松软煤层下筛管钻孔轨迹测量技术

张 军

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

近年来，部分地区由于瓦斯抽放技术与装备落后，钻孔施工很难按照设计轨迹钻进，导致煤层出现瓦斯抽放盲区而引发的煤与瓦斯突出事故时有发生。由于煤层地质条件的特殊性，在松软煤层钻孔施工中，通常存在瓦斯压力大、地质条件复杂、透气性差等不利因素，导致煤层中钻孔分布不均匀、成孔效果差，钻孔的喷孔、塌孔等状况时有发生，严重影响煤矿安全生产。针对这样的问题，程建圣[1]研究了穿层钻孔全程筛管下放瓦斯抽采技术原理及施工工艺，并通过现场试验，证明了该技术在穿层钻孔瓦斯抽采中的应用效果。陈功胜等[2]提出不提钻下筛管技术应用于松软煤层的瓦斯抽采中。孙新胜等[3]研究了松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术与装备及施工工艺。

由于松软煤层的影响，在钻孔施工过程中难以完成随钻轨迹测量，影响了钻孔预抽瓦斯的效果。需要研究适用于松软煤层下放筛管后的钻孔轨迹测量技术，掌握钻孔参数信息，提高瓦斯抽采能力和水平。目前，钻孔轨迹测量装备主要以成孔轨迹测量、随钻轨迹测量以及定向钻孔轨迹测量为主，测量装备普遍存在着探管直径粗、质量大，无法应用于筛管下放条件下的钻孔轨迹测量。针对以上问题，研究了松软煤层条件下，筛管下放后的钻孔轨迹测量系统。系统由测量探管与手持式控制终端组成，测量探管直径小、长度短、质量轻，可以适用于大多数筛管下放后的钻孔轨迹测量。手持式控制终端采用防爆手机及专用数据采集软件组成，测量探管与手持式控制终端可通过蓝牙或有线2 种方式进行指令控制与信号传输，确保在不同环境下仪器正常使用。

1 钻孔筛管下放与轨迹测量的关系

为了提高松软煤层地质条件下的瓦斯抽采效果，通常在钻孔施工完成后，会在钻孔下放筛管护孔，保证瓦斯预抽采效果。筛管下放的技术是在松软突出煤层钻孔成孔后，在不退出孔内钻具的情况下，将护孔筛管和孔底固定装置由钻杆的内通孔输送到孔底，完成护孔筛管和孔底固定装置输送及固定后，退出钻杆和钻头，孔底固定装置将筛管固定后，在一定时间内留在钻孔内作为瓦斯抽采通道。

钻孔轨迹测量技术也根据不同需求产生了成孔轨迹测量、随钻轨迹测量、钻孔有线随钻轨迹测量[4]、数据无线传输轨迹测量[5]等方式。这些轨迹测量方式主要适用于钻杆直径在50 mm 以上的钻孔中使用，无法实现筛管下放后的钻孔轨迹测量。有研究指出实现了松软煤层条件下的随钻轨迹测量技术[6-7]。但是由于松软煤层瓦斯压力大、煤层透气性差，钻孔施工时容易出现塌孔、抱钻等现象，随钻钻孔轨迹测量在这种钻孔中使用存在钻杆或探管埋钻的风险。

目前需要能适应筛管下放工艺的钻孔轨迹测量设备，解决钻孔在煤层中分布不均，钻孔轨迹不明的问题。当测量钻孔轨迹达不到要求时，重新修改设计进行施工。提高瓦斯抽采效率，降低瓦斯灾害的潜在风险[8-10]。

2 钻孔轨迹测量系统

煤矿井下钻孔轨迹测量装置主要包括测量探管、手持式控制终端、手推杆等。测量方式为在筛管下放到位后，将测量探管安装于手推杆顶端送入钻孔进行轨迹测量。这种测量方式是在松软煤层条件下，筛管下放后进行的钻孔轨迹测量，由于筛管的保护作用，探管很少存在埋钻的风险。

2.1 轨迹测量探管

由于需要在下放过筛管后的钻孔中进行钻孔的轨迹测量，因此，测量探管的设计与使用方法尤为重要。受到筛管空间尺寸限制，探管外径设计为21 mm，长度450 mm，使得筛管在钻杆内下放的空间足够大，以适用于大多数下放过筛管的钻孔使用。

测量探管在钻孔中进行测量时存在高振动、易磨损的施工特点，测量探管耐12 MPa 水压，设计了注塑减振套件和抗压耐磨外管与碳纤维手推杆，手推杆前后设计有公母扣连接套件装置。钻孔轨迹测量最重要的3 个参数为钻孔深度、方位角、倾角，这3 个参数决定了钻孔轨迹空间姿态。需要将加速度计芯片和磁敏传感器芯片装入测量探管内部[11]。测量探管原理框图如图1。

图1 测量探管原理框图Fig.1 Principle block diagram of measuring probe tube

方位测量采用磁敏传感器，根据大地磁场确定探管的方向姿态；倾角测量采用加速度传感器，根据重力加速度确定探管的俯仰角度。传感器产生的电信号，经控制单元计算处理成数字信号存储。探管存储数据通过蓝牙传输至手持式控制终端。通过测量的钻孔倾角、方位角数据以及记录的钻孔深度数据，进行数据计算，完成钻孔轨迹测量。钻孔轨迹测量探管在筛管中的施工方式如图2。

图2 钻孔轨迹测量施工方式示意图Fig.2 Drilling trajectory measurement construction method

由图2 可以看出，使用该测量探管进行钻孔轨迹测量，是在钻孔成孔以及筛管下方以后进行的，不依赖于钻机推送，而且能够保证测量探管在钻孔轨迹测量时的安全性，减少埋钻等事故的发生。

测量探头控制软件采用集成环境C 语言开发。测量探管采集控制软件实现了初始化、数据采集、A/D 转换、角度计算和数据输出等功能，代码经过编译和调试后输入探管存储器。

2.2 手持式控制终端功能

手持式控制终端选用具有矿用产品安全标志证书的矿用防爆兼本安型手机，手机搭载Android 系统，开发了钻孔轨迹测量专用APP，实现对测量探管的时间同步、参数设置、命令控制等功能。

手持式控制终端的主要功能有以下几个方面。

1）蓝牙连接。打开手持式控制终端蓝牙，打开测量探管电源开关。搜索附近可用蓝牙，配对成功绑定后即可实现手机与测量探管之间的蓝牙通信。蓝牙通讯可以实现指令控制、数据传输等功能。

2）定时同步。目的是在探管与手持式控制终端分离后能够在时间上精准统一。在手持式控制终端与测量探管建立蓝牙连接后，控制终端发送约定的同步指令给测量探管，测量探管以约定的时间与测量方式开始同步测量。

3）数据传输。在一个钻孔测量完成后，再次将手持式控制终端与测量探管建立蓝牙通信连接，手持式控制终端读取测量探管存储器中的所有数据，并转存在手持式控制终端。

4）钻孔轨迹计算与显示。钻孔轨迹计算是指在测量数据转存至手持式控制终端后，手持式控制终端的测量控制APP 可以实时计算该测量钻孔的轨迹及上下、左右偏差值。计算出每个测点的偏差数据后，从第1 个测量点深度累加得出整个钻孔的偏差数值，以深度为横坐标，上下偏差值、左右偏差值为纵坐标绘制钻孔轨迹偏差图。钻孔轨迹计算采用均角全距法，计算方法[12]如下。

式中：Xn为测点在x 轴上的投影长度，m；Yn为测点的累计左右偏差，m；Zn为测点的上下偏差，m；△Li为2 个测量点之间的距离，m；θi为当前测量点的倾角，（°）；θi-1为上1 个测量点的倾角，（°）；α0为第1 个测量点的方位角，（°）；αi为当前测量点的方位角，（°）；αi-1为上1 个测量点的方位角，（°）；Ai-1为上1 个测量点的深度，m；Ai为当前测量点的测量深度，m。

2.3 轨迹测量数据处理软件

钻孔轨迹数据处理软件是筛管下放钻孔轨迹仪的人机交互界面，设计运行于PC 客户端。数据处理软件采用模块化设计方法，减少数据处理软件的操作流程。软件可以实现数据传输、数据处理与存储、轨迹图二维及三维显示与存储等功能。

数据处理的主要流程：读取钻孔轨迹原始数据；对原始数据进行校正；配置钻孔测量地区的磁偏角值；计算钻孔轨迹相对于开孔倾角与方位角的上下偏差值、左右偏差值；输出数据成果及钻孔轨迹成果图。数据处理软件的功能界面，钻孔轨迹数据处理软件界面如图3。

图3 钻孔轨迹数据处理软件界面Fig.3 Software interface of drilling trajectory data processing

在进行完常规钻孔轨迹数据处理后，数据处理软件可以通过换算轨迹偏差坐标，进一步数据建模，在建立三维模型数据的基础上，在三维空间展示钻孔的轨迹信息，这样使钻孔的轨迹及相对空间位置更加清晰，有利于进行钻孔的设计与后期数据分析。

3 井下试验

为验证钻孔测量系统的工作稳定性和有效性，验证测量探管在钻孔安装筛管后是否影响钻孔轨迹的正常测量，选择安徽淮北某煤矿进行现场试验。

当探管送入预定位置后，系统将记录下相应的钻孔测量时间、深度、倾角、方位角、工具面向角。在下一测量点时，重复测量操作，直至测量完成。测量完成后，采用无线蓝牙连接探管与控制器，获取探管中所有的数据，当数据传输结束，系统将测量数据保存在手持式控制终端钻孔文件中。

在进行钻孔轨迹测量时，由于钻孔孔口附近有锚网等金属体干扰，为了保证测量精度，第1 个测量点深度设定在钻孔中距离孔口6 m 位置，测量深度间距设定为6 m。钻孔设计孔深115 m，设计倾角4°、设计方位角187°，实测钻孔深度114 m。现场试验所测得的数据稳定，测量数据精度高。经巷道掘进后验证情况分析，钻孔轨迹测量结果比较准确。通过数据计算，绘制钻孔轨迹偏差图，钻孔轨迹偏差成果图如图4。

图4 钻孔轨迹偏差成果图Fig.4 Borehole trajectory deviation results

由图4 可以看出，由于松软煤层特殊的地质条件和其他因素的影响，设计钻孔轨迹与实际钻孔轨迹存在一定的偏差。钻孔实钻终孔位置与设计钻孔终孔位置上下偏差1.96 m，左右偏差0.36 m。

在对所有测量钻孔数据处理、三维数据转换并建模后，在三维空间展示钻孔的轨迹信息，钻孔轨迹三维成果如图5。

图5 钻孔轨迹三维成果图Fig.5 3D results of drilling trajectory

图5 中，黑色线条为实钻钻孔轨迹，白色线条为实钻钻孔在煤层中的轨迹；白色圆点为设计见煤点位置，黑色圆点为实际见煤点位置；水平平面为设计煤层位置，曲面为实际煤层位置。由图可以看出，实测见煤点位置与设计见煤点位置偏差较大，实际煤层位置与设计煤层位置偏差较大。通过钻孔数据及成果图可以看出，该装置测量结果稳定可靠，真实反映了钻孔轨迹走势，钻孔轨迹数据能够有效预防钻探偏差带来的安全隐患。

4 结 语

为了解决松软煤层筛管下放条件下钻孔轨迹测量难题，研究了筛管下放条件下的钻孔轨迹测量装置与技术。设计开发了一种用于筛管中使用的小型轨迹测量探管，以及与之配套使用的手持式控制终端，测量探管与手持式控制终端通过蓝牙进行连接。通过大量的工程实践表明，基于蓝牙传输的，适用于松软煤层筛管下放条件下的钻孔轨迹测量装备，有效解决了筛管下放后导致的钻孔盲打、钻孔分布情况不明等问题，极大地降低了瓦斯灾害风险，提高了瓦斯抽采效果。现场试验结果证明了基于蓝牙传输的钻孔轨迹测量仪具有很高的工作稳定性和实用性，为煤矿安全生产提供设备支撑。