邊毅彥

【摘 要】在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，煤礦井下鉆探是其重要的工程之一，也是煤礦企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)勘探的重要手段之一，于此同時(shí)也為安全生產(chǎn)提供了重要的保障。但是由于在煤礦開(kāi)采過(guò)程中地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，使得煤礦開(kāi)采存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，煤礦井下隨鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)為煤礦井下開(kāi)采提供了技術(shù)保障。本文主要就煤礦井下隨鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)進(jìn)行剖析，為煤礦井下安全開(kāi)采提供一定的理論和實(shí)際指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】煤礦井下；隨鉆測(cè)量；測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： P634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）33-0185-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.084

0 引言

煤礦企業(yè)在日常采煤生產(chǎn)過(guò)程中，煤礦井下鉆探是一項(xiàng)必不可少的技術(shù)手段，根據(jù)鉆探的最終目的，可以將煤礦井下鉆孔分為措施孔和地質(zhì)孔兩大類(lèi)，地質(zhì)孔是煤礦采掘過(guò)程中格局設(shè)置、采面布置的重要地質(zhì)參考，其目的就是為了更好地采集水文地質(zhì)資料，為今后的施工提供一定的數(shù)據(jù)支撐。措施孔是為防止在采煤過(guò)程中抽放瓦斯和煤礦水害而進(jìn)行鉆孔，是目前防治瓦斯爆炸的一 種重要的技術(shù)手段，因此，在煤礦日常生產(chǎn)中，通過(guò)井下鉆孔技術(shù)對(duì)礦井進(jìn)行勘測(cè)是很有必要的，將影響到煤礦日常開(kāi)采的進(jìn)度，對(duì)煤礦工人的工作環(huán)境也是一種保障。煤礦企業(yè)每年將投入大量的人力、財(cái)力等資源用在鉆孔鉆中，因?yàn)槊旱V井下，鉆孔鉆在礦井下施工時(shí)將遇到不同的煤巖層，其煤巖層的形狀、組合方式和物理力學(xué)性能將影響鉆孔鉆在施工過(guò)程中的鉆壓、進(jìn)給量，以及鉆孔鉆自身的重量和鉆頭在采煤過(guò)程中的磨損，最終將導(dǎo)致鉆孔施工運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)定發(fā)生一定的偏離，而這種偏差是施工人員不好控制的施工偏差，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到預(yù)定的抽采效果，甚至將影響到煤礦的安全生產(chǎn)工作。

煤礦井下隨鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)定鉆孔軌跡，使得鉆孔與設(shè)定的方案一致，對(duì)煤礦開(kāi)采工作有著極大地幫助，進(jìn)而保障在煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中不遇到礦井突水、瓦斯等一系列安全問(wèn)題，于此同時(shí)，煤礦井下隨鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)并不會(huì)影響日常的采煤工作效率。本文以煤礦井下隨機(jī)鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)中的主要技術(shù)參數(shù)，通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的原理，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量中存在的問(wèn)題和測(cè)量誤差進(jìn)行校正，進(jìn)而提高煤礦井下隨鉆孔軌跡測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，保證煤礦企業(yè)采煤日常工作的順利展開(kāi)，同時(shí)也對(duì)井下作業(yè)工人的安全提供了一定地保障，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 煤礦井下隨鉆孔空間軌跡測(cè)量

煤礦井下隨鉆測(cè)量技術(shù)（MWD），是在井下作業(yè)中通過(guò)鉆頭在進(jìn)給過(guò)程中的數(shù)據(jù)，主要包括姿態(tài)角，地層數(shù)據(jù)等，通過(guò)這些測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而提高鉆進(jìn)的效率，減少不必要的人為因素干擾，保障煤礦企業(yè)正常的生產(chǎn)任務(wù)和進(jìn)度。

1.1 隨鉆孔空間軌跡測(cè)量

物體運(yùn)動(dòng)的軌跡是隨著時(shí)間的變化，物體的空間位置發(fā)生變化而連成的曲線，在煤礦井下鉆孔在作業(yè)時(shí)，鉆頭在進(jìn)給過(guò)程中就會(huì)形成特定的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)測(cè)繪學(xué)中的導(dǎo)航學(xué)原理，可以將一個(gè)物體的軌跡測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)一個(gè)物體在連續(xù)時(shí)間中，對(duì)微元長(zhǎng)度的測(cè)量。對(duì)于煤礦井下鉆孔的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將鉆孔的運(yùn)動(dòng)軌跡而形成的曲線進(jìn)行測(cè)量，這可以通過(guò)分別測(cè)出各點(diǎn)之間在不同時(shí)刻的距離差和各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量即可。對(duì)于煤礦井下鉆頭在進(jìn)給過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以在鉆頭處安裝航姿參考系統(tǒng)（AHRS），完成對(duì)鉆頭隨時(shí)間變化的連續(xù)姿態(tài)的測(cè)量，同時(shí)測(cè)量鉆頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的進(jìn)尺，最后將進(jìn)尺和姿態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，可以得到鉆頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的完整曲線。

在煤礦礦井鉆孔過(guò)程中，其坐標(biāo)系的選取與傳統(tǒng)坐標(biāo)系有所不同，主要是因?yàn)槊旱V采煤在礦井下作業(yè)，因而將Z軸的選取在正向朝天頂，比將Z軸選在朝向地心更符合實(shí)際情況，與此同時(shí)，在礦井下工作時(shí)，一般可以將鉆孔位置的地理坐標(biāo)和煤礦工程圖的坐標(biāo)系作為開(kāi)孔坐標(biāo)系，這樣雖然簡(jiǎn)單，但增加了鉆孔軌跡的計(jì)算，將花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，可以選擇將地理坐標(biāo)系在測(cè)量時(shí)進(jìn)行計(jì)算，其主要過(guò)程是以開(kāi)孔設(shè)備的重心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y軸的正向分別為北向、東向，而Z軸垂直于XY軸構(gòu)成的平面，并且該平面指向地面，然后基于左手法則。這樣就可以較好地得到鉆孔的完整運(yùn)動(dòng)軌跡。在煤礦礦井鉆孔設(shè)計(jì)以及在工作過(guò)程中的測(cè)量時(shí)，通常需要將鉆孔完整軌跡參數(shù)進(jìn)行分段，拆散成若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，在對(duì)測(cè)量鉆孔的軌跡進(jìn)行分析的時(shí)候，一般每間隔一定的距離，進(jìn)行一次測(cè)量，其主要目的是為了得到鉆孔的進(jìn)尺、方位角以及俯仰角，于此同時(shí)還可以得到鉆孔的工具面角，然后利用物體軌跡擬合算法，得到鉆孔在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空間軌跡曲線。

1.2 隨鉆空間軌跡測(cè)量?jī)x器的集成設(shè)計(jì)

由于煤礦井下作業(yè)空間較小，使得鉆具工作時(shí)直徑較小，而且內(nèi)部空腔體積較小，使得在使用過(guò)程中，將面對(duì)高溫度、高負(fù)荷等復(fù)雜環(huán)境，因此隨鉆測(cè)量?jī)x的選擇就顯得尤為重要。主要涉及到以下幾個(gè)原則：

1.2.1 安全設(shè)計(jì)原則

煤礦井下使用的設(shè)備必須滿(mǎn)足安全的標(biāo)準(zhǔn)，煤礦設(shè)備在設(shè)計(jì)和選型過(guò)程中都應(yīng)該嚴(yán)格保證本質(zhì)安全，如：設(shè)備的自動(dòng)短路保護(hù)、高溫自動(dòng)保護(hù)等。在煤礦井下鉆頭設(shè)備中，在進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就因該充分地考慮鉆頭在實(shí)際工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，電子元器件隨著鉆頭工作而可能脫落，以及傳感器隨著工作時(shí)間而其靈敏度下降等問(wèn)題。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部采用耐高溫密封，然后進(jìn)行裝填，最后對(duì)整個(gè)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行減震處理。

1.2.2 空間限制原則

由于隨鉆測(cè)量?jī)x的工作特點(diǎn)，使得其要裝入鉆桿內(nèi)部，因此在儀器設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)充分考慮鉆進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量的難度，就必須將儀器設(shè)計(jì)得比較緊湊，在此狹小的空間中要封裝完整的通信、測(cè)量傳感器等原件，但不能使其工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性得不到滿(mǎn)足，在儀器不進(jìn)行工作時(shí)，進(jìn)行檢修時(shí)，還將保留足夠的空間進(jìn)行檢查和清洗。因此要將隨鉆測(cè)量?jī)x器在有限的空間而保障其正常工作將是重要的一環(huán)，因此因引起足夠地重視。

2 基于傳感器融合的煤礦井下測(cè)量技術(shù)

煤礦井下傳統(tǒng)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由于人為影響因素較大，影響最終的測(cè)量結(jié)果，不能實(shí)際反映真實(shí)的情況，而基于傳感器融合的煤礦井下進(jìn)尺測(cè)量技術(shù)將有效解決人為誤差和儀器的不精準(zhǔn)而造成的系統(tǒng)誤差。基于傳感器融合的測(cè)量技術(shù)主要分為狀態(tài)識(shí)別的基礎(chǔ)進(jìn)尺粗側(cè)和基于加速度的進(jìn)尺精測(cè)。

2.1 基于狀態(tài)識(shí)別的基礎(chǔ)進(jìn)尺粗側(cè)

對(duì)于煤礦井下隨鉆儀器來(lái)說(shuō)，要想準(zhǔn)確無(wú)誤地得到計(jì)算進(jìn)尺，就必須精準(zhǔn)地識(shí)別鉆進(jìn)狀態(tài)。

2.1.1 基礎(chǔ)鉆進(jìn)狀態(tài)識(shí)別

在進(jìn)行基礎(chǔ)鉆進(jìn)識(shí)別時(shí)，主要采用震動(dòng)傳感器對(duì)鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，主要包括鉆進(jìn)和停鉆兩種基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只要鉆桿運(yùn)動(dòng)，不管鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)去還是非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，都將產(chǎn)生震動(dòng)，因此必須設(shè)計(jì)一種震動(dòng)傳感器來(lái)識(shí)別鉆桿的震動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于目前來(lái)說(shuō)，震動(dòng)傳感器一般都有定位器結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)定位器結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)置震動(dòng)傳感器模塊的靈敏度，可以通過(guò)設(shè)置程序，通過(guò)程序進(jìn)行閾值設(shè)置，就可以完成對(duì)誤觸發(fā)的過(guò)濾，進(jìn)而避免由于人為操作不當(dāng)而引起問(wèn)題。

2.1.2 復(fù)雜鉆機(jī)狀態(tài)識(shí)別

在煤礦井下鉆桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以通過(guò)加速度傳感器和陀螺儀對(duì)鉆進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行細(xì)分。對(duì)于鉆桿系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別來(lái)說(shuō)，只有X軸的加速度參數(shù)有意義，就是沿鉆桿鉆進(jìn)方向軸的加速度，鉆桿在工作狀態(tài)時(shí)，Y軸和Z軸的加速度對(duì)鉆進(jìn)狀態(tài)識(shí)別沒(méi)有太大意義。陀螺儀在隨鉆測(cè)量狀態(tài)識(shí)別中，也只對(duì)X軸旋轉(zhuǎn)量有意義?？梢愿鶕?jù)陀螺儀的正負(fù)旋轉(zhuǎn)可以對(duì)鉆桿狀態(tài)進(jìn)行繼續(xù)細(xì)分。

2.2 基于加速度的進(jìn)尺精測(cè)

在煤礦礦井下通過(guò)對(duì)鉆桿狀態(tài)識(shí)別完成進(jìn)尺和每段進(jìn)尺的平均鉆進(jìn)速度測(cè)量，于此同時(shí)，可以通過(guò)加速度傳感器對(duì)隨鉆測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘。進(jìn)而可以得到每個(gè)鉆桿段的進(jìn)尺值和鉆進(jìn)速度值，達(dá)到精確地測(cè)量鉆桿的運(yùn)動(dòng)軌跡。雖然加速度傳感器可以精確地測(cè)量任意時(shí)刻隨鉆系統(tǒng)的鉆進(jìn)速度和進(jìn)尺值，但是由于加速度傳感器存在隨機(jī)漂移問(wèn)題，為了提高進(jìn)尺測(cè)量精度，可以采用分段積分測(cè)量進(jìn)尺消除誤差和采用固定進(jìn)尺對(duì)加速度進(jìn)尺進(jìn)行修正誤差。

2.2.1 分段測(cè)量進(jìn)尺誤差修正

由于加速度傳感器在煤礦井下鉆桿測(cè)量時(shí)，自身具有一定的隨機(jī)誤差，當(dāng)在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量值依靠加速度測(cè)得，將必然對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，為了解決此誤差帶來(lái)的影響，可以將加速度計(jì)算過(guò)程進(jìn)行分段進(jìn)行，其主要是將鉆桿進(jìn)行分段，在兩次加鉆桿之間采用加速度測(cè)量進(jìn)尺，這樣就可以得到任意時(shí)刻的基礎(chǔ)進(jìn)尺和分段加速度，因此，通過(guò)分段測(cè)量，可以減少因加速度帶來(lái)的誤差，將加速度累積誤差控制在每個(gè)分段之內(nèi)，從而從總體上降低了加速度傳感器測(cè)量進(jìn)尺帶來(lái)的累積誤差。

2.2.2 進(jìn)尺校正修正

除了上述對(duì)進(jìn)尺分段測(cè)量外，根據(jù)煤礦井下鉆桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)際情況，每次以增加的進(jìn)尺為固定值，則可以采用分段內(nèi)加速度進(jìn)行二次積分進(jìn)而得到鉆桿長(zhǎng)度的方法，即用固定進(jìn)尺增量對(duì)加速度進(jìn)尺進(jìn)行修正，最終獲得進(jìn)度較高的進(jìn)尺測(cè)量值。

3 結(jié)束語(yǔ)

在煤礦井下作業(yè)時(shí)，煤礦隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可以減少鉆孔鉆進(jìn)完畢后再進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程，進(jìn)而優(yōu)化鉆孔的鉆進(jìn)技術(shù)，能夠很好地解決鉆孔測(cè)量、軌跡成圖等實(shí)際問(wèn)題，最終幫助煤炭企業(yè)節(jié)約日常的開(kāi)支，提高日常生產(chǎn)的效率。對(duì)于煤礦井下的操作工人來(lái)說(shuō)，具有操作簡(jiǎn)單，不需要特殊的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的特點(diǎn)，將減少他們的工作量。隨鉆測(cè)量技術(shù)可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)無(wú)線傳出，能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境，這樣能夠保證在煤礦礦井采掘的安全、正常地進(jìn)行，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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