王小龍，趙 亮，張 軍

（中煤科工集團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險，目前煤礦井下普遍采用鉆機施工瓦斯抽放孔進行瓦斯預抽，通過預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、回轉(zhuǎn)鉆進。定向鉆進技術由于鉆孔軌跡可調(diào)可控，在煤礦井下取得了良好的應用效果，但其價格昂貴、施工工藝復雜，所以煤礦井下大部分鉆孔仍采用回轉(zhuǎn)鉆進施工方式[1-9]。

在回轉(zhuǎn)鉆進施工中，通常采用隨鉆軌跡儀進行鉆孔軌跡測量。隨鉆軌跡儀在鉆進停止過程中進行定點測量，將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)保存在測量探管內(nèi)，鉆進完成提鉆后導出存儲的數(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)，隨鉆軌跡儀只能實現(xiàn)單個鉆孔的軌跡圖，無法顯示多個鉆孔軌跡的位置關系，隨鉆軌跡儀的數(shù)未能實時傳輸?shù)降孛?，無法及時指導后續(xù)鉆孔施工，此外由于煤礦井下鉆進施工按鉆進深度進行工程結(jié)算，導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際需求，設計開發(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)實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)從井下鉆場到地面監(jiān)控站的實時傳輸，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)為確定鉆進盲區(qū)，指導鉆孔施工提供了直觀且科學的依據(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)采集設備進行鉆孔數(shù)據(jù)采集與導出，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，計算機上的鉆孔群數(shù)據(jù)處理軟件進行數(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)實時上傳到地面計算機，使用鉆孔群軌跡數(shù)據(jù)處理軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行處理與顯示，包括對鉆場軌跡群進行三維可視化顯示，根據(jù)鉆孔軌跡群的偏移特性，給出后續(xù)補充鉆孔施工的指導軌跡。

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)及當前鉆孔傾角數(shù)據(jù)進行計算獲得當前鉆孔深度值[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。

獲得鉆孔深度并進行保存、輸出。在計算鉆孔深度時需要提前給定鉆機的供水密度值，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)與虛線相交的點即為靜水壓力數(shù)據(jù)。靜水壓力就是當鉆機停泵卸掉鉆機水辮之前，所測量的鉆桿內(nèi)水的瞬時壓力，在每鉆進1根鉆桿后測量該鉆桿的靜水壓力，整個鉆孔鉆進完成之后，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)采用均角全距法進行軌跡計算。通過式（2）～式（4）計算出各測點的水平位移x，左右位移y及上下位移z。

式中：βi為第i個測點的傾角；αi為第i個測點的方位角；α0為鉆孔主設計方位角；△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)采集軟件主要實現(xiàn)：定時同步、數(shù)據(jù)傳輸、導出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，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:采用七點平滑法抑制奇異點，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?。簭倪B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：圈定鉆進盲區(qū)，給出后續(xù)鉆進施工的指導軌跡。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)場應用

淮北礦業(yè)某煤礦為治理瓦斯災害，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行施工無法實現(xiàn)隨鉆測斜，測量工序多，費時費力，測量數(shù)據(jù)不能實時上傳到地面進行分析處理與三維顯示，無法對實鉆軌跡和設計軌跡直觀比對，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，為鉆場設計條帶預抽瓦斯穿層鉆孔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。鉆場實際共施工穿層孔76個，后補充鉆孔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，實測煤層頂?shù)装迮c設計煤層頂?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 實測煤層頂?shù)装迮c設計煤層頂?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測軌跡，測試軌跡與灰色曲面相交的點為記錄的見煤點?；疑媸怯摄@孔見煤點構(gòu)成的煤層底板曲面。

圖5給出設計的煤層與根據(jù)定位鉆孔實測軌跡確定的煤層的對比。其中灰色條帶部分為設計煤層的位置和結(jié)構(gòu)，灰色條帶上方的大塊起伏區(qū)域為實測的煤層結(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計煤層和實測煤層相差較大，實測的煤層位置與結(jié)構(gòu)反映了煤層的真實賦存情況。

5 結(jié) 語

針對現(xiàn)有的鉆孔測量無法實現(xiàn)鉆孔群軌跡顯示、對打鉆工作指導性不強的缺陷，開發(fā)了煤礦井下鉆孔群軌跡在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)井下鉆孔軌跡的實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，準確判定鉆進盲區(qū)，為補充治災工程提供及時、有效的科學依據(jù)。