钻孔数据处理与三维显示软件设计及应用

2021-10-21王小龙

煤矿安全 2021年10期

王小龙，张军

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

煤矿井下普遍采用钻机施工瓦斯抽放钻孔，通过预先抽采钻孔瓦斯降低煤层瓦斯压力，有效预防煤与瓦斯突出事故的发生[1-2]。目前，煤矿井下钻孔施工方式有定向钻进[3-4]、回转钻进[5-6]。定向钻进技术由于钻孔轨迹可调可控，在煤矿井下取得了良好的应用效果，但其价格昂贵、施工工艺复杂，所以煤矿井下大部分钻孔仍采用回转钻进施工方式。

在回转钻进施工中，常常采用随钻轨迹仪进行钻孔轨迹随钻测量，或是钻孔成孔后采用手推式钻孔轨迹仪进行钻孔轨迹测量。轨迹仪将采集到的姿态数据保存在测量探管内，测量完成后导出存储的数据到轨迹仪控制器中，由轨迹仪数据处理软件处理得到钻孔轨迹[7-9]。

由于轨迹仪测量效率高、操作简单，在煤矿井下得到广泛的应用。但其不足之处也很明显：轨迹仪数据处理软件只能实现单个钻孔的轨迹图，无法给出多个钻孔轨迹的位置关系以及与煤层之间的关系；轨迹仪数据处理软件所生成的上下偏差及左右偏差图都是二维图形，无法直观反映钻孔轨迹在三维空间中的形态；轨迹仪数据处理软件无法分析瓦斯抽采盲区，无法给出后续钻孔的指导轨迹。

目前，轨迹仪数据处理软件虽能进行钻孔轨迹的测量、显示与存储，但钻孔数据处理功能薄弱，无法实现瓦斯抽采盲区的分析与显示，不具备指导钻孔施工的功能，致使轨迹仪应用受到较大限制，造成现场施工的诸多不便。

针对钻孔瓦斯抽采盲区分析及控制的实际需求，设计开发了钻孔数据处理与三维显示软件。该软件具有界面友好、功能强大、使用便利、操作简单的特点，可帮助施工人员完成钻孔轨迹数据的处理、钻孔轨迹与煤层分布等三维显示、钻孔覆盖盲区的分析显示，以及给出后续钻孔指导轨迹，使得钻孔施工人员全面掌握钻孔信息，为优化钻孔施工提供技术支撑。

1 钻孔数据处理与三维显示软件系统

1.1 整体设计

煤矿井下回转钻进中，通常采用YZG7 随钻轨迹仪进行钻孔轨迹测量。若在钻孔施工中未能实现随钻测量，则在钻孔成孔后可采用YQG1 手持式轨迹仪进行钻孔轨迹测量。

采用YZG7 随钻轨迹仪作为数据采集设备进行钻孔数据采集。YZG7 随钻轨迹仪包括孔口控制器与钻孔测量探管。钻孔测量探管测量钻孔的倾角、方位角、工具面向角等空间姿态参数，孔口控制器记录测量时间，钻孔施工完成起钻后，连接孔口控制器与钻孔测量探管，根据测量时间进行数据同步后，将钻孔测量探管的姿态数据上传到孔口控制器中便于后续处理。

根据钻孔瓦斯抽采盲区分析及控制的实际需求，钻孔数据处理与三维显示软件开发了4 大功能：钻孔数据预处理、钻孔深度及钻孔轨迹计算、钻孔轨迹三维建模与显示及后续钻孔轨迹设计指导。钻孔数据处理与三维显示软件模块如图1。

图1 钻孔数据处理与三维显示软件模块Fig.1 Module of borehole data processing and 3D display software

钻孔预处理模块包含数据导入、系统参数设置、钻场及钻孔设计、数据校准等，重点关注地磁偏角计算及数据野点的剔除。钻孔深度及钻孔轨迹计算模块利用钻孔水压监测数据结合测点倾角数据实现钻孔静水压力的提取及钻孔深度的计算，同时实现钻孔轨迹的计算及钻孔测点坐标的提取，完成钻孔轨迹深层次的数据挖掘。钻孔轨迹三维建模与显示模块将钻孔轨迹及煤层走向等钻孔信息通过三维实体有效呈现，便于钻孔瓦斯抽采盲区的确定，包括钻孔群轨迹及煤层分布三维显示、进煤面设计钻孔覆盖区域、进煤面实钻钻孔覆盖区域等显示。钻孔轨迹设计指导模块给出钻孔抽采盲区，并统计已有钻孔轨迹的偏移特性，给出后续补充钻孔施工的指导轨迹。

1.2 关键技术

1）多种数据格式的兼容性。经过多年的开发推广，目前已形成YZG7、YQG1、YZG3.7、YCSZ（A）等多款矿用随钻及非随钻轨迹测量设备。钻孔数据处理与三维显示软件在开发过程中要解决不同轨迹仪设备数据格式的兼容性问题，要能实现各种轨迹仪测量设备的数据导入。

2）基于钻孔水压监测数据的钻孔深度计算。在底抽巷的上行钻孔施工中，为了避免了钻孔施工人员对钻孔深度的谎报和误报，采用基于钻孔静水压力数据结合钻孔倾角数据确定钻孔深度的技术方法。在钻杆尾部的水辫上安装水压传感器，连续监测钻杆内水压数据，在钻孔数据处理与三维显示软件中通过检测钻孔水压数据中的静水压力数据，同时结合钻孔倾角数据进行计算获得钻孔深度，是钻孔数据处理与三维显示软件需要解决的第2 个问题。

3）钻孔瓦斯抽采覆盖区域的分析。钻孔轨迹可以精确计算，采用三维建模及显示软件可以显示钻孔轨迹在空间中的分布情况。但对于瓦斯抽采而言，关心的是钻孔在进入煤层（进煤面）的落点和钻孔在穿出煤层（出煤面）的落点以及在煤层中钻孔瓦斯抽采覆盖区域的大小，是否有覆盖盲区存在及覆盖盲区的大小。只有知道了盲区是否存在及盲区位置，才能指导后续钻孔施工。为了定量分析钻孔瓦斯抽采覆盖区域，更好地指导后续钻孔施工，如何抛却三维空间钻孔轨迹覆盖区域量化的复杂性，合理简化钻孔轨迹覆盖区域描述，直观且量化表示钻孔瓦斯抽采覆盖区域，是钻孔数据处理与三维显示软件需要解决的第3 个问题。

4）钻孔偏移规律分析总结。在回转钻进的施工过程中，为获取最佳的抽采效果，需要实钻轨迹尽可能与设计轨迹一致，然而由于钻孔轨迹易受岩层地质条件、煤层分布、钻杆自重及钻进参数等多种因素的影响，实钻轨迹总是偏离设计轨迹。实钻轨迹与这些影响因素之间的定量化关系难以确定。如何根据已有的实钻轨迹与设计轨迹找到该钻场钻孔偏移的整体规律，在后续钻孔施工中根据偏移规律重新设计钻孔开孔倾角及方位角，使得钻孔在煤层中的实际轨迹与设计轨迹尽可能吻合或是实际轨迹的落点尽可能处于钻孔瓦斯抽采盲区内，从而达到控制与消除瓦斯抽采盲区的目的，是钻孔数据处理与三维显示软件需要解决的第4 个问题。

2 钻孔数据处理与三维显示软件功能

2.1 钻孔数据预处理模块

钻孔数据预处理模块实现对轨迹仪测量数据的导入、系统参数设置、钻场与钻孔设计、数据校准等。

1）数据导入。通过数据导入，可将电脑中或U盘中存储的轨迹仪测量数据（XML 格式或EXCEL格式）加载到钻孔数据处理软件中进行后续处理。

2）系统参数配置。在对钻孔测量数据进行校准前，需要对软件的有关参数进行配置，具体包括地磁偏角设置、轨迹计算方法的选择等。其中在磁偏角设置中给定了全国79 个不同矿区的磁偏角数值，用户可根据实测地点选择所属矿区，该矿区的磁偏角数值会自动加载到软件中参与相关计算。轨迹计算方法分为平均角法与校正平均角法，通常软件默认选择平均角法作为轨迹计算方法，可将钻孔测量的角度数据转化为钻孔轨迹的三维坐标，如有需要也可设置校准平均角法作为配置。

3）钻场及钻孔的设计。对钻场进行管理，比如对钻场进行施工用途、岩层分布、含水特性的备注说明。对钻孔进行新建时，输入主设计方位角、开孔倾角、开孔方位角等信息。新建钻孔完成后，可输入设计轨迹。

4）钻孔测量数据的校准。在使用钻孔测量数据进行轨迹计算前，先进行数据校准，可根据现场实际情况适当调整和修正数据点，对钻孔测量数据中的野点进行剔除，按七点平滑法进行插值补充。除此之外，可进行数据添加、数据删除、按深度升序或降序进行数据排序等，以弥补操作失误、遗漏采集等原因造成的错误。

2.2 钻孔深度与轨迹计算模块

钻场深度与钻孔轨迹计算模块是对钻孔轨迹测量数据和钻孔水压监测数据进行深层处理，主要用于确定钻孔深度及钻孔轨迹的管理。

1）钻孔水压数据导入。将钻孔水压数据文件（Excel 格式）导入到钻孔数据处理软件中。

2）钻孔深度L 计算。从连续监测的巨量钻孔水压数据中，提取静水压力数据（钻机水开关关闭时钻杆内的水压数据），结合测量的倾角数据，计算钻孔深度，并进行保存、输出。具体方法是利用式（1）：

式中：p 为静水压力；ρ 为水的密度；g 为重力加速度；θ 为钻孔倾角。

3）钻孔轨迹计算。利用轨迹仪测量获得的倾角和方位角及钻孔深度数据，通过均角全距法将测量的姿态数据转化为表示钻孔轨迹的空间三维坐标。在获得水平位移，左右位移及上下位移后即可绘制钻孔轨迹。根据轨迹计算获得的钻孔轨迹数据绘制各个钻孔的轨迹图，包括相对于钻孔坐标系的左右偏差轨迹图、上下偏差轨迹图以及相对于地理坐标系的左右偏差轨迹图、上下偏差轨迹图。具体方法为：

式中：x 为水平位移；y 为左右位移；z 为上下位移；βi为第i 个测点的倾角；αi为第i 个测点的方位角；α0为钻孔主设计方位角；△Li为第i 个测段的长度。

4）三维坐标转换。三维坐标转换实现钻孔坐标到钻场坐标的转换以便于钻孔的三维建模和三维显示。针对钻场或巷道中所有钻孔，先在钻场或巷道中规定1 个基准零点，给定每个钻孔起点相对于钻场基准点的三维坐标值，通过三维坐标转换将钻孔坐标转换为钻场坐标。此外，根据钻孔施工记录给定钻孔见煤深度、出煤深度及测点间距，通过三维坐标转换可以确定钻孔见煤点三维坐标和出煤点三维坐标，这些都方便了在三维空间中进行钻场孔群的管理。

2.3 钻孔三维建模与显示

1）三维建模与显示。鉴于Golden Software 公司推出的三维可视化软件Voxler 在钻孔轨迹可视化方面的优势，在钻孔数据处理与三维显示软件中内嵌了Voxler 软件，通过调用Voxler 软件，利用其功能强大、操作简单的特点，可以实现钻孔群轨迹的三维建模[10-11]。在三维显示中，可以通过不同视角或任意平面的切片图来直观显示钻孔轨迹及煤层分布。

2）钻孔覆盖区域显示。包括设计钻孔覆盖区域显示和实钻钻孔覆盖区域显示2 部分。三维显示可以直观显示钻孔的轨迹以及钻孔穿过煤层的见煤点与出煤点，但定量描述钻孔瓦斯抽采覆盖区域并非易事。考虑到通常煤层厚度在1～8 m，相对于钻孔深度而言煤层很薄且煤层倾角普遍较小这一事实，采用将钻孔进煤点与出煤点及钻孔瓦斯抽采覆盖区域（通常取钻孔周围直径5 m 的范围）由三维空间投影到水平面的方法，来直观且定量描述钻孔覆盖区域。通过设计钻孔覆盖区域和实钻钻孔覆盖区域的对比，可以确定是否存在钻孔瓦斯抽采盲区以及钻孔瓦斯抽采盲区的位置及大小。

2.4 钻孔轨迹设计指导

1）钻孔偏移特性分析。根据钻孔轨迹以及钻孔轨迹在煤层中的分布情况，统计钻场钻孔偏移特性，总结钻孔偏移规律。具体包括分析开孔倾角偏差，开孔方位角偏差，实钻轨迹偏差，见煤点位置偏差，出煤点位置偏差等，统计各种偏差大小及分布，给出钻孔偏移特性及规律。

2）钻孔轨迹设计。根据钻孔偏移特性，修改后续钻孔设计轨迹或设计补充钻孔轨迹，确定后续钻孔或补充钻孔的开孔倾角及方位角，使得在岩层地质条件、煤层分布、钻杆自重及钻进参数等多种因素不变的情况下，钻孔在煤层进出点的位置尽可能与设计位置一致，从而达到控制与消除瓦斯抽采盲区的目的。

钻孔轨迹数据处理与三维显示软件数据处理流程如图2。钻孔轨迹数据处理与三维显示软件中钻孔轨迹计算界面如图3。

图2 钻孔轨迹数据处理与三维显示软件数据处理流程Fig.2 Data processing flow of borehole data processing and 3D display software

图3 钻孔轨迹计算界面Fig.3 Borehole track computing interface

3 现场试验

淮北矿业某矿为治理瓦斯灾害，在井下施工大量穿层钻孔、顺层钻孔及高位钻孔等。采用钻孔数据处理与三维显示软件对该矿866 底抽巷14 号钻场、16 号钻场、18 号钻场、20 号钻场、22 号钻场、24号钻场共6 个连续钻共计257 个钻孔进行了数据处理。866 底抽巷位于8 煤层底板下约27～40 m，煤层底板下方位为灰岩层，各钻场瓦斯穿层钻孔轴向间距5 m，列间距5 m，钻孔终孔穿过8 煤层顶板约3 m。处理后的钻孔群轨迹及煤层顶底板的三维显示如图4。

图4 12～22 号钻场钻孔轨迹与煤层顶底板三维显示Fig.4 3D display of borehole track and coal seam roof and floor of 12—24 drilling field

淮北矿业某矿1035 机巷底抽巷22 号钻场设计钻孔轨迹三维显示如图5。底抽巷瓦斯抽采钻孔是由底抽巷顶板或侧帮向上施工穿层钻孔，使钻孔穿过上方煤层中预掘巷道附近位置，以预先抽采煤层中预掘巷道周围的瓦斯，保障后续预掘巷道掘进施工的安全。根据实际抽采经验，钻孔瓦斯抽采覆盖区域为钻孔周围半径2.5 m 的范围。为保证预掘巷道周围区域瓦斯抽采的全覆盖，通常钻孔设计将钻孔在煤层预掘进巷道附近的落点设置为等间距，钻孔进出煤层的落点其行列间距均为4～6 m 左右。虽然设计轨迹实现了钻孔瓦斯抽采全覆盖，但由于岩层地质条件、煤层分布、钻杆自重及钻进参数等多种因素的影响，钻孔实钻轨迹往往偏离设计轨迹，使得钻孔瓦斯抽采不能实现全区域覆盖，从而出现了钻孔覆盖盲区，导致部分区域瓦斯未能抽采泄压存在安全风险。

图5 1035 机巷底抽巷22 号钻场设计钻孔轨迹与煤层顶底板三维显示Fig.5 3D display of borehole track and roof and floor of coal seam in No.22 drilling field of 1035 mine roadway

采用钻孔数据处理与三维显示软件对22 号钻场设计钻孔覆盖区域、实钻钻孔覆盖区域及补充钻孔后的覆盖区域进行了显示与评价，钻孔设计、实钻及补钻施工后抽采覆盖区域图对比如图6。

图6 钻孔设计、实钻及补钻施工后抽采覆盖区域图对比Fig.6 The comparison of borehole design coverage area, actual drilling coverage area and coverage area after supplementary drilling

从图6（a）可以看到设计钻孔的抽采区域实现了预掘巷道周围20 m 半径内全覆盖。从图6（b）可以看到实钻钻孔的覆盖区域只达到设计覆盖区域的55%左右，在预掘巷道的中间部位及右上方、右下方存在较大的钻孔抽采覆盖盲区。通过实钻钻孔的三维显示和对实钻钻孔偏移规律的分析，设计了补充钻孔的轨迹，利用精准开孔技术和随钻轨迹测量技术对22 号钻场进行了补充钻孔施工，补孔后钻孔抽采覆盖区域图如图6（c），补孔后钻孔抽采区域达到设计覆盖区域的95%以上，大大提高了钻孔瓦斯抽采覆盖范围，能有效控制或消除钻孔瓦斯抽采盲区。