨鉆測振的重點是提取反映地層變化的反射波信號，通過反射波信號分析，將鉆孔前方地質條件細分，表征出裂隙發育帶、瓦斯富集區、沖刷帶等小的地質構造。

3) 振動信號采集。信號采集系統包括測量裝置、接收主機以及電子計算機處理系統。振動參數測量裝置包括電源、振動傳感器和WIFI無線發射器3個模塊，并且集成在一個采集盒。采集盒中的WIFI無線發射器與主機無線接收器能夠實現雙向聯系，指令發出后，采集裝置開始采集振動數據，將采集的數據保存在主機中，并開始實時頻譜分析。

1.2 隨鉆測振儀器

隨鉆測振儀器(如圖1所示)主要用于鉆探過程的隨鉆三分量震動測量和軌跡測量，通過鉆頭與巖層的動力反應譜分析，可以進行鉆遇巖性判斷與鉆探工程驗收等功能。適用于瓦斯抽排孔、水文孔、地質探查孔等鉆孔施工過程的巖性與構造識別、鉆孔軌跡測量和鉆探過程驗收管理。

圖1 隨鉆測振儀器

2 試驗地點概況

現場試驗地點為王莊煤礦9102工作面，埋深360～552 m，煤層平均厚度6.6 m，共布置運巷、風巷、高抽巷三條巷道。運巷長3 423 m，風巷長3 364 m，高抽巷長3 282 m。切眼長259 m。工作面整體為下山回采，距9102風巷開口處1 410 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°，距9102運巷開口處2 015 m存在斷層F317，H=8.5 m、∠40°。3號煤層具有爆炸性，屬不易自燃煤層，頂底板巖性較好。現場測試鉆孔為風巷高位抽采鉆孔。

3 抽采鉆孔測振試驗數據及分析

在9102工作面風巷高位抽采鉆孔鉆進開展現場探測。本次隨鉆測振實驗為鉆孔隨鉆測振。將測振傳感器固定在鉆桿上送入鉆孔，采用三分量加速度傳感器接收鉆機及鉆頭鉆進的振動信號，如圖2所示。試驗中記錄鉆機在停機、空轉、正常鉆進、倒尺、推送鉆桿、敲擊鉆桿、進尺、抽送鉆桿等不同工作狀態下的時間信息，以便對實驗數據進行精確分析與時深轉換。

試驗高位抽采鉆孔隨鉆孔內三分量時域振動信號，如圖3，依據36組監測數據提取的各時段正常鉆進信號如圖4，正常鉆進時域信號，如圖5，結合每次倒尺鉆進0.75 m，孔深共27 m。

圖5 正常鉆進時域信號

對圖5正常鉆進時域信號做能量分析，如圖6，選取敏感的巖性方向Y方向(軸向)。從圖6可以看出，鉆進深度12.0～14.0 m，能量都在逐漸變大，然后趨于逐漸平穩狀態，據此分析在此巖性發生了很大程度上的改變，在鉆進煤層過程中遇到小斷層構造煤，巖性發生了變化，由相對較軟的煤層過渡到堅硬的巖石，振動信號幅度變化較大，導致能量和方差較大；鉆進深度19.0～23.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸增大，據此分析由于鉆進過程中巖性發生較大變化(軟煤到硬巖)，振動信號幅度發生一定程度的增大，導致能量也發生一定程度的增大，鉆進深度23.0～27.0 m，能量較前后在一定程度上逐漸減小，在鉆進的過程中從較硬的砂巖中穿過，鉆進到較軟的泥巖，振動信號幅度發生一定程度的減小，導致能量也發生一定程度的減小。

圖6 鉆進信息能量

對鉆進信息進行時域特征分析得到鉆進耗時圖，如圖7。從圖中可以看出，19.0～23.0 m和23.0～27.0 m的深度，耗時相對變長，推測在這兩處巖性都發生一定程度的變化。圖8為鉆進過程中鉆速變化圖，鉆機在鉆進時一直保持均勻速度持續鉆進，在12.0～14.0 m位置，煤層中突然遇到小斷層，巖性突然發生變化，導致鉆速提高。

圖7 耗時

圖8 鉆速

圖9為孔內測震三分量頻譜圖，橫軸為鉆進深度，縱軸從上到下依次為X、Y、Z三個分量，因為做了文件歸一化，Y分量作為軸向，能量遠遠小于切割方向X和Z。此時挑選Z分量作為分析分量，從圖中可以看出，Z分量頻譜圖在深度為12.0～14.0 m高低頻成分都有，其中低頻成分為環境背景和鉆機固有振動頻率； 175～250 Hz和500～600 Hz成分能量很強為鉆進巖性的響應頻率，在12.0～14.0 m除了兩個主頻響應，還存在更高的一些頻率段，例如700～750 Hz和850～900 Hz，鉆進時在遇到一些較硬的巖石，會出現許多高頻的信號，由此分析深度為12.0～14.0 m巖性發生變化。同理也可以看出，在19.0～23.0 m，23.0～27.0 m巖性分別變化的情況。最終可得出結論：0～12 m為煤層，12.0～14.0 m為煤層內的小斷層構造，12.0～19 m為煤層，在19.0～23.0 m為煤層向粉砂巖過渡的分層，23.0～27.0 m為粉砂巖向泥巖過渡，分層巖性發生了明顯的改變。Z分量為鉆頭切割巖石的方向，對鉆進巖性變化比較敏感，巖性變化在信號譜上明顯差異，從實際距離來看，孔內隨鉆對于控制巖性變化區域更為準確，分辨率更高。

4 結 語

隨鉆測振是通過鉆進過程中對鉆桿振動數據的監測與信號采集，實現對鉆孔巖性和鉆進狀態識別。通過現場試驗，利用方差分析、能量分析、耗時分析、鉆速分析和頻譜分析對鉆孔隨鉆測振數據進行了處理，試驗結果與礦井鉆孔巖性柱狀圖吻合，表明隨鉆測振方法能夠有效應用于井下抽采鉆孔鉆進監測，可為超前地質預報及鉆孔管理提供技術保障。