瓦斯抽采鉆孔軌跡檢測技術及應用

曹 陽，張文康，趙 偉，王 濤

（河南龍宇能源股份有限公司，河南 永城 476600）

礦井瓦斯超限嚴重危害煤礦安全高效生產，抽采鉆孔預抽煤層瓦斯是目前治理瓦斯超限的重要手段[1-2]。鉆孔的合理設計及布置等決定著鉆孔的有效利用率，而鉆孔的實際軌跡直接影響鉆孔的成孔效果[3-4]。在礦井鉆進過程中，由于鉆頭受力不均，鉆孔鉆進極易發生偏移。抽采鉆孔軌跡是否準確到達鉆孔設計位置是預抽瓦斯的關鍵，偏移鉆孔易造成瓦斯抽放盲區，形成空白條帶[4-5]，不僅直接影響鉆孔的成孔和瓦斯預抽效果，同時容易誘發其他安全事故。因此，研究鉆孔的軌跡偏移至關重要[6-8]。

煤礦鉆孔技術主要包括定向鉆進和回轉鉆進，定向鉆進由于鉆孔軌跡可調可控，在煤礦井下取得了良好的應用效果，但其價格比較昂貴、施工工藝復雜；回轉鉆進鉆孔軌跡不可控，但其價格便宜、施工簡單便捷，煤礦井下大部分瓦斯抽采鉆孔采用回轉鉆進施工方式[9-11]。不論哪種鉆進技術，精準實時測量鉆孔軌跡可為鉆孔施工、提高抽采效果提供關鍵性指導。煤礦現普遍采用隨鉆軌跡儀等儀器測量瓦斯抽采鉆孔的軌跡，以保證鉆孔施工安全進行[12]。隨鉆測量技術有效解決了傳統回轉鉆進工藝技術鉆孔深度淺、軌跡不可控、存在瓦斯抽采空白帶等問題，是煤礦井下鉆探技術由“軌跡不可控”到“精確定向”的關鍵技術[13]。

目前，礦用鉆孔軌跡測量方法主要分為有線隨鉆測量系統和無線隨鉆測量系統[12,14]。有線隨鉆測量系統直接向井內傳感器供電，實現地面、井內雙向通訊，數據傳輸效率高、信息量大，但安裝復雜、對密封要求極高、加工難度大且壽命短，容易影響正常鉆進；無線隨鉆測量系統利用泥漿脈沖或電磁波等將鉆孔軌跡數據從孔內實時傳輸到孔外，信號傳輸直接暴露于泥漿和地層，受地層環境干擾大[9]。上述兩種軌跡測量系統只能實現單個鉆孔軌跡成圖，系統生成的上下偏移圖和左右偏移圖均為二維，無法直觀呈現鉆孔三維軌跡形態，同時數據處理系統無法分析鉆孔偏移規律，不能及時有效指導后續鉆孔的設計與施工[15-16]。

鉆孔軌跡曲線三維呈現、多孔測量是瓦斯抽采鉆孔軌跡測定儀的發展趨勢。本文基于三維電子羅盤和陀螺儀原理研制出一種能精準測定鉆孔空間軌跡和鉆孔深度的礦用手持式鉆孔軌跡儀，并在陳四樓礦井現場應用，實現了對礦井的鉆孔群管理，精確控制鉆孔軌跡，為減少鉆孔空白區提供關鍵性指導，保證了鉆孔軌跡在目標地層有效延伸。

1 手持式鉆孔軌跡儀測量原理及設備

1.1 技術原理

1.1.1 電子羅盤技術原理

測量鉆孔傾角和方位角是鉆孔軌跡測量系統的最終目的，可以基于磁性傳感器的姿態測量技術來實現該目的。通常需要通過三維正交磁性傳感器來感知地磁場分量，通過三維正交加速度傳感器來感知地球重力場分量，然后通過相關計算實現鉆孔傾角和方位角測量[17-18]。

電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU（微控制單元）構成。其中三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，當磁力儀發生傾斜時采用傾角傳感器進行補償；MCU 處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出。該磁力儀采用三個互相垂直的磁阻傳感器，傳感器用于檢測軸向上的地磁場強度，其中X方向的傳感器用于檢測地磁場在X方向的矢量值；Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值；Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。

MCU 對傳感器放大后的模擬輸出信號進行處理，磁場測量范圍為±2 Gauss，通過12 位A/D 轉換器轉換，磁力儀分辨出小于1 mGauss 磁場變化量，通過高分辨力來準確測量出200～300 mGauss 的X方向、Y方向、Z方向的磁場強度，然后通過鉆孔傾角計算公式（式（1））計算出測點傾角。

式中：GX為儀器坐標系中地球重力場在X軸方向的分量；GY為儀器坐標系中地球重力場在Y軸方向的分量；GZ為儀器坐標系中地球重力場在Z軸方向的分量。

鉆孔方位角計算公式見式（2）。

式中：G0為地理坐標系中地球重力場在Z軸方向的分量；BX為儀器坐標系中地球磁力場在X軸方向的分量；BY為儀器坐標系中地球磁力場在Y軸方向的分量；BZ為儀器坐標系中地球磁力場在Z軸方向的分量。

1.1.2 陀螺儀技術

陀螺儀作為一種用于測量角度以及維持方向的設備，其原理基于角動量守恒原理[19-20]。本文研制的鉆孔軌跡儀選用三軸陀螺儀，主要用于載體角速度矢量測量。采用3 個相互兩兩正交的單軸陀螺儀組成三軸傳感器，用來測量計算地球自轉角速度矢量在測量軸上的投影分量，鉆孔傾角、方位角、工具面向角計算公式見式（3）～式（6）。

式中：I為鉆孔傾角；A為鉆孔方位角；T為鉆孔工具面向角；ax為X方向加速度；ay為Y方向加速度；g為重力加速度；ωeH為地球自轉角速度的水平分量；ωeV為地球自轉角速度的垂直分量；ωe為地球自轉角速度；φ為當地緯度。

由于鉆孔軌跡測量存在隨機誤差和系統誤差，隨機誤差是鉆孔測量系統在使用過程中因為微小波動造成的誤差，但誤差影響較小，系統誤差是測量系統本身的誤差，本文在設計鉆孔軌跡檢測裝置時為彌補系統誤差，設置陀螺儀裝置彌補羅盤測量誤差。

1.2 設備組成

手持式鉆孔軌跡測量儀主要由礦用本安型手持式鉆孔軌跡儀探管、礦用智能手機、碳纖維推桿等組成，如圖1 所示。鉆孔軌跡儀探管內置高精度角度傳感器和深度傳感器，用于測量鉆孔空間軌跡和鉆孔深度。測量時礦用本安型手持式鉆孔軌跡儀探管同碳纖維推桿配接，手動將探管推入鉆孔，實現鉆孔空間軌跡和深度測量。圖2 為采集軟件數據界面，測量結束后利用礦用智能手機與無線藍牙連接讀取探管內存儲數據，并通過手機終端現場展示鉆孔空間軌跡和深度。

圖1 手持式鉆孔軌跡儀設備Fig.1 Handheld drilling trajectory instrument

圖2 采集軟件界面Fig.2 Acquisition software interface

1.3 瓦斯抽采參數原位檢測技術流程

圖3 為瓦斯抽采參數原位檢測技術流程圖。瓦斯抽采參數原位檢測技術流程詳細介紹如下所述。

圖3 瓦斯鉆孔軌跡檢測技術流程圖Fig.3 Flow chart of gas drilling trajectory detection technology

1）準備工作。設備檢查：檢查領取的設備各部件是否與目標鉆孔要求相匹配，檢查整套設備是否完整適用；探管內芯連接，將電池段和測量段連接，如圖4 所示。三通安裝：一通道連接抽放管，二通道連接抽采管，三通道預留出來作為探頭推進口，如圖5所示。

圖4 探管內芯連接示意圖Fig.4 Connection diagram of probe tube core

圖5 三通安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of three-way pipe

2）手機終端軟件操作。打開自行開發的瓦斯濃度測量移動終端，利用藍牙技術與探管進行適配連接，對鉆孔參數進行編輯記錄，以便后續實現對鉆孔群管理。

3）參數測定。推桿連接：將不銹鋼推桿插入密封堵頭，再同探管內芯連接，如圖6 所示。探管推進，將密封堵頭與三通推進口密封完好，再用推桿將探管從三通預留出來的推進口推入篩管。參數測定：單根推桿長度為1 m，將推桿完全推入鉆孔中后靜止3 s，在移動終端點擊測量，完成當前測點的測量；測量完成后連接后續推桿，重復上述操作完成整個鉆孔測量。

2 性能測試

2.1 電子羅盤性能測試

傳感器本身制造和安裝過程中會不可避免地出現一些測試誤差，從而影響測試精度。對軌跡儀中的磁阻傳感器進行實驗室性能測試，在0°～360°之間每隔30°共12 個實驗點進行誤差測試，表1 為方向角基準數據、測量數據與誤差。從表1 中可以看出，羅盤測量最大誤差為±12.09°，誤差相對不大，為讓軌跡儀測量精度更高，軌跡儀設置陀螺儀裝置對羅盤測量誤差進行補償。

表1 方向角測量數據Table 1 Measurement data of azimuth angle單位：（°）

2.2 陀螺儀性能測試

由于地球磁場測量系統所特有的誤差，是對測量精度影響最大的一種誤差，軌跡儀采用陀螺儀原理對羅盤誤差進行修正，見式（7）和式（8）。

式中：φc為補償后的實際值；φ為補償前的測量值；△φ為總誤差；A、B、C、D、E為補償系數，對12 個實驗點進行誤差測試，計算出相應誤差補償系數，并添加至軌跡儀附帶的后端處理器中，完成角度測量校正。表2 為補償后的測量值和誤差值。通過表2 中實驗數據可以看出，使用陀螺儀補償的方法來提高系統精度非常方便而且效果顯著。該羅盤系統最大誤差已經從補償前的±12.09°降至±0.87°以內，滿足測試精度要求。

表2 補償后的測量數據Table 2 Compensated measurement data單位：（°）

3 現場應用與效果分析

3.1 陳四樓礦井概況

陳四樓礦井位于永城市區北西13 km 的陳集鎮，持有部發編號C1000002013011120128548 采礦許可證，面積61.685 4 km2，1990 年7 月26 日建礦，1997 年11 月6 日投產，設計生產能力240 萬t/a，2009 年核定生產能力為450 萬t/a。礦井位于永城背斜的西翼，構造基本形態為走向北北西、向南西西傾斜的單斜構造，地層傾角一般為5°～15°，僅在部分褶皺傾伏翼及斷層附近煤層傾角較大，可達26°。受永城背斜影響，區內發育有次級褶曲及斷層。由于受多期構造運動影響，礦井內部地層有寬緩的波狀起伏，中小斷層較發育，局部有巖漿活動。本區主要含煤地層為二疊系下統山西組、下石盒子組，這兩組含煤地層平均總厚182.52 m，可采煤層（二2 煤層、三1 煤層、三22煤層、三4 煤層和三5 煤層）總厚7.81 m。

現場應用地點位于礦井十二采區的21210 工作面，該工作面對應地面標高為+34.65 m，工作面標高為-482.7～-532.3 m，工作面走向長855～897 m，傾斜長62.6～175.8 m，總面積140 839 m2。21210 工作面北為DNF14 正斷層，南為北部西翼集中皮帶巷、北部西翼軌道下山、北部西翼回風下山及其保護煤柱，西為21211 工作面采空區，東為尚未開采的21209 工作面實體煤。

3.2 現場應用效果

對21210 上順層巷鉆孔進行現場應用，鉆孔設計施工參數見表3，使用設計的鉆孔軌跡測量儀對不同鉆孔軌跡和深度進行測量。

表3 鉆孔施工參數Table 3 Construction parameters of drilling holes

鉆孔軌跡測量前，在手機終端軟件輸入各鉆孔施工參數，然后開啟軌跡和深度測量，用鉆孔軌跡測量儀對鉆孔每個測點的孔深、傾角、方位角以及工具面向角進行了測量，并通過終端分析軟件計算出鉆孔軌跡偏差，繪制出鉆孔測點空間位置，表4 為9個鉆孔的實測鉆孔軌跡偏移值和深度值。

表4 鉆孔軌跡偏移和深度Table 4 Deviation and depth of drilling trajectory

對比表3 中鉆孔設計深度與表4 中深度實測值，可以看出鉆孔K9、K11、K13、K21-2 實際設計值相差較大，經現場工作人員檢查發現由于管子連接錯誤，導致管子推不動。其他鉆孔實測深度與設計值相差1～2 m，這是由于三通管需要接到抽采管上，測量用的通管加篩管的長度和大于實際孔深，多余的深度為在鉆孔外部露出的管長度，綜合比較設計深度和實測值可以說明鉆孔深度設計基本符合實際應用。

規定鉆孔向上偏移為正值，向下偏移為負值。從表4中可以看出，9 個鉆孔上下偏移（Z軸的偏移）為正值，說明該工作面的鉆孔基本向上偏移，其向上偏移的距離分別為0.52 m、0.78 m、0.18 m、4.25 m、6.04 m、1.97 m、0.33 m、0.22 m、0.13 m，其中最大偏移值為6.04 m，最小偏移值為0.13 m。

規定鉆孔向左偏移為正值，向右偏移為負值。從表4中可以看出，9 個鉆孔左右偏移（Y軸的偏移）為正值，說明該工作面的鉆孔均向左偏移，其向左偏移的距離 分 別為2.00 m、1.20 m、1.46 m、5.29 m、7.87 m、3.97 m、17.84 m、3.20 m、0.77 m，其中最大偏移值為17.84 m，最小偏移值為0.77 m。

綜上所述，21102 巷道監測的9 個煤層鉆孔軌跡上偏于設計鉆孔點位，也左偏于設計鉆孔點位。由此可知，鉆孔成孔后向上偏移的概率遠大于向下偏移的概率，向左偏移的概率遠大于向右偏移的概率。故可大致判斷鉆孔成孔后軌跡在左上的概率最大，右下的概率最小。

在上述分析的基礎，提取5 個鉆孔的三維空間位置圖，如圖7～圖9 所示。從圖7～圖9 中可以看出，鉆孔偏移均是向左上偏移，其中孔K19、K17-1、K21-1 的偏移程度小。利用鉆孔軌跡儀自帶分析軟件計算出孔K21-1、K19、K17、K17-1、K17-2 終孔傾角分別8.76°、8.27°、14.74°、12.71°、10.82°，終孔方位角分別為121.46°、125.23°、115.15°、116.30°、115.00°。由于設計施工過程鉆具受力不均以及煤層地質的硬度差異，導致鉆孔各測點方向角和傾角與設計值存在明顯偏差，進而影響實際鉆孔軌跡與設計的偏差程度。

圖7 K17、K17-1、K17-2 鉆孔軌跡圖Fig.7 Drilling trajectory diagram of K17,K17-1 and K17-2

圖8 K19 鉆孔軌跡圖Fig.8 Drilling trajectory diagram of K19

圖9 K21-1 鉆孔軌跡圖Fig.9 Drilling trajectory diagram of K21-1

綜上所述，該工作面40%的鉆孔設計軌跡和實測軌跡整體重合度較低，鉆孔成孔效果差，在后續鉆孔施工中工作面根據偏移規律重新設計鉆進角度，使得鉆孔在煤層中的實際軌跡與設計軌跡盡可能吻合或是實際軌跡的落點盡可能處于鉆孔瓦斯抽采盲區內，從而達到控制與消除瓦斯抽采盲區的目的，具有重要而現實的意義。

3.3 技術優勢

通過現場的實際應用，并對比傳統礦用鉆孔軌跡測量方式，手持式鉆孔軌跡儀具備如下優勢，具體見表5。

表5 技術優勢對比Table 5 Comparison of technical advantages

4 結論

1）基于高精度角度傳感器和深度傳感器原理設計了一種瓦斯鉆孔軌跡檢測設備，并開發移動端采集軟件實現鉆孔軌跡三維成像和鉆孔軌跡偏移分析；該技術設備能夠有效測量鉆孔深度、方位角以及傾角，同時可以實現多孔測量，分析鉆孔的偏移規律。

2）利用鉆孔軌跡測量儀對陳四樓礦井21210 工作面多個鉆孔軌跡進行實測，應用結果表明鉆孔成孔后左上偏移概率大于右下偏移概率，40%的鉆孔偏移程度較大。此外該技術裝備能夠有效實現鉆孔軌跡測量，對比分析出鉆孔軌跡偏差，同屏展示鉆孔三維軌跡圖，為工作面鉆孔軌跡糾正設計和施工提供數據支撐，是避免抽采區域存在空白區，保證鉆孔進尺有效性的關鍵性技術措施。