基于鉆孔軌跡精確測量的瓦斯抽采鉆孔群空白帶控制技術(shù)

張 軍，王霄菲，王小龍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。發(fā)生煤與瓦斯突出災(zāi)害，將對礦井及社會產(chǎn)生極其嚴(yán)重的負(fù)面影響。防治煤與瓦斯突出災(zāi)害是煤礦需要研究的重要課題。煤層瓦斯預(yù)抽是防治煤與瓦斯突出的主要措施，煤層瓦斯預(yù)抽主要方法是打鉆孔預(yù)抽煤層中的瓦斯。影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的因素主要有鉆孔成孔情況、鉆孔分布、封孔效果等，其中因為鉆孔施工不到位而留有空白帶會給煤層瓦斯消突工作帶來隱患。劉軍[1]等研究了抽采時間、鉆孔間距和瓦斯抽采有效影響半徑的關(guān)系；李克松[2]等研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測量系統(tǒng)，通過計算得到實際鉆孔軌跡；徐青偉[3]等對鉆孔布置方式進(jìn)行調(diào)整，利用“三花眼”布孔方式與縮短抽采鉆孔間距布孔方式；董洪凱[4]建立了煤層流-固耦合模擬方程，通過對模擬結(jié)果分析確定了抽采空白帶范圍；向真才[5]對鉆孔隨鉆軌跡進(jìn)行分析，分析了順層抽采鉆孔空白帶情況；李鵬[6]測定預(yù)抽鉆孔的成孔軌跡，確定鉆孔在不同方向上的偏斜量；李普[7]等研究了典型穿層鉆孔間抽采空白帶的存在形式；高珺[8]等進(jìn)行隨鉆測量數(shù)據(jù)聲波傳輸?shù)难芯浚皇擒奫9]等提出了在實現(xiàn)自動化定向鉆探的基礎(chǔ)上向智能化定向鉆探邁進(jìn)的發(fā)展路徑；王鵬[10]研究了工作面空白帶注水孔高壓注水后可保證工作面安全高效回采；陳睿[11]研發(fā)了可根據(jù)工程平面圖模擬煤層真實賦存狀態(tài)，并對抽采鉆孔布孔合理性進(jìn)行智能評判的系統(tǒng)。通過鉆孔開孔分布以及軌跡測量技術(shù)的研究，對改善鉆孔覆蓋空白帶起到了一定的作用，但針對這方面的研究還不夠深入。分析認(rèn)為需要從鉆孔施工全過程做起，充分掌握鉆孔施工中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，主要包括鉆孔開孔傾角、方位角，鉆孔鉆進(jìn)過程中的鉆孔軌跡，見煤層位置、出煤層位置等。為此，通過對鉆孔各項參數(shù)的測量，分析鉆孔覆蓋區(qū)域與范圍，減小鉆孔覆蓋空白帶，提高鉆場后續(xù)施工設(shè)計效果，同時提高瓦斯預(yù)抽采效果。

1 抽采空白帶產(chǎn)生的因素

造成鉆孔空白帶主要有2個方面的原因：

1）抽采鉆孔間距過大，鉆孔工程量不足，影響抽采效果。通過不同間距預(yù)抽鉆孔的現(xiàn)場測試，對試驗鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以分析結(jié)果與瓦斯抽采數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對預(yù)抽鉆孔布孔方式進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［3］等在這方面都做過相關(guān)研究，并在實踐生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

2）造成瓦斯抽采鉆孔空白帶的另一個主要因素，是鉆孔施工過程中，鉆孔軌跡因地層環(huán)境等因素影響產(chǎn)生彎曲，將會在煤層中造成抽采空白帶，無法按照設(shè)計軌跡進(jìn)入煤層，影響煤層瓦斯抽采效果。針對這方面的影響的研究較少，這里將對這方面的技術(shù)進(jìn)行重點分析。

2 鉆孔軌跡測量技術(shù)

鉆孔軌跡測量技術(shù)主要由鉆孔開孔精確測量技術(shù)和鉆孔軌跡隨鉆測量技術(shù)組成。鉆孔開孔精確測量技術(shù)主要是由光纖陀螺、MEMS陀螺及相關(guān)電路組成；鉆孔軌跡隨鉆測量技術(shù)主要由鉆孔測量硬件，數(shù)據(jù)計算及三維顯示軟件組成。

2.1 鉆孔軌跡精確測量技術(shù)

鉆孔軌跡精確測量系統(tǒng)主要包括鉆機(jī)開孔姿態(tài)精確測量與鉆孔軌跡精確測量。鉆孔開孔姿態(tài)精確測量使用光纖陀螺作為測量傳感器，可以隨著鉆機(jī)姿態(tài)變化實時精確測量鉆孔開孔傾角與方位角，保證鉆機(jī)開孔姿態(tài)準(zhǔn)確。鉆孔軌跡測量可隨鉆測量鉆孔軌跡，也可以成孔后進(jìn)行鉆孔軌跡測量，測量完成后可計算鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，繪制鉆孔軌跡二維、三維圖。通過對鉆機(jī)開孔姿態(tài)的實時精確測量與鉆孔軌跡的測量，可以精準(zhǔn)掌握鉆孔的延伸變化情況。

鉆機(jī)開孔定向技術(shù)主要是采用光纖陀螺的尋北系統(tǒng)。它為整個方案提供方位基準(zhǔn)，尋北精度決定了裝備的整體精度。系統(tǒng)采用濾波的數(shù)據(jù)處理方法減小光纖陀螺的隨機(jī)漂移誤差，完成不同條件下系統(tǒng)尋北的精度。

傾角和真方位角是鉆機(jī)開孔定向的關(guān)鍵參數(shù)。尋北系統(tǒng)采用高精度單軸光纖陀螺進(jìn)行尋北，得到傾角、方位角的初始基準(zhǔn)。尋北方法因具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便、尋北速度快等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。在尋北完成后采用三軸MEMS陀螺和MEMS加速度計組合進(jìn)行姿態(tài)動態(tài)跟蹤。施工時，根據(jù)設(shè)計的方位角和傾斜角，將定向儀放置在鉆場附近的水平處，進(jìn)行尋北；尋北完成后，將定向儀放置在鉆機(jī)導(dǎo)軌處，在調(diào)整鉆機(jī)姿態(tài)的同時會實時顯示當(dāng)前鉆機(jī)傾角和方位角，直至鉆機(jī)達(dá)到設(shè)計角度。

在鉆機(jī)完成開孔后，鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中可以進(jìn)行隨鉆軌跡的測量，也可以在鉆孔鉆進(jìn)完成后進(jìn)行鉆孔軌跡的測量。測量完成后對測量的鉆孔傾角、方位角、鉆孔深度數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。鉆孔軌跡計算是對鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)和鉆孔水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深層處理，主要用于確定鉆孔軌跡的管理。計算通過均角全距法將測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鉆孔軌跡的三維空間坐標(biāo)。具體算法是利用公式:

式中：x為水平方向（前后）位移；y為左右位移；z為上下位移；△Li為第i個測段的長度；βi為第i個測點的傾角；αi為第i個測點的方位角；α0為鉆孔主設(shè)計方位角。

根據(jù)軌跡計算獲得的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)繪制各個鉆孔的軌跡圖，包括相對于鉆孔坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖以及相對于地理坐標(biāo)系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖。

2.2 鉆孔軌跡三維坐標(biāo)計算與顯示

三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)鉆孔坐標(biāo)到鉆場坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了鉆孔的三維建模和三維顯示。針對鉆場或巷道中所有鉆孔，先在鉆場或巷道中規(guī)定1個基準(zhǔn)零點，給定每個鉆孔起點相對于鉆場基準(zhǔn)點的三維坐標(biāo)值，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為鉆場坐標(biāo)。根據(jù)鉆孔施工記錄給定鉆孔見煤深度、出煤深度，同時可以確定鉆孔見煤點三維坐標(biāo)和出煤點三維坐標(biāo)。

在計算鉆孔軌跡在空間的三維坐標(biāo)后，采用三維建模及顯示軟件可以顯示鉆孔軌跡在空間中的分布情況。通過鉆孔軌跡的三維空間展示，可以改善傳統(tǒng)鉆孔軌跡二維平面顯示的弊端，更加直觀的展示鉆孔軌跡在三維空間的分布。通過鉆孔軌跡的空間分布分析鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工，合理簡化鉆孔軌跡覆蓋區(qū)域描述，直觀表示鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域。鉆孔設(shè)計軌跡圖如圖1。

圖1 鉆孔設(shè)計軌跡圖Fig.1 Trajectory diagram of drilling design

由圖1（a）可以看出，二維鉆孔軌跡設(shè)計可以由平面觀察鉆孔軌跡與鉆場相對位置。由圖1（b）可以看出，鉆孔三維軌跡圖可以顯示巷道、鉆場、鉆孔軌跡、煤層等與鉆孔相關(guān)的信息。其中鉆孔軌跡顯示包括設(shè)計鉆孔軌跡顯示和實鉆鉆孔軌跡顯示2部分。三維顯示可以直觀顯示鉆孔的軌跡以及鉆孔穿過煤層的見煤點與出煤點。采用將鉆孔進(jìn)煤點與出煤點及鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域由三維空間投影到水平面的方法，定量描述鉆孔覆蓋范圍。通過設(shè)計鉆孔覆蓋區(qū)域和實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域的對比，確定鉆孔瓦斯抽采空白帶的位置及大小。

2.3 鉆孔偏移規(guī)律

瓦斯抽采鉆孔關(guān)注鉆孔進(jìn)入煤層的位置、鉆孔穿出煤層的位置、鉆孔在煤層中覆蓋的區(qū)域。只有掌握了鉆孔的數(shù)據(jù)參數(shù)，才能了解是否存在鉆孔覆蓋空白帶及空白帶位置，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工。在鉆孔施工中，鉆孔軌跡在受到巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自重及鉆進(jìn)參數(shù)等多種因素的影響下，實鉆軌跡總是偏離設(shè)計軌跡。這樣就會在煤層中產(chǎn)生鉆孔覆蓋空白帶，影響瓦斯抽采效果。需要根據(jù)已有實鉆軌跡與鉆孔設(shè)計參數(shù)找到鉆孔偏移的整體規(guī)律，在后續(xù)鉆孔施工中根據(jù)偏移規(guī)律重新設(shè)計鉆孔開孔傾角及方位角，使得鉆孔實際軌跡的落點盡可能處于鉆孔瓦斯抽采空白帶內(nèi)。

鉆孔軌跡偏移規(guī)律分析需要考慮巖層性質(zhì)、鉆機(jī)類型、鉆進(jìn)壓力等諸多因素。在同一鉆場，相同鉆機(jī)、相同鉆進(jìn)參數(shù)的情況下，鉆孔偏移規(guī)律的統(tǒng)計則主要考慮不同鉆孔傾角、方位角的偏移規(guī)律。首先對鉆場鉆孔按照傾角、方位角進(jìn)行分類，分類原則是傾角、方位角相近的鉆孔歸為一類進(jìn)行偏移規(guī)律分析。鉆孔偏移規(guī)律統(tǒng)計主要依據(jù)鉆孔開孔傾角、方位角參數(shù)，通過鉆孔全孔各個測點傾角、方位角與開孔傾角、方位角進(jìn)行對比計算，統(tǒng)計得到鉆孔偏移規(guī)律。鉆孔偏移計算方法示意圖如圖2。

圖2 鉆孔偏移計算方法示意圖Fig.2 Sketch map of borehole migration calculation method

鉆孔軌跡偏移計算方法是對鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)的深層處理，主要用于確定鉆孔軌跡的延伸方向與實際見煤位置、出煤位置。通過實測鉆孔每個測點的傾角或方位角數(shù)據(jù)與開孔傾角或方位角數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而計算任意測點位置與開孔傾角或方位角之間的變化量。具體計算如下：

式中：θ′為鉆孔實測傾角或方位角與開孔傾角或方位角之間的偏差；θ1、θ2、…、θn為鉆孔軌跡實測傾角或方位角；θ為鉆孔開孔傾角或方位角。

根據(jù)鉆孔軌跡以及鉆孔軌跡在煤層中的分布情況，總結(jié)鉆孔偏移規(guī)律。具體包括分析開孔傾角偏差，開孔方位角偏差，實鉆軌跡偏差，見煤點位置偏差，出煤點位置偏差等，統(tǒng)計各種偏差大小及分布，給出鉆孔偏移特性及規(guī)律。以開孔傾角范圍在50°～55°之間為例統(tǒng)計軌跡偏差。

通過統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆孔鉆進(jìn)過程中存在傾角沿鉆孔鉆進(jìn)方向向更大傾角延伸，即鉆孔越深，鉆孔傾角越大。通過對其他不同大小鉆孔傾角分析，也存在這樣的現(xiàn)象。同時存在鉆孔沿鉆孔鉆進(jìn)方向向右延伸，即鉆孔越深，鉆孔軌跡越向右偏。

根據(jù)鉆孔偏移特性，修改后續(xù)鉆孔設(shè)計，確定后續(xù)鉆孔或補(bǔ)充鉆孔的開孔傾角及方位角，使得在巖層地質(zhì)條件、煤層分布、鉆桿自重及鉆進(jìn)參數(shù)等多種因素不變的情況下，鉆孔在煤層進(jìn)出點的位置盡可能與設(shè)計位置一致，達(dá)到控制與消除瓦斯抽采空白帶的目的。

3 應(yīng)用實例

淮北礦業(yè)某礦為治理瓦斯災(zāi)害，在井下施工大量底抽巷道穿層鉆孔。底抽巷瓦斯抽采鉆孔是由底抽巷頂板或側(cè)幫向上施工穿層鉆孔，使鉆孔穿過上方煤層中預(yù)掘巷道附近位置，預(yù)先抽采煤層中預(yù)掘巷道周圍的瓦斯。采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對該礦鉆孔進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。底抽巷位于煤層底板下約30～70m位置，各鉆場瓦斯穿層鉆孔開孔軸向間距0.5m，列間距0.5m；見煤點軸向間距5m，列間距5m。二維軌跡設(shè)計圖如圖3。鉆孔軌跡與煤層三維顯示圖如圖4。由圖4可以看出，鉆場、煤層以及與實際鉆孔軌跡的相對位置關(guān)系。

圖3 二維軌跡設(shè)計圖Fig.32 D trajectory design

圖4 鉆孔軌跡與煤層三維顯示圖Fig.43 D display of borehole track and coal seam roof and floor

根據(jù)該礦實際抽采經(jīng)驗，鉆孔瓦斯抽采覆蓋區(qū)域為鉆孔周圍半徑2.5m的范圍以內(nèi)。為保證預(yù)掘巷道周圍區(qū)域瓦斯抽采的全覆蓋，通常鉆孔設(shè)計將鉆孔在煤層預(yù)掘進(jìn)巷道附近的落點設(shè)置為等間距，鉆孔進(jìn)出煤層的落點其行列間距均為5m左右。雖然設(shè)計軌跡實現(xiàn)了鉆孔瓦斯抽采全覆蓋，但由于前述多種因素的影響，鉆孔實鉆軌跡往往偏離設(shè)計軌跡，使得鉆孔瓦斯抽采不能實現(xiàn)全區(qū)域覆蓋，從而出現(xiàn)了鉆孔覆蓋空白帶，導(dǎo)致部分區(qū)域瓦斯未能抽采泄壓存在安全風(fēng)險。

鉆孔覆蓋區(qū)空白帶分析就是基于鉆孔軌跡偏移規(guī)律計算與統(tǒng)計，根據(jù)已測鉆孔軌跡偏移規(guī)律，設(shè)計未鉆進(jìn)鉆孔開孔傾角、方位角等參數(shù)，減小、控制鉆孔覆蓋空白帶，提高瓦斯抽采效果。

采用鉆孔數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件對鉆場設(shè)計鉆孔覆蓋區(qū)域、實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域及補(bǔ)充鉆孔后的覆蓋區(qū)域進(jìn)行了顯示與評價，實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域如圖5。

圖5 實鉆鉆孔覆蓋區(qū)域Fig.5 Drill holes coverage area

由圖5可以看出，鉆孔施工完成后仍有部分區(qū)域存在空白帶（紅圈處）。通過實鉆鉆孔軌跡的三維顯示和對實鉆鉆孔偏移規(guī)律的分析，可以更加合理地設(shè)計鉆孔開孔參數(shù)，控制鉆孔的覆蓋區(qū)域，利用開孔精準(zhǔn)測量技術(shù)和鉆孔軌跡測量技術(shù)對鉆場進(jìn)行補(bǔ)充鉆孔施工，提高了鉆孔瓦斯抽采覆蓋范圍，消除鉆孔瓦斯抽采空白帶，提高了瓦斯抽采效果。

4 結(jié) 語

1）開發(fā)了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示軟件，軟件具有鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維顯示、鉆孔偏移規(guī)律分析等功能，可實現(xiàn)對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)、鉆孔偏移特性的分析。

2）解決了鉆場、巷道、煤層、預(yù)掘進(jìn)巷道、鉆孔軌跡群的三維顯示，直觀顯示鉆孔軌跡與煤層的三維空間位置關(guān)系。通過對鉆孔偏移規(guī)律的分析，提高了鉆孔施工效果，減少了鉆孔覆蓋空白帶。為鉆孔瓦斯抽采空白帶的定量評價提供了方法與指標(biāo)，能指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計與施工。

3）鉆孔軌跡偏移規(guī)律數(shù)據(jù)分析與三維顯示軟件為鉆孔群數(shù)據(jù)可視化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了一個良好的工具和平臺。數(shù)據(jù)計算與三維顯示功能全面、操作簡單，可使鉆孔施工人員更加全面掌握鉆孔信息。