煤矿井下随钻孔轨迹测量技术要点浅析

边毅彦

【摘 要】在煤炭生产过程中，煤矿井下钻探是其重要的工程之一，也是煤矿企业进行生产时勘探的重要手段之一，于此同时也为安全生产提供了重要的保障。但是由于在煤矿开采过程中地质条件的复杂性和不确定性，使得煤矿开采存在一定的风险，煤矿井下随钻孔轨迹测量技术为煤矿井下开采提供了技术保障。本文主要就煤矿井下随钻孔轨迹测量技术进行剖析，为煤矿井下安全开采提供一定的理论和实际指导。

【关键词】煤矿井下；随钻测量；测量系统

中图分类号： P634 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）33-0185-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.084

0 引言

煤矿企业在日常采煤生产过程中，煤矿井下钻探是一项必不可少的技术手段，根据钻探的最终目的，可以将煤矿井下钻孔分为措施孔和地质孔两大类，地质孔是煤矿采掘过程中格局设置、采面布置的重要地质参考，其目的就是为了更好地采集水文地质资料，为今后的施工提供一定的数据支撑。措施孔是为防止在采煤过程中抽放瓦斯和煤矿水害而进行钻孔，是目前防治瓦斯爆炸的一 种重要的技术手段，因此，在煤矿日常生产中，通过井下钻孔技术对矿井进行勘测是很有必要的，将影响到煤矿日常开采的进度，对煤矿工人的工作环境也是一种保障。煤矿企业每年将投入大量的人力、财力等资源用在钻孔钻中，因为煤矿井下，钻孔钻在矿井下施工时将遇到不同的煤岩层，其煤岩层的形状、组合方式和物理力学性能将影响钻孔钻在施工过程中的钻压、进给量，以及钻孔钻自身的重量和钻头在采煤过程中的磨损，最终将导致钻孔施工运动轨迹与设定发生一定的偏离，而这种偏差是施工人员不好控制的施工偏差，进而无法达到预定的抽采效果，甚至将影响到煤矿的安全生产工作。

煤矿井下随钻孔轨迹测量技术能够较为准确地测定钻孔轨迹，使得钻孔与设定的方案一致，对煤矿开采工作有着极大地帮助，进而保障在煤矿井下开采过程中不遇到矿井突水、瓦斯等一系列安全问题，于此同时，煤矿井下随钻孔轨迹测量技术并不会影响日常的采煤工作效率。本文以煤矿井下随机钻孔轨迹测量技术中的主要技术参数，通过随钻测量系统的原理，实现随钻测量中存在的问题和测量误差进行校正，进而提高煤矿井下随钻孔轨迹测量的精度和稳定性，保证煤矿企业采煤日常工作的顺利展开，同时也对井下作业工人的安全提供了一定地保障，进而为企业创造更多的经济效益。

1 煤矿井下随钻孔空间轨迹测量

煤矿井下随钻测量技术（MWD），是在井下作业中通过钻头在进给过程中的数据，主要包括姿态角，地层数据等，通过这些测量得到的数据进行分析，从而提高钻进的效率，减少不必要的人为因素干扰，保障煤矿企业正常的生产任务和进度。

1.1 随钻孔空间轨迹测量

物体运动的轨迹是随着时间的变化，物体的空间位置发生变化而连成的曲线，在煤矿井下钻孔在作业时，钻头在进给过程中就会形成特定的运动轨迹，根据测绘学中的导航学原理，可以将一个物体的轨迹测量转换成对一个物体在连续时间中，对微元长度的测量。对于煤矿井下钻孔的运动轨迹，可以将钻孔的运动轨迹而形成的曲线进行测量，这可以通过分别测出各点之间在不同时刻的距离差和各个测量点的姿态进行测量即可。对于煤矿井下钻头在进给过程中的运动轨迹，可以在钻头处安装航姿参考系统（AHRS），完成对钻头随时间变化的连续姿态的测量，同时测量钻头运动过程中的进尺，最后将进尺和姿态数据结合起来，可以得到钻头在运动过程中的完整曲线。

在煤矿矿井钻孔过程中，其坐标系的选取与传统坐标系有所不同，主要是因为煤矿采煤在矿井下作业，因而将Z轴的选取在正向朝天顶，比将Z轴选在朝向地心更符合实际情况，与此同时，在矿井下工作时，一般可以将钻孔位置的地理坐标和煤矿工程图的坐标系作为开孔坐标系，这样虽然简单，但增加了钻孔轨迹的计算，将花费大量的时间。因此，可以选择将地理坐标系在测量时进行计算，其主要过程是以开孔设备的重心位置为坐标原点，X、Y轴的正向分别为北向、东向，而Z轴垂直于XY轴构成的平面，并且该平面指向地面，然后基于左手法则。这样就可以较好地得到钻孔的完整运动轨迹。在煤矿矿井钻孔设计以及在工作过程中的测量时，通常需要将钻孔完整轨迹参数进行分段，拆散成若干个测点，在对测量钻孔的轨迹进行分析的时候，一般每间隔一定的距离，进行一次测量，其主要目的是为了得到钻孔的进尺、方位角以及俯仰角，于此同时还可以得到钻孔的工具面角，然后利用物体轨迹拟合算法，得到钻孔在运动过程中的空间轨迹曲线。

1.2 随钻空间轨迹测量仪器的集成设计

由于煤矿井下作业空间较小，使得钻具工作时直径较小，而且内部空腔体积较小，使得在使用过程中，将面对高温度、高负荷等复杂环境，因此随钻测量仪的选择就显得尤为重要。主要涉及到以下几个原则：

1.2.1 安全设计原则

煤矿井下使用的设备必须满足安全的标准，煤矿设备在设计和选型过程中都应该严格保证本质安全，如：设备的自动短路保护、高温自动保护等。在煤矿井下钻头设备中，在进行钻孔轨迹测量系统设计时，就因该充分地考虑钻头在实际工作过程中会发生振动，电子元器件随着钻头工作而可能脱落，以及传感器随着工作时间而其灵敏度下降等问题。因此在进行设计时，可以对系统内部采用耐高温密封，然后进行装填，最后对整个随钻测量系统进行减震处理。

1.2.2 空间限制原则

由于随钻测量仪的工作特点，使得其要装入钻杆内部，因此在仪器设计时，就应充分考虑钻进过程中进行测量的难度，就必须将仪器设计得比较紧凑，在此狭小的空间中要封装完整的通信、测量传感器等原件，但不能使其工作时的稳定性和安全性得不到满足，在仪器不进行工作时，进行检修时，还将保留足够的空间进行检查和清洗。因此要将随钻测量仪器在有限的空间而保障其正常工作將是重要的一环，因此因引起足够地重视。

2 基于傳感器融合的煤矿井下测量技术

煤矿井下传统的随钻测量系统由于人为影响因素较大，影响最终的测量结果，不能实际反映真实的情况，而基于传感器融合的煤矿井下进尺测量技术将有效解决人为误差和仪器的不精准而造成的系统误差。基于传感器融合的测量技术主要分为状态识别的基础进尺粗侧和基于加速度的进尺精测。

2.1 基于状态识别的基础进尺粗侧

对于煤矿井下随钻仪器来说，要想准确无误地得到计算进尺，就必须精准地识别钻进状态。

2.1.1 基础钻进状态识别

在进行基础钻进识别时，主要采用震动传感器对钻杆的运动状态进行识别，主要包括钻进和停钻两种基本运动状态，只要钻杆运动，不管钻杆旋转钻进去还是非旋转状态下运动，都将产生震动，因此必须设计一种震动传感器来识别钻杆的震动状态。对于目前来说，震动传感器一般都有定位器结构，可以通过定位器结构来设置震动传感器模块的灵敏度，可以通过设置程序，通过程序进行阈值设置，就可以完成对误触发的过滤，进而避免由于人为操作不当而引起问题。

2.1.2 复杂钻机状态识别

在煤矿井下钻杆运动过程中，可以通过加速度传感器和陀螺仪对钻进状态进行细分。对于钻杆系统状态识别来说，只有X轴的加速度参数有意义，就是沿钻杆钻进方向轴的加速度，钻杆在工作状态时，Y轴和Z轴的加速度对钻进状态识别没有太大意义。陀螺仪在随钻测量状态识别中，也只对X轴旋转量有意义。可以根据陀螺仪的正负旋转可以对钻杆状态进行继续细分。

2.2 基于加速度的进尺精测

在煤矿矿井下通过对钻杆状态识别完成进尺和每段进尺的平均钻进速度测量，于此同时，可以通过加速度传感器对随钻测量的数据进行深度挖掘。进而可以得到每个钻杆段的进尺值和钻进速度值，达到精确地测量钻杆的运动轨迹。虽然加速度传感器可以精确地测量任意时刻随钻系统的钻进速度和进尺值，但是由于加速度传感器存在随机漂移问题，为了提高进尺测量精度，可以采用分段积分测量进尺消除误差和采用固定进尺对加速度进尺进行修正误差。

2.2.1 分段测量进尺误差修正

由于加速度传感器在煤矿井下钻杆测量时，自身具有一定的随机误差，当在进行测量时，测量值依靠加速度测得，将必然对结果产生较大的误差，为了解决此误差带来的影响，可以将加速度计算过程进行分段进行，其主要是将钻杆进行分段，在两次加钻杆之间采用加速度测量进尺，这样就可以得到任意时刻的基础进尺和分段加速度，因此，通过分段测量，可以减少因加速度带来的误差，将加速度累积误差控制在每个分段之内，从而从总体上降低了加速度传感器测量进尺带来的累积误差。

2.2.2 进尺校正修正

除了上述对进尺分段测量外，根据煤矿井下钻杆的运动实际情况，每次以增加的进尺为固定值，则可以采用分段内加速度进行二次积分进而得到钻杆长度的方法，即用固定进尺增量对加速度进尺进行修正，最终获得进度较高的进尺测量值。

3 结束语

在煤矿井下作业时，煤矿随钻测量系统可以减少钻孔钻进完毕后再进行测量的过程，进而优化钻孔的钻进技术，能够很好地解决钻孔测量、轨迹成图等实际问题，最终帮助煤炭企业节约日常的开支，提高日常生产的效率。对于煤矿井下的操作工人来说，具有操作简单，不需要特殊的专业培训的特点，将减少他们的工作量。随钻测量技术可以满足数据无线传出，能够适应煤矿井下复杂的工作环境，这样能够保证在煤矿矿井采掘的安全、正常地进行，进而为企业创造出更多的经济效益。

【参考文献】

[1]王四一.煤矿隐蔽致灾地质因素井下探查用随钻测量系统测试研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（6）：68-71.

[2]赵廷严.浅析钻孔弯曲产生的原因及预防纠正措施[J].中国煤炭地质，2009，21（A01）：62-63.

[3]陈沛沛.无线随钻测量技术的应用现状与技术突破研究[J].当代青年月刊，2015（2）：121-121.

[4]张涛，鄢泰宁，卢春华.无线随钻测量系统的工作原理与应用现状[J].西部探矿工程，2005，17（2）：126-128.

[5]刘立军.随钻测井技术的发展现状和趋势研究[J].科技传播，2011（14）：101-103.

[6]赵倩，马铁华，范锦彪.基于DSP的无陀螺捷联惯导系统设计[J].电子测试，2008（8）：67-70.