煤礦井下鉆孔軌跡測量技術的研究

楊建中

（汾西礦業集團兩渡煤業，山西 靈石 031302）

引言

隨著煤礦采掘深度的增加，井下布置的各類鉆孔數量以及鉆進長度均呈遞增趨勢，掌握鉆孔實際軌跡情況對提高超前地質勘探、瓦斯以及水害治理等均有較為明顯的促進意義[1-2]。傳統使用的有纜測量及數據傳輸方式由于測量過程繁瑣、故障率高等問題，已經不能滿足煤礦高效生產的需要[3]。采用便于施工、智能化以及成圖效果好的鉆孔軌跡測量技術可顯著提升鉆孔軌跡測量效果[4-5]。為此，本文提出采用MEMS 陀螺代替傳統的傳感器進行鉆孔軌跡測量，通過藍牙傳輸方式代替有線傳輸實現數據通信，同時通過CAD 成圖、三維可視化技術實現鉆孔軌跡直觀顯現，便于對后續鉆孔軌跡分析。

1 鉆孔軌跡測量技術

鉆孔軌跡測量為空間軌跡測量的一部分，涉及到的技術包括有坐標體系構建與轉換、鉆孔軌跡參數選擇以及擬合算法等。

1.1 鉆孔軌跡計算方法

一般情況下鉆孔測量中坐標系原點為鉆孔開孔位置，X、Y、Z 分別為正北、正東以及垂向方向。井下鉆孔鉆進時單節鉆桿長度一般為1～3 m，點距為1～3 m。以鉆孔開孔位置為坐標原點，結合點與點間的空間位置關系以及測量參數即可求出每個測量點的空間位置坐標。鉆孔測量點坐標常用的計算方法有均角全距法、全角半距法以及曲率半徑法等類型，具體各種測量方法的效果對比情況見表1。可以看出，曲率半徑法雖計算耗時最長，但計算精度較高。為此，提出將曲率半徑法應用到鉆孔軌跡測量中。

表1 不同測量方法計算效果

1.2 鉆孔軌跡測量系統的硬件結構

系統硬件結構包括有測量探管以及控制主機，其中測量探管采用無磁鉆桿連接鉆頭及鉆桿，具體結構見圖1 所示。

圖1 軌跡測量系統硬件結構

在鉆孔鉆進過程中測量探管可實現鉆孔軌跡測量，實現無線隨鉆測量。測量探管主要的探測元件為數據采集傳感器，由三軸MEMS 陀螺、三軸加速度傳感器以及溫度傳感器等組成。三軸加速度傳感器主要用以鉆孔角度探測；三軸MEMS 陀螺以及溫度傳感器可通過對角度測量誤差以及溫度誤差進行補償、糾正，從而起到提高測量探測測量精度作用。

具體探測過程為：首先同步控制主機以及測量探管，隨后測量探測開始隨著鉆孔鉆進不斷采集鉆孔軌跡數據（包括有鉆孔深度、鉆孔傾角、工具面向角以及方位角等），獲取到的數據暫時存儲在探管存儲器內，測量完成后將數據傳輸給控制主機。

1.3 測量數據傳輸

鉆孔軌跡測量數據采用藍牙傳輸方式，將暫時存儲在探管存儲器內的鉆孔軌跡數據傳給控制主機，控制主機將數據傳輸給數據傳輸子站，后傳輸給主站。數據傳輸主站內置有探測數據管理系統，可接收、處理不同鉆孔探測到的鉆孔軌跡數據。數據傳輸主站將數據處理結果通過已有的工業以太網傳給監控中心，監控中心主機可顯示井下鉆孔鉆探結果。具體鉆孔軌跡測量數據傳輸系統結構見圖2。

圖2 鉆孔軌跡測量數據傳輸系統結構圖

1.4 三維可視化

采用CAD 軟件實現鉆孔軌跡的三維可視化顯示，具體數據處理步驟為：將獲取到的鉆孔軌跡數據進行坐標轉換，形成位置關系機空間距離數據；將轉換得到的數據根據大地坐標體系進行轉換；對數據進行批量處理，從而形成CAD 可識別處理的數據元件；在CAD 中直接調用該數據元件，從而實現鉆孔軌跡的自動繪制。

2 鉆孔軌跡測量技術應用實例分析

采用鉆孔軌跡測量技術可實現鉆孔軌跡測量數據的高效采集、有效傳輸以及測量結果的三維可視化顯示。在對鉆孔軌跡測量數據以及三維可視化效果分析時，首先需要采用測量探管獲取到鉆孔軌跡數據，然后通過數據傳輸技術實現鉆孔軌跡數據的實時傳輸，通過子站、主站對鉆孔軌跡數據進行處理后，將鉆孔軌跡探測結果傳輸給地面監控中心，從而實現鉆孔軌跡三維可視化顯示。

在山西某礦采用鉆孔軌跡測量技術對2056 底板瓦斯抽放巷瓦斯抽采鉆場內布置的鉆孔軌跡數據進行采集，具體處理后的鉆孔軌跡數據見表2。在鉆場內共計布置65 個鉆孔，鉆孔深度在22～68 m 間，探測系統耗時10 min 即實現了鉆孔軌跡數據處理。具體鉆孔軌跡三維顯示結果如圖3 所示。從三維顯示結果可掌握鉆孔實際軌跡情況，從而為瓦斯抽采空白帶判定、鉆孔補充施工等工作開展提供了切實指導。

表2 鉆孔軌跡數據

圖3 鉆孔軌跡三維顯示結果

3 結論

1）采用無線藍牙傳輸方式可實現探測數據的實時傳輸，同時通過采用專用的數據處理軟件實現鉆孔軌跡的三維可視化顯示。

2）現場應用效果表明，采用鉆孔軌跡測量技術可提高鉆孔軌跡測量數據獲取、傳輸以及處理效率，同時利用三維可視化技術可提高鉆孔軌跡顯示效果。