鉆孔軌跡測量技術(shù)及應(yīng)用研究

劉喜龍，張　軍，趙明校，胡　航

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

鉆孔軌跡測量技術(shù)及應(yīng)用研究

劉喜龍*，張軍，趙明校，胡航

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

在煤礦井下鉆孔施工中，由于缺少控制鉆孔軌跡的螺桿鉆具和測斜系統(tǒng)，導(dǎo)致施工出來的鉆孔軌跡和設(shè)計(jì)存在很大的偏差，但這種偏差如果不進(jìn)行實(shí)際的軌跡測量根本無法知道其具體的偏差位置；研究了目前市面上的幾種鉆孔軌跡測量技術(shù)裝備及其應(yīng)用的效果。

鉆孔；軌跡；測量；技術(shù)

1　概述

現(xiàn)在，煤礦對(duì)所施工的鉆孔空間軌跡控制的要求越來越高，鉆孔施工過程中，由于地球引力、巖層因素以及工藝技術(shù)等方面的影響，實(shí)際鉆孔軌跡都存在于偏離設(shè)計(jì)軌跡的現(xiàn)象，因此，如何精確測量鉆孔軌跡是一項(xiàng)需要研究的課題[1-5]。

煤礦井下各種鉆孔的施工有2個(gè)基本目標(biāo)，其一是保證鉆孔能準(zhǔn)確的鉆至預(yù)定的層位，其二是降低鉆孔成本。而這2個(gè)目標(biāo)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)卻是相互矛盾的[6-9]。為了能保證鉆孔準(zhǔn)確的鉆進(jìn)至預(yù)定的層位必須使用定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，而定向鉆進(jìn)成本高，維護(hù)成本也高。普通鉆機(jī)鉆進(jìn)成本低，但卻難以準(zhǔn)確的鉆進(jìn)至預(yù)定的層位，甚至都很難了解鉆孔終孔位置。所以對(duì)普通鉆機(jī)的鉆孔軌跡進(jìn)行測量就顯得尤為重要[10-12]。

2　鉆孔軌跡測量方法

目前鉆孔軌跡測量主要有3種技術(shù)方法，第一種是全方位鉆孔測斜技術(shù)，但此方法只能成孔之后進(jìn)行測量，第二種是隨鉆鉆孔軌跡測量技術(shù)，此方法在鉆孔施工中可邊打邊測量，成孔之后退鉆出來即可現(xiàn)場看到鉆孔軌跡，第三種是無線隨鉆測斜儀技術(shù)，此方法可對(duì)鉆孔邊打邊測量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸可即時(shí)看到鉆孔軌跡。以上3種技術(shù)的軌跡計(jì)算原理都是采用均角全距法[13-15]。

鉆孔軌跡計(jì)算模型及方法：將相鄰兩測點(diǎn)間的鉆孔軸線看作為直線；該直線的傾角、方位角分別為上、下兩測點(diǎn)的傾角、方位角的平均值；整個(gè)鉆孔軸線仍是直線與直線連接的折線。其實(shí)質(zhì)是以弦代弧。鉆孔軌跡偏離距離按下式計(jì)算：

式中：X——鉆孔南北方向的偏離，其中向北為正、向南為負(fù)；

Y——鉆孔東西方向的偏離，其中向西為正、向東為負(fù)；

Z——鉆孔上下方向的偏離，其中向上為正、向下為負(fù)；

α——鉆孔的傾角；

θ——鉆孔的方位角；

θ0——磁偏角；

ΔLi——測點(diǎn)A、B間的距離。

鉆孔軌跡計(jì)算原理如圖1所示。

此法比全角全距法稍復(fù)雜一些，但比全角半距法簡單，是現(xiàn)場手算常常采用的方法； 以上、下兩測點(diǎn)傾角、方位角的平均值作為軸線的計(jì)算角度，降低了增斜段和減斜段水平位移、垂直深度的計(jì)算誤差；在測點(diǎn)間距較大、曲率半徑較小時(shí)有一定誤差。

3　全方位鉆孔測斜技術(shù)

此技術(shù)只能在鉆孔打完退鉆之后，連接在鉆桿前面通過鉆桿推送進(jìn)孔里進(jìn)行軌跡測量。由于探管外徑達(dá)到45mm，所以碰到鉆孔孔徑小于45mm的鉆孔或者塌孔的情況就不能進(jìn)行軌跡測量，且由于需要重復(fù)送鉆，降低了工作效率。但不會(huì)掉鉆，對(duì)設(shè)備的損耗也較小，安全性能高，使用成本也低。

圖1　鉆孔軌跡計(jì)算原理圖

3.1全方位鉆孔測量裝備

YHQ-X(C)全方位鉆孔測斜儀主要由全方位鉆孔測斜儀同步機(jī)與全方位鉆孔測斜儀探管以及它們之間的通信線組成。探管主要由采集單片機(jī)、傾角和測向傳感器、存儲(chǔ)器、通信接口及電源電路等組成：同步機(jī)由單片機(jī)、鍵盤、顯示器、存儲(chǔ)器、通信接口及電源電路等組成。探管的主要功能是采集傳感器電信號(hào)，并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中：同步機(jī)的主要功能是向探管發(fā)送命令和數(shù)據(jù)處理。

3.2應(yīng)用實(shí)例

山西大同某煤礦地質(zhì)孔的測量，該礦屬于構(gòu)造較復(fù)雜的礦井。為探明煤層位置及厚度，在巷道進(jìn)行打鉆找煤，用全方位鉆孔測斜儀對(duì)其中的地質(zhì)孔進(jìn)行軌跡測量。鉆孔設(shè)計(jì)傾角0.00°，設(shè)計(jì)方位角282.00°，磁偏角-4.50°，測量結(jié)果如表1所示。

表1　鉆孔軌跡偏離設(shè)計(jì)方位表

鉆孔實(shí)際軌跡偏離設(shè)計(jì)方向較大，在深為78m的鉆孔中，最大水平偏移為0.66m，最大垂直偏移為17.09m。

如圖2所示，鉆孔的實(shí)際軌跡沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按設(shè)計(jì)要求，鉆孔應(yīng)成直線鉆進(jìn)，利于計(jì)算煤層位置和厚度，而通過鉆孔軌跡對(duì)比圖可知，實(shí)際軌跡嚴(yán)重向上偏移，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。依據(jù)測量結(jié)果，采取補(bǔ)鉆的措施，探明煤層位置及厚度以利于安全生產(chǎn)。如果沒有全方位鉆孔測斜儀的測量，如此大的偏離誤差是無法預(yù)知的。

4　隨鉆鉆孔軌跡測量技術(shù)

此技術(shù)方法適用于鉆孔邊打邊測量，打鉆之前將設(shè)備裝在鉆頭后面即可。打鉆完成之后退出鉆桿即可現(xiàn)場看到鉆孔軌跡，不影響打鉆進(jìn)度，工作效率高。

4.1隨鉆鉆孔軌跡測量裝備

YZG7礦用鉆孔軌跡儀是隨鉆鉆孔軌跡測量專用裝備，它由控制器與探管配套組成?？刂破髋c探管連接，實(shí)現(xiàn)控制器與探管之間的時(shí)間同步和數(shù)據(jù)傳輸，主要用于煤礦井下鉆孔測量、數(shù)據(jù)采集、通信、處理及存儲(chǔ)，可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)及圖形。

4.2應(yīng)用實(shí)例

安徽淮南地區(qū)某煤礦瓦斯抽放鉆孔的測量。該煤礦屬于高瓦斯突出礦井。為保證安全，在工作面進(jìn)行鉆孔瓦斯抽放，工作面每隔1m布置一個(gè)鉆孔，距離底板1.5m高，用礦用鉆孔軌跡儀對(duì)其中一個(gè)鉆孔進(jìn)行軌跡測量，測量結(jié)果如表2所示。

圖2　鉆孔設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)際軌跡圖

表2　鉆孔軌跡偏離設(shè)計(jì)方位表

鉆孔實(shí)際軌跡偏離設(shè)計(jì)方向較大，在143m深的鉆孔中，最大水平偏移達(dá)到9.258m，最大垂直偏移達(dá)到5.772m。

圖3　鉆孔設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)際軌跡圖

如圖3所示，鉆孔的實(shí)際軌跡沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按設(shè)計(jì)要求，抽放瓦斯孔應(yīng)鉆成輻射狀，利于擴(kuò)大抽放面積，而通過鉆孔軌跡對(duì)比圖可知，實(shí)際軌跡基本都集中到一個(gè)方向，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)目的。依據(jù)測量結(jié)果，采取補(bǔ)充鉆孔的措施，保證抽放面積，利于安全生產(chǎn)。如果沒有礦用鉆孔軌跡儀的測量，如此大的偏離誤差是無法預(yù)知的。

5　無線電磁波隨鉆鉆孔軌跡測量技術(shù)

該技術(shù)運(yùn)用電磁波信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，通過鉆桿與接地線之間形成電勢回路，通過地層傳輸?shù)娇卓谥蟊唤邮?。該技術(shù)方法目前主要使用在定向鉆機(jī)上，取代了傳統(tǒng)的定向鉆機(jī)上測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需要依賴通纜鉆桿的弊端，使用普通鉆桿即可，極大地降低了打鉆的成本。該技術(shù)可實(shí)時(shí)顯示鉆孔軌跡并通過調(diào)整工具面向角隨時(shí)調(diào)整鉆孔鉆進(jìn)軌跡。參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示可以指導(dǎo)工作人員及時(shí)修正鉆孔的位置和方法，提高了鉆孔的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔質(zhì)量，免去了對(duì)鉆孔進(jìn)行質(zhì)量檢測的工作，節(jié)省了大量的人力和物力，使得鉆孔的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益得到提高。

電磁波的測量方法是：孔里儀器將測量的孔底參數(shù)加載到載波信號(hào)上，載波信號(hào)用低頻電磁波，測量信號(hào)隨載波信號(hào)由電磁波發(fā)射器向四周發(fā)射，電磁波經(jīng)過地層、鉆桿傳輸?shù)娇卓?。孔口檢波器接收電磁波載波，并將檢測到的電磁波進(jìn)行信號(hào)卸載和解碼、計(jì)算，得到實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。

無線電磁波隨鉆測斜儀主要用于鉆孔施工過程中的鉆孔傾角、方位角、工具面向角等參數(shù)的監(jiān)測，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)、鉆孔軌跡的即時(shí)顯示。便于施工人員隨時(shí)掌握鉆孔施工情況，并隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，使鉆孔盡可能按照設(shè)計(jì)軌跡延伸。

電磁波隨鉆測量具有以下優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確測量孔底參數(shù)，測量鉆孔軌跡。鉆孔參數(shù)包括：傾角、方位角、工具面角等；電信號(hào)傳輸速度快，將測量的相關(guān)地層、鉆孔的參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇卓冢阌诩夹g(shù)人員迅速做出決策；利用所測得的地質(zhì)參數(shù)信息和空間位置信息，實(shí)時(shí)修正孔底鉆壓、扭矩和工具面角等鉆孔參數(shù)，從而控制鉆孔軌跡的走向；不受鉆孔液類型的限制，在液體、氣體鉆孔液中都可以進(jìn)行信號(hào)傳輸。

6　結(jié)論

在對(duì)煤礦安全高度重視的今天，打鉆成為煤礦地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要手段之一。普通鉆機(jī)的鉆進(jìn)由于具有不可控性，實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡往往存在很大的偏差，如果不進(jìn)行軌跡測量根本無法知道偏差的距離到底有多大，有可能釀成安全事故，所以進(jìn)行軌跡測量更是顯得尤為重要。本文研究了3種不同鉆孔軌跡測量技術(shù)與裝備，其各有自身的優(yōu)勢。目前，最為先進(jìn)的為無線電磁波隨鉆鉆孔軌跡測量技術(shù)，該技術(shù)方法可使用普通鉆桿，極大地降低了打鉆的成本，同時(shí)，可實(shí)時(shí)顯示鉆孔軌跡并通過調(diào)整工具面向角隨時(shí)調(diào)整鉆孔鉆進(jìn)軌跡，使得鉆孔的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益得到提高。

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A

1004-5716(2016)11-0017-04

2015-12-28

2016-01-16

劉喜龍（1988-），男（漢族），陜西咸陽人，工程師，現(xiàn)從事電法勘探的理論與應(yīng)用研究工作。