煤礦井下鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王小龍，趙 亮，張 軍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

為消除及減輕煤與瓦斯突出的風(fēng)險，目前煤礦井下普遍采用鉆機(jī)施工瓦斯抽放孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，通過預(yù)抽采瓦斯降低煤層中的瓦斯壓力煤礦井下鉆孔施工方式有定向鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。定向鉆進(jìn)技術(shù)由于鉆孔軌跡可調(diào)可控，在煤礦井下取得了良好的應(yīng)用效果，但其價格昂貴、施工工藝復(fù)雜，所以煤礦井下大部分鉆孔仍采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工方式[1-9]。

在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工中，通常采用隨鉆軌跡儀進(jìn)行鉆孔軌跡測量。隨鉆軌跡儀在鉆進(jìn)停止過程中進(jìn)行定點(diǎn)測量，將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)保存在測量探管內(nèi)，鉆進(jìn)完成提鉆后導(dǎo)出存儲的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到鉆孔軌跡。由于隨鉆軌跡儀測量效率高、操作簡單，在煤礦井下得到廣泛的應(yīng)用。但其不足之處也很明顯，隨鉆軌跡儀所成的上下偏差及左右偏差圖是二維圖形，無法直觀反映鉆孔軌跡在三維空間中的形態(tài)，隨鉆軌跡儀只能實(shí)現(xiàn)單個鉆孔的軌跡圖，無法顯示多個鉆孔軌跡的位置關(guān)系，隨鉆軌跡儀的數(shù)未能實(shí)時傳輸?shù)降孛?，無法及時指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工，此外由于煤礦井下鉆進(jìn)施工按鉆進(jìn)深度進(jìn)行工程結(jié)算，導(dǎo)致鉆孔深度的測量存在人為錯誤的因素，目前僅依靠隨鉆軌跡測量儀器無法解決人為作弊、謊報誤報鉆孔深度的問題。

針對煤礦井下鉆孔群軌跡測量的實(shí)際需求，設(shè)計開發(fā)了煤礦井下鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用水壓傳感器監(jiān)測鉆孔施工過程中鉆桿內(nèi)水壓的變化情況，結(jié)合隨鉆軌跡儀的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判定鉆孔深度，消除了鉆孔深度的人為錯誤，借助已有的井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)從井下鉆場到地面監(jiān)控站的實(shí)時傳輸，利用自主開發(fā)的全數(shù)據(jù)分析法鉆孔群數(shù)據(jù)處理軟件，完成鉆場煤巖界面、煤層厚度與走向及鉆孔群軌跡等的三維顯示。該鉆孔群軌跡在線監(jiān)測系統(tǒng)為確定鉆進(jìn)盲區(qū)，指導(dǎo)鉆孔施工提供了直觀且科學(xué)的依據(jù)。

1 鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸通道及數(shù)據(jù)分析處理軟件3部分組成，鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1。

采用YZG7隨鉆軌跡儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)出，借助接入井下光纖環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸終端將軌跡數(shù)據(jù)上傳到地面計算機(jī)，計算機(jī)上的鉆孔群數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、成圖及顯示。YZG7隨鉆軌跡儀包括孔口顯示控制器與鉆孔測量探管。鉆孔測量探管測量鉆孔的傾角、方位角、工具面向角等空間姿態(tài)參數(shù)，鉆孔施工完成起鉆后，連接孔口顯示控制器與鉆孔測量探管，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步后，將鉆孔測量探管的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳到孔口顯示控制器中。通過RS485接口將孔口顯示控制器姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到井下數(shù)據(jù)傳輸終端，數(shù)據(jù)傳輸終端通過井下光纖環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到地面計算機(jī)，使用鉆孔群軌跡數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示，包括對鉆場軌跡群進(jìn)行三維可視化顯示，根據(jù)鉆孔軌跡群的偏移特性，給出后續(xù)補(bǔ)充鉆孔施工的指導(dǎo)軌跡。

1.2 基于水壓傳感器的深度測量

在鉆桿尾部的水辮上安裝水壓探頭，該水壓探頭接入壓力傳感器，每間隔6 s采集1次鉆桿內(nèi)水壓數(shù)據(jù)，結(jié)合鉆孔姿態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。采用水壓傳感器測量鉆孔中靜水壓力數(shù)據(jù)及當(dāng)前鉆孔傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行計算獲得當(dāng)前鉆孔深度值[10]。

式中：H為鉆孔深度；p為靜水壓力；ρ為水的密度；g為重力加速度；θ為鉆孔傾角。

獲得鉆孔深度并進(jìn)行保存、輸出。在計算鉆孔深度時需要提前給定鉆機(jī)的供水密度值，供水密度值可通過檢測的方式獲得，煤礦井下通常采用清水給鉆機(jī)供水，供水密度值取1。采用這樣方法有效避免了鉆孔施工人員對鉆孔深度的謊報和誤報。

井下鉆孔水壓實(shí)測數(shù)據(jù)圖如圖2，從圖2中可提取出靜水壓力數(shù)據(jù)，圖中壓力數(shù)據(jù)與虛線相交的點(diǎn)即為靜水壓力數(shù)據(jù)。靜水壓力就是當(dāng)鉆機(jī)停泵卸掉鉆機(jī)水辮之前，所測量的鉆桿內(nèi)水的瞬時壓力，在每鉆進(jìn)1根鉆桿后測量該鉆桿的靜水壓力，整個鉆孔鉆進(jìn)完成之后，再提取每根鉆桿上的靜水壓力數(shù)據(jù)。

圖2 井下鉆孔水壓數(shù)據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of water pressure in borehole

1.3 軌跡數(shù)據(jù)處理與三維成圖

鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)采用均角全距法進(jìn)行軌跡計算。通過式（2）～式（4）計算出各測點(diǎn)的水平位移x，左右位移y及上下位移z。

式中：βi為第i個測點(diǎn)的傾角；αi為第i個測點(diǎn)的方位角；α0為鉆孔主設(shè)計方位角；△Li為第i個測段的長度。

在獲得水平位移x，左右位移y及上下位移z后即可繪制鉆孔軌跡。

2 鉆孔群在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件

1）YZG7隨鉆軌跡儀。YZG7隨鉆軌跡儀測量探管由相互正交的三軸磁感應(yīng)傳感器及三軸重力加速度傳感器，信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器STM32F103、電源電路及鋰離子電池組等組成。微控制器將接收到地磁場分量和重力加速度分量解算為鉆孔姿態(tài)參數(shù)的傾角、方位角和工具面向角。YZG7隨鉆軌跡儀孔口顯示控制器數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn)：定時同步、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)出XML文件格式的測量數(shù)據(jù)、軌跡計算等功能。

2）KJ117數(shù)據(jù)傳輸終端。KJ117數(shù)據(jù)發(fā)送終端由數(shù)據(jù)通信模塊和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊組成，當(dāng)數(shù)據(jù)通信模塊通過RS485模塊接收到孔口顯示控制器的鉆孔測量數(shù)據(jù)，將其自動轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊，以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號送入井下光纖環(huán)網(wǎng)，地面KJ117數(shù)據(jù)接收終端將接收到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機(jī)，利用基于全數(shù)據(jù)分析法的數(shù)據(jù)處理軟件就可接收到井下上傳的鉆孔測量數(shù)據(jù)。

3 基于全數(shù)據(jù)分析的處理方法

基于全數(shù)據(jù)分析法的處理方法包括：①地磁偏角計算:實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)中磁方位角到正方位角的轉(zhuǎn)換；②數(shù)據(jù)校準(zhǔn):采用七點(diǎn)平滑法抑制奇異點(diǎn)，使得軌跡曲線更為圓滑；③軌跡數(shù)據(jù)提?。簭拇罅康臏y量數(shù)據(jù)中，提取停鉆時測量的有效姿態(tài)數(shù)據(jù)，用于軌跡計算；④水壓數(shù)據(jù)提取：從連續(xù)監(jiān)測的巨量數(shù)據(jù)中，提取不同深度的靜水壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合不同深度上的傾角數(shù)據(jù)，計算鉆孔深度；⑤三維建模：采用Voxler軟件對鉆孔群軌跡實(shí)現(xiàn)三維建模，根據(jù)打鉆記錄繪制煤巖界面等；⑥鉆孔群三維顯示：圈定鉆進(jìn)盲區(qū)，給出后續(xù)鉆進(jìn)施工的指導(dǎo)軌跡?；谌珨?shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件主界面如圖3。

圖3 基于全數(shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件主界面Fig.3 Main interface of borehole trajectory data processing software based on full data analysis

4 現(xiàn)場應(yīng)用

淮北礦業(yè)某煤礦為治理瓦斯災(zāi)害，在井下施工大量穿層鉆孔、順層鉆孔及高位鉆孔等。由于采用普通測斜儀進(jìn)行施工無法實(shí)現(xiàn)隨鉆測斜，測量工序多，費(fèi)時費(fèi)力，測量數(shù)據(jù)不能實(shí)時上傳到地面進(jìn)行分析處理與三維顯示，無法對實(shí)鉆軌跡和設(shè)計軌跡直觀比對，且孔深依靠人工計錄鉆桿數(shù)量，存在鉆孔深度造假的可能。為此，采用煤礦井下鉆孔群軌跡在線監(jiān)測系統(tǒng)并對底抽巷鉆場穿層鉆孔施工進(jìn)行了在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理。巷道位于10煤層底板下約15～25 m，煤層底板下方位為灰?guī)r層，為鉆場設(shè)計條帶預(yù)抽瓦斯穿層鉆孔80個，軸向間距5 m，列間距5 m，鉆孔終孔穿過10煤層頂板約3 m。鉆場實(shí)際共施工穿層孔76個，后補(bǔ)充鉆孔37個，共計施工113個鉆孔。鉆孔群軌跡及煤層底板曲面如圖4，實(shí)測煤層頂?shù)装迮c設(shè)計煤層頂?shù)装宓膶Ρ热鐖D5。

圖4 鉆孔群軌跡及煤層底板曲面Fig.4 Drilling group track and seam floor surface

圖5 實(shí)測煤層頂?shù)装迮c設(shè)計煤層頂?shù)装宓膶Ρ菷ig.5 The comparison between the roof and floor of coal seam and the designed roof and floor

圖4是基于全數(shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件對鉆孔群軌跡的三維成圖。其中各條黑色曲線是各個鉆孔的實(shí)測軌跡，測試軌跡與灰色曲面相交的點(diǎn)為記錄的見煤點(diǎn)?；疑媸怯摄@孔見煤點(diǎn)構(gòu)成的煤層底板曲面。

圖5給出設(shè)計的煤層與根據(jù)定位鉆孔實(shí)測軌跡確定的煤層的對比。其中灰色條帶部分為設(shè)計煤層的位置和結(jié)構(gòu)，灰色條帶上方的大塊起伏區(qū)域?yàn)閷?shí)測的煤層結(jié)構(gòu)和走向，其中間隔的白色小柱體為定位鉆孔穿過煤層的孔段?？梢钥吹皆O(shè)計煤層和實(shí)測煤層相差較大，實(shí)測的煤層位置與結(jié)構(gòu)反映了煤層的真實(shí)賦存情況。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有的鉆孔測量無法實(shí)現(xiàn)鉆孔群軌跡顯示、對打鉆工作指導(dǎo)性不強(qiáng)的缺陷，開發(fā)了煤礦井下鉆孔群軌跡在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下鉆孔軌跡的實(shí)時上傳以及鉆場鉆孔群軌跡、煤層頂?shù)装宓娜S顯示，能夠給定鉆孔群軌跡覆蓋區(qū)域及終孔落點(diǎn)，準(zhǔn)確判定鉆進(jìn)盲區(qū)，為補(bǔ)充治災(zāi)工程提供及時、有效的科學(xué)依據(jù)。