矿井上行钻孔深度高精度测量技术

张 军，王信文

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

矿井钻探施工主要用于巷道掘进、探放水、地质勘探、瓦斯抽采等方面，在瓦斯抽采中更是不可或缺；煤矿井下钻孔布置方式多是上行或水平孔，在瓦斯抽采中主要以上行钻孔为主[1]。目前，在钻孔施工中没有有效的高精度钻孔深度测量方法。常用的方法是在钻孔施工完成后，通过统计钻杆数量计算后获取钻孔深度，这种常规的计算方式不但费力，且常常存在人为干扰因素的影响；钻孔成像类方法可根据放入钻孔中线缆的长度间接测量钻孔深度，由于钻孔遇塌孔或钻孔轨迹弯曲时无法正常测量等原因，其也不适用于井下钻孔深度测量。

由于煤矿井下钻孔施工布置多为斜向上方、水平向前、垂直向上方，前述钻孔深度测量方法，在井下测量存在较大局限性。近年来，针对不同钻机或不同的钻孔类型，科研人员提出了不同的钻孔深度测量方法[2-4]，研发了相关的仪器设备。

1 数据测量

虽然矿井钻孔深度高精度测量较为困难，但是在矿井上行钻孔施工中仍有可以解决钻孔深度测量的方法。该钻孔深度测量方法主要原理是，随钻实时监测打钻过程中钻杆中的静水压强及钻孔施工中钻孔的轨迹参数，即在钻孔钻进过程中，实时记录钻孔的静水压强值、倾角、方位角、工具面向角等信息，通过监测到的信息进行数据计算，通过计算得到钻孔的深度变化及钻孔终孔深度值。

1.1 静水压强监测

钻孔中的静水压强是指在钻机完成1 根钻杆，释放给进水压后，留置在钻杆中的水压力值，这时的水压力值为静止状态，且为自然水压力值，即可根据此时的孔口水压力值计算钻孔实时高程。在钻孔静水压强测量中最重要的2 点是：能够实时精确测量钻杆中静水压强值的传感器；能够准确判断静水压强的方法。水压传感器的工作原理是将采集到的模拟电压信号通过A/D 转换为数字信号，然后将采集到的数据传输至计算机或其他设备进行存储与显示处理。水压传感器数据采集系统结构如图1。

图1 水压传感器数据采集系统结构Fig.1 Data acquisition system structure of water pressure sensor

由于钻孔静水压强测量的特殊性，采用的水压传感器为扩散压力传感器，最大量程为2 MPa，精度为±0.1%FS，这样可以保证更加准确地测量钻杆中静水压强的变化。测量探管连接结构示意图如图2。

图2 测量探管连接结构示意图Fig.2 Connection structure of measuring probe

由图2 可以看出，钻孔测量系统主要由2 部分组成，整体连接方式为：在钻头后方连接测量探管，测量探管主要实时测量钻孔倾角、方位角以及工具面向角等钻孔信息；在测量探管后方连接常规钻杆；在钻杆另一边连接的是水辫，水辫的主要作用是在钻进施工中给钻孔持续提供水源，目的是降低钻头及钻杆与岩层摩擦产生的热量，并把钻孔中的碎屑冲出钻孔；在水辫的另一边连接测量钻杆水压的压力传感器，该传感器使用外接电源供电，可以进行持续的实时监测测量。

在钻孔施工的过程中，压力传感器可以监测到钻机钻进全过程水力压力的变化过程，其中包括停钻、正常钻进、更换钻杆、退钻等，通过持续的监测测量可以提取到，钻机在更换钻杆过程钻杆中水压的变化情况，这样就可以得到更换钻杆的停钻时刻钻杆中的静水压强值。

钻机的钻井过程中，钻杆中的水压力是一个不断变化的过程。在开始钻进时钻杆中的水压瞬间变大，并很快达到最大值，在钻进过程中水压变化不大。在单根钻杆完成钻进后，钻机停止钻进，这时在没有给进水压的情况下，钻杆水压迅速衰减，但此时钻杆中充满了水，这时的水头高度可认为钻孔的深度位置，记录此时的静水压强值，计算钻孔深度需要的就是这时的静水水压值。之后更换钻杆过程中，钻杆水压持续减小，直至下一个钻杆钻进过程。对全程监测到的钻杆水压值进行筛选，剔除掉钻机给进及其他钻探过程中的水压力值，保留每根钻杆钻进完成后的静水压强值，然后将监测到的数据整理输出，并进行下一步数据处理。

1.2 钻孔轨迹测量

测量到的静水压强值是钻孔深度计算的1 个重要参数，另1 个参数是钻孔的倾角及方位角数值。因此，在钻孔钻进过程中需要同时记录钻孔的倾角及方位角变化情况。由图2 可以看出，随钻轨迹测量系统测量探管位于钻头于钻杆之间，另外还包括无磁钻杆、显示控制器等设备。无磁钻杆主要是为测量探管提供无磁场环境，以此保证测量倾角及方位角数据的准确性。测量探管是将三轴MEMS 陀螺、加速度计和本安电池组集成到无磁管中组成，测量探管的外层为无磁钻杆。测量探管随钻完成钻孔轨迹数据的测量与存储，在施工完成后将钻孔轨迹数据输入显示控制器中进行存储并处理。

社会工作的主要目标在于促进人与外部环境的交流，解决人与环境的交流障碍。当人与其外部环境出现交流障碍，传统社会工作理论认为是因为个人内部有问题有缺陷，需要治疗个人的问题，以达到适应外部环境。这是一种类似于医疗专业的观点，把案主当成病人，根本不去考虑外部环境有什么问题。外部环境是个人要去无条件适应的。只要人与环境出现交流障碍，就肯定是个人的问题。因此传统的社会工作理论是一种以外部环境为权威的理论。

钻孔倾角、方位角的测量系统通过三轴MEMS陀螺和加速度计进行测量，然后通过测量得到的参数计算出当前测点方位角、倾角、工具面向角。钻进时显示控制器与测量探管分别独立测量，最后通过计算得到实钻轨迹数据。

在钻孔数据计算中采用精度较高的曲率半径法。在前、后2 个测点倾角和方位角变化不大的情况下，通过曲率半径法计算钻孔轨迹坐标，计算误差很小。具体计算公式如下：

式中：xn、yn为钻孔的水平方向的位移，m；zn为测点上下位移，m；△Li为2 个测点距离，m；θi、θi-1分别为当前测点及上1 个测点的倾角，（°）；αi、αi-1分别为当前测点及上1 个测点的方位角，（°）。

在测量得到钻孔倾角及方位角后，即可进行下一步钻孔深度的计算。

2 计算方法

上行钻孔深度测量计算主要是利用上行孔中静水压强的实时监测数据及钻孔轨迹测量数据进行计算。通过数据计算得到钻孔的真实深度值。

2.1 数据计算方法

钻孔深度测量是通过钻杆中的静水压强与钻孔深度之间的关系测量计算的。其基本理论依据是静水水压与高程之间的关系。具体计算方法通过水压与水密度、重力加速度、高程之间的关系进行计算。即在打钻过程中，在无外加加压的情况下，钻杆中的孔口和钻头之间存在静水水压，这个水压通过实时监测传感器可以监测到。得到了钻杆中静水水压也就相当于得到了钻孔的高程，这样就可以精确推算钻孔的深度。

式中：p 为静水压强，Pa；ρ 为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h 为高程，m。

这里的高程h 值，在计算钻孔深度时需要进一步进行换算，设钻孔深度值为H，则钻孔高程与钻孔深度之间的关系为h =H·sinθi。因此，由式（4）可以推导得到钻孔深度计算公式:

式中：H 为钻孔深度值，m；θ 为钻孔倾角，（°）。

钻孔深度计算是通过监测钻杆中静水压强及钻孔的轨迹参数，主要采用静水压强值及钻孔轨迹参数的钻孔倾角进行计算。钻孔轨迹计算原理示意图如图3。

图3 钻孔轨迹计算原理示意图Fig.3 Schematic diagram of drilling track calculation

由图3 可以看出，随着钻孔钻进，钻孔倾角随着钻孔的钻进不断的变化，钻孔高程也在不断地变化，在记录了钻孔中每节钻杆倾角的基础上，即可以计算出该钻杆的长度。这样就可以通过式（5）计算钻孔终孔位置的精确深度值。

2.2 软件设计

根据钻孔深度精确计算方法，编制了基于C#可视化编程语言的适用于Windows 操作系统的数据处理软件。基于钻孔静水压强及钻孔轨迹测量的计算方法具有测量准确可靠、计算精度高、同时具有防止人为造假等功能。煤矿管理人员可通过管理账户登录该软件进行数据处理与分析。钻孔深度数据处理软件主要界面如图4。

图4 钻孔深度数据处理软件界面Fig.4 Interface of drilling depth data processing software

钻孔深度数据处理的主要步骤是：首先读入钻孔静水压强数据及钻孔倾角数据；设置钻机供水密度值，通常情况下，钻机供水以清水为主，此时，钻机供水密度值为1；根据式（5）计算钻孔深度值，最后可以得到钻孔开孔倾角、钻孔平均倾角、终孔深度等数值，最后将计算到的钻孔深度信息进行输出保存，供矿井技术人员进一步分析。

3 工程应用

安徽淮北某煤矿在巷道掘进前都需要预抽煤层中的瓦斯，这样就需要进行大量的钻探施工，一般采用在底抽巷道布置上行钻孔抽取瓦斯的方式，由于存在大量的钻孔施工任务，就需要及时掌握钻孔的轨迹及钻孔深度数值。

通过数据的监测与测量，进行数据计算与实际钻孔深度（实际钻孔深度通过钻杆计数现场完成）的对比，钻孔深度计数与计算对比图如图5。

图5 钻孔深度计数与计算对比图Fig.5 Comparison of drilling depth count and calculation

通过对实际钻孔深度与文中提出的计算方法的结果对比可以看出，计算结果与实际数据相差非常小，可在上行钻孔深度测量计算中使用。

4 结 语

通过对钻孔钻进过程中相关参数的分析，总结规律，分析了利用钻孔钻进时钻杆中的静水压强与钻孔轨迹相关参数计算钻孔深度的方法。通过该方法的计算，可以得到钻孔钻进任意时刻钻孔的深度值。通过数据的监测与推导的精确计算公式，形成了完整的井下钻孔深度高精度测量方法技术。

通过对钻孔深度测量计算方法的研究，从数据监测、计算方法2 方面实现了基于静水压强的井下上行钻孔深度高精度测量技术。该技术数据实现实时监测，无需人工操作仪器，使用方法快捷，计算结果精度高。