張 軍，雷曉榮，王信文

(中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

近年來，隨鉆測(cè)量技術(shù)[1-3]逐漸成為煤礦井下鉆孔施工的有效技術(shù)手段，并應(yīng)用于煤礦探放水、瓦斯治理、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域[4-7]。隨著鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，礦井鉆孔施工對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)提出越來越高的要求[8-9]，但煤礦井下鉆探領(lǐng)域現(xiàn)有的測(cè)量顯示軟件或監(jiān)控軟件仍存在以下幾點(diǎn)主要問題。軌跡數(shù)據(jù)和工況參數(shù)都不能及時(shí)傳輸?shù)降孛妫斯y帶數(shù)據(jù)的方式導(dǎo)致施工效率低；目前的區(qū)域鉆孔空間布置效果評(píng)價(jià)只是針對(duì)單孔采集的數(shù)據(jù)上圖到CAD平面圖和剖面圖后通過人工分析的方法評(píng)價(jià)，做不到三維顯示煤層走勢(shì)和空間孔群分布直觀顯示；未見有效的鉆孔施工質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)方法；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)定向鉆孔等技術(shù)手段覆蓋面小，使得復(fù)雜地層鉆探和深部鉆探鉆孔軌跡監(jiān)控優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到巨量計(jì)算，使設(shè)計(jì)過程更加繁瑣，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低、精度差。目前隨鉆測(cè)量系統(tǒng)存在的主要問題是，數(shù)據(jù)處理方式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理的過程主要是將深度、傾角、方位角數(shù)據(jù)通過計(jì)算轉(zhuǎn)換為鉆孔二維軌跡數(shù)據(jù)，繪制簡(jiǎn)單的鉆孔二維偏差圖，這樣的數(shù)據(jù)處理結(jié)果及成果顯示方式很難直觀再現(xiàn)鉆孔在三維空間的分布情況。在數(shù)據(jù)計(jì)算中也沒有對(duì)原始數(shù)據(jù)校正的模塊，導(dǎo)致計(jì)算誤差較大。數(shù)據(jù)處理中也沒有能夠與其他成圖顯示軟件進(jìn)行結(jié)合的模塊，不利于煤礦有效的利用數(shù)據(jù)處理成果。因此，需要針對(duì)以上問題提供能夠預(yù)測(cè)與控制軌跡；能夠快速地傳輸與處理鉆孔數(shù)據(jù)；能夠在三維空間展示鉆孔的孔群分布并實(shí)現(xiàn)煤層頂?shù)装迤鸱兓厔?shì)并預(yù)警錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)鉆頭姿態(tài)參數(shù)、鉆孔深度和工況參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和甄別；全數(shù)據(jù)分析法實(shí)現(xiàn)鉆孔施工質(zhì)量評(píng)價(jià)；實(shí)現(xiàn)區(qū)域鉆孔空間布置效果評(píng)價(jià)，指導(dǎo)鉆孔施工的科學(xué)事實(shí)；能夠進(jìn)行多數(shù)據(jù)信息融合[10-12]的技術(shù)方法。

根據(jù)鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)處理的需求設(shè)計(jì)了軟件功能模塊[13]，基于C#語言與SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件[14-16]，軟件可以實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)處理成圖、數(shù)據(jù)CAD成圖、鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)、鉆孔軌跡三維顯示等功能。目前，煤礦井下的隨鉆測(cè)量軟件數(shù)據(jù)處理功能簡(jiǎn)單，不具備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)、鉆孔軌跡三維顯示等功能，無法實(shí)現(xiàn)鉆孔施工信息與鉆機(jī)相關(guān)參數(shù)信息的融合。開發(fā)出的隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件具有操作簡(jiǎn)便、功能全面、顯示效果好等特點(diǎn)，可完成實(shí)時(shí)傳輸與處理鉆孔數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理成圖、數(shù)據(jù)CAD成圖、鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)、鉆孔軌跡三維顯示、鉆孔群數(shù)據(jù)庫管理等，為優(yōu)化鉆孔施工提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 軟件整體設(shè)計(jì)

礦井隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要由鉆機(jī)、測(cè)量探管、顯示監(jiān)視器等組成[17-20]，鑒于鉆孔鉆探的需求，隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)研發(fā)了3個(gè)主要功能模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和三維顯示模塊，如圖1所示。其中隨鉆測(cè)量模塊包含鉆孔軌跡設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理及操作、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)處理、鉆孔軌跡數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、鉆孔深度計(jì)算、鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)管理、鉆孔軌跡三維數(shù)據(jù)顯示、鉆場(chǎng)孔群數(shù)據(jù)三維顯示，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、鉆孔深度計(jì)算及鉆場(chǎng)孔群數(shù)據(jù)的三維顯示[21-23]。

圖1 礦井隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)示意

鉆孔數(shù)據(jù)的處理是對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行深層次的數(shù)據(jù)挖掘，將抽象的鉆孔施工進(jìn)行形象化的實(shí)體呈現(xiàn)，便于鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工，在鉆孔數(shù)據(jù)處理中主要包括鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)、鉆孔數(shù)據(jù)庫管理、孔群三維顯示等功能。

1.2 鉆井隨鉆測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信技術(shù)。通常隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)只有在鉆孔鉆進(jìn)完成后，數(shù)據(jù)在地面進(jìn)行處理并成圖，這樣降低了鉆孔數(shù)據(jù)為鉆孔施工的服務(wù)效率，如果可以在鉆進(jìn)完成后第一時(shí)間了解鉆孔軌跡情況，便可有效地為鉆孔提供有效的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。針對(duì)這樣的問題，研究了鉆孔數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方法，可以實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面并進(jìn)行成圖分析，提供下一步鉆探建議。

2)鉆孔綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)。在定向鉆進(jìn)的施工過程中，為獲取有效的鉆孔數(shù)據(jù)，需要對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的掌握與分析，不僅對(duì)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)需要掌握，同時(shí)需要了解鉆機(jī)給進(jìn)壓力、鉆進(jìn)與退鉆狀態(tài)等，這樣才可以全面掌握鉆機(jī)施工狀態(tài)及鉆孔質(zhì)量。將鉆探人工的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)化、信息化，分析鉆機(jī)施工全程參數(shù)與鉆孔軌跡、鉆孔深度、鉆孔分析等之間的關(guān)系顯得尤為重要。

3)鉆孔軌跡三維顯示。目前的隨鉆測(cè)量軟件主要關(guān)注鉆孔數(shù)據(jù)，但是在鉆孔軌跡三維可視化顯示中的研究稍顯不足。在鉆進(jìn)施工完成后，只有將鉆孔軌跡及鉆孔群數(shù)據(jù)有效、直觀的顯示，才能達(dá)到鉆探施工的目的，才能更好地指導(dǎo)施工。

2 數(shù)據(jù)處理軟件功能

2.1 鉆孔軌跡坐標(biāo)計(jì)算方法

以開孔數(shù)據(jù)作為起點(diǎn)，以第一組鉆孔軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)為當(dāng)前組，計(jì)算出當(dāng)前組與起點(diǎn)數(shù)據(jù)的傾角平均值、傾角差、坐標(biāo)方位角平均值、坐標(biāo)方位角差和孔深差，并依據(jù)最小曲率法計(jì)算出當(dāng)前組相對(duì)于起點(diǎn)的東西偏差、南北偏差和垂直偏差，最終得出當(dāng)前組的東西坐標(biāo)、南北坐標(biāo)和垂直標(biāo)高，以當(dāng)前組為起點(diǎn)，以下一組鉆孔軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)為當(dāng)前組，依次計(jì)算出所有測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的東西坐標(biāo)、南北坐標(biāo)和垂直標(biāo)高。

2.2 基于藍(lán)牙與WIFI的數(shù)據(jù)傳輸

藍(lán)牙與WIFI是數(shù)據(jù)交互的主要接口，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀器監(jiān)測(cè)中。由于考慮到不同礦井鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)接入方式不同，采用藍(lán)牙與WIFI相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。鉆孔數(shù)據(jù)在測(cè)量完成后通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至地面數(shù)據(jù)處理中心，隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)接收來自井下的鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)。結(jié)合隨鉆測(cè)量產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)置專用的通信方式，其數(shù)據(jù)通信軟件界面如圖2所示。

圖2 鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸模塊

鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通信過程如下：①確認(rèn)探管、顯示控制器、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連接均正常；②新建鉆場(chǎng)及鉆孔信息；③輸入鉆孔開孔信息；④設(shè)置鉆進(jìn)參數(shù)；⑤在鉆孔測(cè)量完成之后將鉆孔數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙或WIFI信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至地面，地面通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收機(jī)后續(xù)的處理。鉆孔測(cè)量及數(shù)據(jù)通信流程，如圖3所示。

圖3 隨鉆測(cè)量操作流程

軟件中數(shù)據(jù)處理模塊接收井下采集的原始數(shù)據(jù)，并將接收的原始數(shù)據(jù)幀自動(dòng)解析為十進(jìn)制數(shù)字，并保存為XML或TXT格式的中間數(shù)據(jù)。在鉆孔數(shù)據(jù)傳輸完成后，可使用該數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理與成圖。數(shù)據(jù)信號(hào)通信的啟動(dòng)與關(guān)閉以軟件系統(tǒng)的命令為準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊。在測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至地面處理中心后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照施工要求建立巷道、鉆場(chǎng)、鉆孔等相關(guān)信息。并對(duì)鉆孔軌跡等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行圖形顯示與數(shù)據(jù)管理。在鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理中，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理界面如圖4所示。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將在測(cè)量中，由于誤操作產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)進(jìn)行修改與校正。

圖4 鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理中的原始數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)校正首先需要根據(jù)原始數(shù)據(jù)的具體數(shù)值進(jìn)行分析。在原始數(shù)據(jù)不存在測(cè)量錯(cuò)誤，只存在測(cè)量誤差的情況下進(jìn)行奇異點(diǎn)的數(shù)據(jù)校正。數(shù)據(jù)校正方法可以通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的傾角、方位角與工具面向角之間的關(guān)系的分析。使用相關(guān)性分析的方法分別分析傾角數(shù)據(jù)與工具面向角數(shù)據(jù)，方位角數(shù)據(jù)與工具面向角數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，經(jīng)過曲線數(shù)據(jù)相關(guān)性分析后進(jìn)行傾角數(shù)據(jù)曲線與工具面向角曲線排齊，方位角數(shù)據(jù)曲線與工具面向角曲線排齊，給定校正系數(shù)，進(jìn)行曲線校正。

1)數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理主要是利用鉆孔測(cè)量的傾角、方位角、鉆孔深度以及工具面向角等參數(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡的計(jì)算，計(jì)算完成后可以得到鉆孔的上下、左右位移偏差值，鉆孔軌跡在地理坐標(biāo)系中的地理坐標(biāo)值以及在三維空間的坐標(biāo)值等。

2)圖形顯示及處理。針對(duì)鉆孔實(shí)鉆數(shù)據(jù)，需要在二維坐標(biāo)內(nèi)顯示鉆孔軌跡“水平-左右”和“水平-上下”的位移投影，可在仿三維空間中顯示鉆孔軌跡開孔及軌跡與空間位置的相對(duì)關(guān)系。可對(duì)二維及三維圖形進(jìn)行縮小、放大、空間移動(dòng)的操作，可保存視圖中的二維及三維圖形。

3)CAD繪圖坐標(biāo)計(jì)算與繪制。在數(shù)據(jù)處理中，在計(jì)算鉆孔軌跡的同時(shí)生成鉆孔軌跡地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)可直接用于在CAD圖形中繪圖，這改變以往鉆孔數(shù)據(jù)無法與CAD地質(zhì)圖有效結(jié)合的弊端，為鉆孔在礦井的應(yīng)用以及鉆孔設(shè)計(jì)提供便利。

4)鉆孔深度計(jì)算。采用二分查找法從大量數(shù)據(jù)中篩選出特征數(shù)據(jù)并自動(dòng)甄別出壓力值和靜水壓力值，通過專用的監(jiān)測(cè)算法計(jì)算鉆孔終孔深度值。計(jì)算鉆孔深度主要目的是檢驗(yàn)鉆孔終孔位置在巖層中的分布狀況，判斷是否達(dá)到鉆孔設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

通過以上主要模塊對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的處理，可以更加有效地利用鉆孔數(shù)據(jù)，有助于相關(guān)部門部署針對(duì)性的決策，更好地為煤礦安全服務(wù)。鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理過程，如圖5所示。

圖5 隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理

2.4 鉆孔數(shù)據(jù)管理模塊

鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)庫管理是對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的深層次處理，主要作用是對(duì)礦井巷道、鉆場(chǎng)、鉆孔群、鉆孔等的精確控制與管理，從鉆孔數(shù)據(jù)測(cè)量開始，可選擇模塊中各功能操作，功能有打開巷道數(shù)據(jù)、新建巷道、新建鉆場(chǎng)、新建鉆孔以及數(shù)據(jù)的保存和輸出等。

數(shù)據(jù)庫的管理及操作可以對(duì)鉆場(chǎng)、鉆孔等不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、刪除操作?？蓪?duì)礦井全部巷道、單條巷道、單個(gè)鉆場(chǎng)、單個(gè)鉆孔等數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯以及輸入與輸出，確保數(shù)據(jù)的可操作性。通過鉆孔數(shù)據(jù)庫管理，可以將礦井所有鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)管理，避免了以往數(shù)據(jù)易丟失以及鉆孔數(shù)據(jù)利用率較低的情況。

2.5 鉆孔軌跡質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊

采集鉆場(chǎng)內(nèi)全部鉆孔的設(shè)計(jì)、實(shí)鉆的進(jìn)煤點(diǎn)、出煤點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)化為邊界文件格式，通過繪制地圖的方式轉(zhuǎn)化為基面圖顯示。鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)過程如圖6所示。

圖6 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)過程

對(duì)孔號(hào)、高度等參數(shù)的不同標(biāo)識(shí)可直觀的顯示鉆場(chǎng)區(qū)域內(nèi)鉆孔的覆蓋面圖，從覆蓋面圖可以看出該區(qū)域鉆孔分布是否均勻、是否存在空白帶，對(duì)區(qū)域空白帶通過覆蓋面圖采集的坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)充鉆孔的開孔角度，設(shè)計(jì)科學(xué)的鉆孔施工順序，從而更好地指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工。

該模塊從鉆孔深度的計(jì)量情況、鉆進(jìn)過程中的水力或風(fēng)力推進(jìn)情況、正常鉆進(jìn)或提鉆退鉆情況、測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性、鉆機(jī)鉆進(jìn)效率等方面對(duì)鉆孔施工質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。鉆孔施工質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)界面，如圖7所示。

圖7 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊

采集全數(shù)據(jù)分析法需要的巷道、鉆場(chǎng)參數(shù)，設(shè)計(jì)、實(shí)鉆鉆孔參數(shù)，設(shè)計(jì)、實(shí)鉆進(jìn)煤點(diǎn)、出煤點(diǎn)參數(shù)，壓力和靜水壓力，探管采集的參數(shù)深度、傾角、方位角、測(cè)量時(shí)間等參數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化和計(jì)算以圖形的方式顯示出來。

鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)主要是通過全程測(cè)量的鉆孔深度、傾角、方位角、鉆孔水壓等參數(shù)。通過計(jì)算與圖形繪制，評(píng)價(jià)鉆孔施工質(zhì)量、施工效率以及施工鉆孔的有效性。

2.6 鉆孔數(shù)據(jù)三維顯示模塊

計(jì)算機(jī)三維成圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)巷道、鉆場(chǎng)、鉆孔軌跡數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù))的三維立體展示，設(shè)計(jì)鉆孔通過煤層的進(jìn)煤點(diǎn)坐標(biāo)、出煤點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際鉆孔軌跡通過煤層的進(jìn)煤點(diǎn)坐標(biāo)、出煤點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過離散數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格化后生成進(jìn)煤點(diǎn)曲面和出煤點(diǎn)曲面，結(jié)合實(shí)際的煤層厚度生成煤層實(shí)體的空間模型，這里實(shí)際煤層厚度是通過實(shí)鉆軌跡與見煤點(diǎn)、出煤點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置關(guān)系確定的，然后修正設(shè)計(jì)的(其他方式測(cè)量的)煤層厚度參數(shù)。根據(jù)揭露的煤層頂?shù)装迤鸱兓厔?shì)在后續(xù)的鉆孔施工中甄別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，減少空白帶。鉆孔坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算可轉(zhuǎn)換為鉆孔相對(duì)坐標(biāo)，也可轉(zhuǎn)換為鉆孔的地理坐標(biāo)。

首先對(duì)鉆孔軌跡所處的坐標(biāo)系在水平面按照原點(diǎn)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為鉆孔設(shè)計(jì)軌跡的設(shè)計(jì)坐標(biāo)方位角，在形成的新坐標(biāo)系中，橫坐標(biāo)值即為鉆孔軌跡各有效測(cè)量點(diǎn)的左右偏差值；將新的坐標(biāo)系在鉛垂面按照原點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為鉆孔設(shè)計(jì)軌跡的設(shè)計(jì)傾角，縱坐標(biāo)值即為鉆孔軌跡各有效測(cè)量點(diǎn)的左右偏差值。

x′=xcosθ-ysinθ+Δx

(1)

y′=ycosθ-xsinθ+Δy

(2)

z′=z+Δz

(3)

式中：x′為轉(zhuǎn)換后三維坐標(biāo)系x坐標(biāo)，m；x為轉(zhuǎn)換前鉆孔軌跡x坐標(biāo)，m；θ為三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度，(°)；Δx為三維坐標(biāo)系與鉆孔軌跡二維坐標(biāo)差值；y′為轉(zhuǎn)換后三維坐標(biāo)系y坐標(biāo)值，m；y為轉(zhuǎn)換前鉆孔軌跡y坐標(biāo)，m；Δy為三維坐標(biāo)系與鉆孔軌跡二維坐標(biāo)差值；z′為轉(zhuǎn)換后三維坐標(biāo)系z(mì)坐標(biāo)，m；z為轉(zhuǎn)換前鉆孔軌跡z坐標(biāo)，m；Δz為三維坐標(biāo)系與鉆孔軌跡二維坐標(biāo)差值。

經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的三維數(shù)據(jù)體可在三維空間進(jìn)行成圖。成圖時(shí)需要首先建立巷道坐標(biāo)數(shù)據(jù)、鉆場(chǎng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)、鉆孔坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及其他相應(yīng)目的煤層及其他坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立完成后，可繪制巷道鉆孔三維軌跡設(shè)計(jì)圖與實(shí)鉆鉆孔軌跡圖。鉆孔數(shù)據(jù)三維效果如圖8所示。

建立基于面積的直角三角覆蓋面積法，擴(kuò)展了覆蓋面積的概念，不再嚴(yán)格要求覆蓋體具體的形式，而是以面積為覆蓋單元，可以靈活組合運(yùn)用計(jì)算，針對(duì)空間分形曲線具有更強(qiáng)的適用性。能夠較好地反映鉆孔在見煤點(diǎn)與出煤點(diǎn)的空間性，覆蓋面積法是一種研究鉆孔三維軌跡以及煤(巖)層三維空間賦存情況的新方法。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在淮北某煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要目的是在底抽巷道進(jìn)行鉆探，設(shè)計(jì)仰角孔向上鉆進(jìn)深度不等的鉆孔，使所有鉆孔整體穿越煤層，從而抽取煤層中的瓦斯氣體，為下一步在煤層中施工巷道提供安全保障。試驗(yàn)設(shè)備為：YZG7隨鉆測(cè)量探管、顯示控制器、73 mm通纜鉆桿、73 mm無磁鉆桿等。在該鉆場(chǎng)進(jìn)行了63個(gè)孔的鉆孔施工，橫向一條線9個(gè)鉆孔，共7條線，其中鉆孔開孔間距0.5 m。因此，最下面一條線定義為1號(hào)線，最左邊鉆孔定義為1號(hào)鉆孔，則最下角鉆孔為1-1號(hào)鉆孔，這里轉(zhuǎn)換為相對(duì)鉆場(chǎng)的相對(duì)坐標(biāo)，則其孔口相對(duì)坐標(biāo)為(0，0，0)，最右上角鉆孔為7-9號(hào)鉆孔，孔口相對(duì)坐標(biāo)為(4，3.5，0)。鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)在完成每個(gè)孔測(cè)量后，通過在線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至地面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、錄入數(shù)據(jù)庫、繪圖等操作。鉆孔的空間分布及鉆孔終孔見煤位置分布，如圖9、圖10所示，可真實(shí)反映出鉆孔的軌跡趨勢(shì)與空間分布。在鉆探施工中主要針對(duì)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與鉆孔數(shù)據(jù)處理模塊中的三維顯示部分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明軟件運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，易于現(xiàn)場(chǎng)使用。

圖9 鉆孔軌跡三維空間分布

圖10 施工鉆孔見煤點(diǎn)分布

圖9中藍(lán)色線條為鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡，彩色曲面圖為根據(jù)見煤位置繪制的煤層基面圖，根據(jù)鉆孔軌跡的控制以及實(shí)際見煤點(diǎn)的計(jì)算和處理，可以比較清楚的了解鉆探區(qū)域鉆孔軌跡情況以及鉆孔中煤層賦存情況。

圖10a中黑色圓圈表示設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)位置、紅色圓點(diǎn)表示實(shí)際見煤點(diǎn)位置，藍(lán)色矩形為設(shè)計(jì)巷道位置。通過對(duì)設(shè)計(jì)與實(shí)鉆見煤點(diǎn)的對(duì)比可以看出：設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)為等間距分布，實(shí)際見煤點(diǎn)為不等間距、無規(guī)則分布，這是由于鉆孔在鉆進(jìn)過程中隨著軌跡的變化，見煤點(diǎn)沒有按照設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)位置分布。通過對(duì)比主要得到實(shí)鉆見煤點(diǎn)位置，為下一步鉆孔設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖10b為鉆孔見煤點(diǎn)分布，圖中黃色長(zhǎng)方體為巷道及鉆場(chǎng)位置，橙色線條為設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，橙色圓柱體為設(shè)計(jì)見煤點(diǎn)位置；藍(lán)色線條為實(shí)鉆鉆孔軌跡，黑色圓柱體為實(shí)際見煤位置。從該鉆場(chǎng)鉆孔軌跡整體情況看，通過對(duì)實(shí)鉆鉆孔軌跡的測(cè)量以及補(bǔ)孔，補(bǔ)孔后鉆孔覆蓋情況相對(duì)較好，鉆孔見煤點(diǎn)較為均勻，能夠更好地達(dá)到鉆孔抽放瓦斯的要求。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)前隨鉆測(cè)量系統(tǒng)存在的主要問題是數(shù)據(jù)處理方式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理主要是將鉆孔軌跡測(cè)量得到的數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換為鉆孔二維軌跡數(shù)據(jù)，繪制鉆孔二維偏差圖，很難直觀再現(xiàn)鉆孔在三維空間的分布情況。通常的數(shù)據(jù)處理功能中也沒有能夠與AutoCAD進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的模塊，不利于煤礦有效地利用數(shù)據(jù)處理成果，數(shù)據(jù)處理軟件的有效性較低。

2)通過對(duì)鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)的研究與分析，發(fā)現(xiàn)該礦井隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件的使用可以很好地解決目前在鉆孔數(shù)據(jù)利用中的諸多難題，軟件可以實(shí)現(xiàn)鉆頭姿態(tài)參數(shù)、鉆孔深度和工況參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和甄別；三維成圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤層頂?shù)装迤鸱兓厔?shì)并預(yù)警錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；覆蓋面積法實(shí)現(xiàn)區(qū)域鉆孔空間布置效果評(píng)價(jià)，指導(dǎo)鉆孔施工的科學(xué)實(shí)施；全數(shù)據(jù)分析法實(shí)現(xiàn)鉆孔施工質(zhì)量評(píng)價(jià)等科學(xué)難題。

3)系統(tǒng)以可擴(kuò)展標(biāo)記語言作為數(shù)據(jù)介質(zhì)，兼容存儲(chǔ)式隨鉆測(cè)斜、全方位測(cè)斜儀和手持式測(cè)斜儀等系列化產(chǎn)品，提高客戶體驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，隨鉆測(cè)量及鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件通信穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、功能全面、操作簡(jiǎn)單，可使鉆孔施工人員全面掌握施工信息，提高施工效率。