松軟煤層下篩管鉆孔軌跡測量技術

張 軍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

近年來，部分地區由于瓦斯抽放技術與裝備落后，鉆孔施工很難按照設計軌跡鉆進，導致煤層出現瓦斯抽放盲區而引發的煤與瓦斯突出事故時有發生。由于煤層地質條件的特殊性，在松軟煤層鉆孔施工中，通常存在瓦斯壓力大、地質條件復雜、透氣性差等不利因素，導致煤層中鉆孔分布不均勻、成孔效果差，鉆孔的噴孔、塌孔等狀況時有發生，嚴重影響煤礦安全生產。針對這樣的問題，程建圣[1]研究了穿層鉆孔全程篩管下放瓦斯抽采技術原理及施工工藝，并通過現場試驗，證明了該技術在穿層鉆孔瓦斯抽采中的應用效果。陳功勝等[2]提出不提鉆下篩管技術應用于松軟煤層的瓦斯抽采中。孫新勝等[3]研究了松軟煤層篩管護孔瓦斯抽采技術與裝備及施工工藝。

由于松軟煤層的影響，在鉆孔施工過程中難以完成隨鉆軌跡測量，影響了鉆孔預抽瓦斯的效果。需要研究適用于松軟煤層下放篩管后的鉆孔軌跡測量技術，掌握鉆孔參數信息，提高瓦斯抽采能力和水平。目前，鉆孔軌跡測量裝備主要以成孔軌跡測量、隨鉆軌跡測量以及定向鉆孔軌跡測量為主，測量裝備普遍存在著探管直徑粗、質量大，無法應用于篩管下放條件下的鉆孔軌跡測量。針對以上問題，研究了松軟煤層條件下，篩管下放后的鉆孔軌跡測量系統。系統由測量探管與手持式控制終端組成，測量探管直徑小、長度短、質量輕，可以適用于大多數篩管下放后的鉆孔軌跡測量。手持式控制終端采用防爆手機及專用數據采集軟件組成，測量探管與手持式控制終端可通過藍牙或有線2 種方式進行指令控制與信號傳輸，確保在不同環境下儀器正常使用。

1 鉆孔篩管下放與軌跡測量的關系

為了提高松軟煤層地質條件下的瓦斯抽采效果，通常在鉆孔施工完成后，會在鉆孔下放篩管護孔，保證瓦斯預抽采效果。篩管下放的技術是在松軟突出煤層鉆孔成孔后，在不退出孔內鉆具的情況下，將護孔篩管和孔底固定裝置由鉆桿的內通孔輸送到孔底，完成護孔篩管和孔底固定裝置輸送及固定后，退出鉆桿和鉆頭，孔底固定裝置將篩管固定后，在一定時間內留在鉆孔內作為瓦斯抽采通道。

鉆孔軌跡測量技術也根據不同需求產生了成孔軌跡測量、隨鉆軌跡測量、鉆孔有線隨鉆軌跡測量[4]、數據無線傳輸軌跡測量[5]等方式。這些軌跡測量方式主要適用于鉆桿直徑在50 mm 以上的鉆孔中使用，無法實現篩管下放后的鉆孔軌跡測量。有研究指出實現了松軟煤層條件下的隨鉆軌跡測量技術[6-7]。但是由于松軟煤層瓦斯壓力大、煤層透氣性差，鉆孔施工時容易出現塌孔、抱鉆等現象，隨鉆鉆孔軌跡測量在這種鉆孔中使用存在鉆桿或探管埋鉆的風險。

目前需要能適應篩管下放工藝的鉆孔軌跡測量設備，解決鉆孔在煤層中分布不均，鉆孔軌跡不明的問題。當測量鉆孔軌跡達不到要求時，重新修改設計進行施工。提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯災害的潛在風險[8-10]。

2 鉆孔軌跡測量系統

煤礦井下鉆孔軌跡測量裝置主要包括測量探管、手持式控制終端、手推桿等。測量方式為在篩管下放到位后，將測量探管安裝于手推桿頂端送入鉆孔進行軌跡測量。這種測量方式是在松軟煤層條件下，篩管下放后進行的鉆孔軌跡測量，由于篩管的保護作用，探管很少存在埋鉆的風險。

2.1 軌跡測量探管

由于需要在下放過篩管后的鉆孔中進行鉆孔的軌跡測量，因此，測量探管的設計與使用方法尤為重要。受到篩管空間尺寸限制，探管外徑設計為21 mm，長度450 mm，使得篩管在鉆桿內下放的空間足夠大，以適用于大多數下放過篩管的鉆孔使用。

測量探管在鉆孔中進行測量時存在高振動、易磨損的施工特點，測量探管耐12 MPa 水壓，設計了注塑減振套件和抗壓耐磨外管與碳纖維手推桿，手推桿前后設計有公母扣連接套件裝置。鉆孔軌跡測量最重要的3 個參數為鉆孔深度、方位角、傾角，這3 個參數決定了鉆孔軌跡空間姿態。需要將加速度計芯片和磁敏傳感器芯片裝入測量探管內部[11]。測量探管原理框圖如圖1。

圖1 測量探管原理框圖Fig.1 Principle block diagram of measuring probe tube

方位測量采用磁敏傳感器，根據大地磁場確定探管的方向姿態；傾角測量采用加速度傳感器，根據重力加速度確定探管的俯仰角度。傳感器產生的電信號，經控制單元計算處理成數字信號存儲。探管存儲數據通過藍牙傳輸至手持式控制終端。通過測量的鉆孔傾角、方位角數據以及記錄的鉆孔深度數據，進行數據計算，完成鉆孔軌跡測量。鉆孔軌跡測量探管在篩管中的施工方式如圖2。

圖2 鉆孔軌跡測量施工方式示意圖Fig.2 Drilling trajectory measurement construction method

由圖2 可以看出，使用該測量探管進行鉆孔軌跡測量，是在鉆孔成孔以及篩管下方以后進行的，不依賴于鉆機推送，而且能夠保證測量探管在鉆孔軌跡測量時的安全性，減少埋鉆等事故的發生。

測量探頭控制軟件采用集成環境C 語言開發。測量探管采集控制軟件實現了初始化、數據采集、A/D 轉換、角度計算和數據輸出等功能，代碼經過編譯和調試后輸入探管存儲器。

2.2 手持式控制終端功能

手持式控制終端選用具有礦用產品安全標志證書的礦用防爆兼本安型手機，手機搭載Android 系統，開發了鉆孔軌跡測量專用APP，實現對測量探管的時間同步、參數設置、命令控制等功能。

手持式控制終端的主要功能有以下幾個方面。

1）藍牙連接。打開手持式控制終端藍牙，打開測量探管電源開關。搜索附近可用藍牙，配對成功綁定后即可實現手機與測量探管之間的藍牙通信。藍牙通訊可以實現指令控制、數據傳輸等功能。

2）定時同步。目的是在探管與手持式控制終端分離后能夠在時間上精準統一。在手持式控制終端與測量探管建立藍牙連接后，控制終端發送約定的同步指令給測量探管，測量探管以約定的時間與測量方式開始同步測量。

3）數據傳輸。在一個鉆孔測量完成后，再次將手持式控制終端與測量探管建立藍牙通信連接，手持式控制終端讀取測量探管存儲器中的所有數據，并轉存在手持式控制終端。

4）鉆孔軌跡計算與顯示。鉆孔軌跡計算是指在測量數據轉存至手持式控制終端后，手持式控制終端的測量控制APP 可以實時計算該測量鉆孔的軌跡及上下、左右偏差值。計算出每個測點的偏差數據后，從第1 個測量點深度累加得出整個鉆孔的偏差數值，以深度為橫坐標，上下偏差值、左右偏差值為縱坐標繪制鉆孔軌跡偏差圖。鉆孔軌跡計算采用均角全距法，計算方法[12]如下。

式中：Xn為測點在x 軸上的投影長度，m；Yn為測點的累計左右偏差，m；Zn為測點的上下偏差，m；△Li為2 個測量點之間的距離，m；θi為當前測量點的傾角，（°）；θi-1為上1 個測量點的傾角，（°）；α0為第1 個測量點的方位角，（°）；αi為當前測量點的方位角，（°）；αi-1為上1 個測量點的方位角，（°）；Ai-1為上1 個測量點的深度，m；Ai為當前測量點的測量深度，m。

2.3 軌跡測量數據處理軟件

鉆孔軌跡數據處理軟件是篩管下放鉆孔軌跡儀的人機交互界面，設計運行于PC 客戶端。數據處理軟件采用模塊化設計方法，減少數據處理軟件的操作流程。軟件可以實現數據傳輸、數據處理與存儲、軌跡圖二維及三維顯示與存儲等功能。

數據處理的主要流程：讀取鉆孔軌跡原始數據；對原始數據進行校正；配置鉆孔測量地區的磁偏角值；計算鉆孔軌跡相對于開孔傾角與方位角的上下偏差值、左右偏差值；輸出數據成果及鉆孔軌跡成果圖。數據處理軟件的功能界面，鉆孔軌跡數據處理軟件界面如圖3。

圖3 鉆孔軌跡數據處理軟件界面Fig.3 Software interface of drilling trajectory data processing

在進行完常規鉆孔軌跡數據處理后，數據處理軟件可以通過換算軌跡偏差坐標，進一步數據建模，在建立三維模型數據的基礎上，在三維空間展示鉆孔的軌跡信息，這樣使鉆孔的軌跡及相對空間位置更加清晰，有利于進行鉆孔的設計與后期數據分析。

3 井下試驗

為驗證鉆孔測量系統的工作穩定性和有效性，驗證測量探管在鉆孔安裝篩管后是否影響鉆孔軌跡的正常測量，選擇安徽淮北某煤礦進行現場試驗。

當探管送入預定位置后，系統將記錄下相應的鉆孔測量時間、深度、傾角、方位角、工具面向角。在下一測量點時，重復測量操作，直至測量完成。測量完成后，采用無線藍牙連接探管與控制器，獲取探管中所有的數據，當數據傳輸結束，系統將測量數據保存在手持式控制終端鉆孔文件中。

在進行鉆孔軌跡測量時，由于鉆孔孔口附近有錨網等金屬體干擾，為了保證測量精度，第1 個測量點深度設定在鉆孔中距離孔口6 m 位置，測量深度間距設定為6 m。鉆孔設計孔深115 m，設計傾角4°、設計方位角187°，實測鉆孔深度114 m。現場試驗所測得的數據穩定，測量數據精度高。經巷道掘進后驗證情況分析，鉆孔軌跡測量結果比較準確。通過數據計算，繪制鉆孔軌跡偏差圖，鉆孔軌跡偏差成果圖如圖4。

圖4 鉆孔軌跡偏差成果圖Fig.4 Borehole trajectory deviation results

由圖4 可以看出，由于松軟煤層特殊的地質條件和其他因素的影響，設計鉆孔軌跡與實際鉆孔軌跡存在一定的偏差。鉆孔實鉆終孔位置與設計鉆孔終孔位置上下偏差1.96 m，左右偏差0.36 m。

在對所有測量鉆孔數據處理、三維數據轉換并建模后，在三維空間展示鉆孔的軌跡信息，鉆孔軌跡三維成果如圖5。

圖5 鉆孔軌跡三維成果圖Fig.5 3D results of drilling trajectory

圖5 中，黑色線條為實鉆鉆孔軌跡，白色線條為實鉆鉆孔在煤層中的軌跡；白色圓點為設計見煤點位置，黑色圓點為實際見煤點位置；水平平面為設計煤層位置，曲面為實際煤層位置。由圖可以看出，實測見煤點位置與設計見煤點位置偏差較大，實際煤層位置與設計煤層位置偏差較大。通過鉆孔數據及成果圖可以看出，該裝置測量結果穩定可靠，真實反映了鉆孔軌跡走勢，鉆孔軌跡數據能夠有效預防鉆探偏差帶來的安全隱患。

4 結 語

為了解決松軟煤層篩管下放條件下鉆孔軌跡測量難題，研究了篩管下放條件下的鉆孔軌跡測量裝置與技術。設計開發了一種用于篩管中使用的小型軌跡測量探管，以及與之配套使用的手持式控制終端，測量探管與手持式控制終端通過藍牙進行連接。通過大量的工程實踐表明，基于藍牙傳輸的，適用于松軟煤層篩管下放條件下的鉆孔軌跡測量裝備，有效解決了篩管下放后導致的鉆孔盲打、鉆孔分布情況不明等問題，極大地降低了瓦斯災害風險，提高了瓦斯抽采效果。現場試驗結果證明了基于藍牙傳輸的鉆孔軌跡測量儀具有很高的工作穩定性和實用性，為煤礦安全生產提供設備支撐。