曹 陽(yáng)，張文康，趙 偉，王 濤

（河南龍宇能源股份有限公司，河南 永城 476600）

礦井瓦斯超限嚴(yán)重危害煤礦安全高效生產(chǎn)，抽采鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是目前治理瓦斯超限的重要手段[1-2]。鉆孔的合理設(shè)計(jì)及布置等決定著鉆孔的有效利用率，而鉆孔的實(shí)際軌跡直接影響鉆孔的成孔效果[3-4]。在礦井鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆頭受力不均，鉆孔鉆進(jìn)極易發(fā)生偏移。抽采鉆孔軌跡是否準(zhǔn)確到達(dá)鉆孔設(shè)計(jì)位置是預(yù)抽瓦斯的關(guān)鍵，偏移鉆孔易造成瓦斯抽放盲區(qū)，形成空白條帶[4-5]，不僅直接影響鉆孔的成孔和瓦斯預(yù)抽效果，同時(shí)容易誘發(fā)其他安全事故。因此，研究鉆孔的軌跡偏移至關(guān)重要[6-8]。

煤礦鉆孔技術(shù)主要包括定向鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)由于鉆孔軌跡可調(diào)可控，在煤礦井下取得了良好的應(yīng)用效果，但其價(jià)格比較昂貴、施工工藝復(fù)雜；回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆孔軌跡不可控，但其價(jià)格便宜、施工簡(jiǎn)單便捷，煤礦井下大部分瓦斯抽采鉆孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工方式[9-11]。不論哪種鉆進(jìn)技術(shù)，精準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量鉆孔軌跡可為鉆孔施工、提高抽采效果提供關(guān)鍵性指導(dǎo)。煤礦現(xiàn)普遍采用隨鉆軌跡儀等儀器測(cè)量瓦斯抽采鉆孔的軌跡，以保證鉆孔施工安全進(jìn)行[12]。隨鉆測(cè)量技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)鉆孔深度淺、軌跡不可控、存在瓦斯抽采空白帶等問(wèn)題，是煤礦井下鉆探技術(shù)由“軌跡不可控”到“精確定向”的關(guān)鍵技術(shù)[13]。

目前，礦用鉆孔軌跡測(cè)量方法主要分為有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[12,14]。有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)直接向井內(nèi)傳感器供電，實(shí)現(xiàn)地面、井內(nèi)雙向通訊，數(shù)據(jù)傳輸效率高、信息量大，但安裝復(fù)雜、對(duì)密封要求極高、加工難度大且壽命短，容易影響正常鉆進(jìn)；無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)利用泥漿脈沖或電磁波等將鉆孔軌跡數(shù)據(jù)從孔內(nèi)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇淄猓盘?hào)傳輸直接暴露于泥漿和地層，受地層環(huán)境干擾大[9]。上述兩種軌跡測(cè)量系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)鉆孔軌跡成圖，系統(tǒng)生成的上下偏移圖和左右偏移圖均為二維，無(wú)法直觀呈現(xiàn)鉆孔三維軌跡形態(tài)，同時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)無(wú)法分析鉆孔偏移規(guī)律，不能及時(shí)有效指導(dǎo)后續(xù)鉆孔的設(shè)計(jì)與施工[15-16]。

鉆孔軌跡曲線三維呈現(xiàn)、多孔測(cè)量是瓦斯抽采鉆孔軌跡測(cè)定儀的發(fā)展趨勢(shì)。本文基于三維電子羅盤和陀螺儀原理研制出一種能精準(zhǔn)測(cè)定鉆孔空間軌跡和鉆孔深度的礦用手持式鉆孔軌跡儀，并在陳四樓礦井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井的鉆孔群管理，精確控制鉆孔軌跡，為減少鉆孔空白區(qū)提供關(guān)鍵性指導(dǎo)，保證了鉆孔軌跡在目標(biāo)地層有效延伸。

1 手持式鉆孔軌跡儀測(cè)量原理及設(shè)備

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 電子羅盤技術(shù)原理

測(cè)量鉆孔傾角和方位角是鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)的最終目的，可以基于磁性傳感器的姿態(tài)測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。通常需要通過(guò)三維正交磁性傳感器來(lái)感知地磁場(chǎng)分量，通過(guò)三維正交加速度傳感器來(lái)感知地球重力場(chǎng)分量，然后通過(guò)相關(guān)計(jì)算實(shí)現(xiàn)鉆孔傾角和方位角測(cè)量[17-18]。

電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU（微控制單元）構(gòu)成。其中三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，當(dāng)磁力儀發(fā)生傾斜時(shí)采用傾角傳感器進(jìn)行補(bǔ)償；MCU 處理磁力儀和傾角傳感器的信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出。該磁力儀采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，傳感器用于檢測(cè)軸向上的地磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中X方向的傳感器用于檢測(cè)地磁場(chǎng)在X方向的矢量值；Y方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Y方向的矢量值；Z方向的傳感器檢測(cè)地磁場(chǎng)在Z方向的矢量值。

MCU 對(duì)傳感器放大后的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行處理，磁場(chǎng)測(cè)量范圍為±2 Gauss，通過(guò)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，磁力儀分辨出小于1 mGauss 磁場(chǎng)變化量，通過(guò)高分辨力來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量出200～300 mGauss 的X方向、Y方向、Z方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后通過(guò)鉆孔傾角計(jì)算公式（式（1））計(jì)算出測(cè)點(diǎn)傾角。

式中：GX為儀器坐標(biāo)系中地球重力場(chǎng)在X軸方向的分量；GY為儀器坐標(biāo)系中地球重力場(chǎng)在Y軸方向的分量；GZ為儀器坐標(biāo)系中地球重力場(chǎng)在Z軸方向的分量。

鉆孔方位角計(jì)算公式見式（2）。

式中：G0為地理坐標(biāo)系中地球重力場(chǎng)在Z軸方向的分量；BX為儀器坐標(biāo)系中地球磁力場(chǎng)在X軸方向的分量；BY為儀器坐標(biāo)系中地球磁力場(chǎng)在Y軸方向的分量；BZ為儀器坐標(biāo)系中地球磁力場(chǎng)在Z軸方向的分量。

1.1.2 陀螺儀技術(shù)

陀螺儀作為一種用于測(cè)量角度以及維持方向的設(shè)備，其原理基于角動(dòng)量守恒原理[19-20]。本文研制的鉆孔軌跡儀選用三軸陀螺儀，主要用于載體角速度矢量測(cè)量。采用3 個(gè)相互兩兩正交的單軸陀螺儀組成三軸傳感器，用來(lái)測(cè)量計(jì)算地球自轉(zhuǎn)角速度矢量在測(cè)量軸上的投影分量，鉆孔傾角、方位角、工具面向角計(jì)算公式見式（3）～式（6）。

式中：I為鉆孔傾角；A為鉆孔方位角；T為鉆孔工具面向角；ax為X方向加速度；ay為Y方向加速度；g為重力加速度；ωeH為地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量；ωeV為地球自轉(zhuǎn)角速度的垂直分量；ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度；φ為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

由于鉆孔軌跡測(cè)量存在隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差是鉆孔測(cè)量系統(tǒng)在使用過(guò)程中因?yàn)槲⑿〔▌?dòng)造成的誤差，但誤差影響較小，系統(tǒng)誤差是測(cè)量系統(tǒng)本身的誤差，本文在設(shè)計(jì)鉆孔軌跡檢測(cè)裝置時(shí)為彌補(bǔ)系統(tǒng)誤差，設(shè)置陀螺儀裝置彌補(bǔ)羅盤測(cè)量誤差。

1.2 設(shè)備組成

手持式鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x主要由礦用本安型手持式鉆孔軌跡儀探管、礦用智能手機(jī)、碳纖維推桿等組成，如圖1 所示。鉆孔軌跡儀探管內(nèi)置高精度角度傳感器和深度傳感器，用于測(cè)量鉆孔空間軌跡和鉆孔深度。測(cè)量時(shí)礦用本安型手持式鉆孔軌跡儀探管同碳纖維推桿配接，手動(dòng)將探管推入鉆孔，實(shí)現(xiàn)鉆孔空間軌跡和深度測(cè)量。圖2 為采集軟件數(shù)據(jù)界面，測(cè)量結(jié)束后利用礦用智能手機(jī)與無(wú)線藍(lán)牙連接讀取探管內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)手機(jī)終端現(xiàn)場(chǎng)展示鉆孔空間軌跡和深度。

圖1 手持式鉆孔軌跡儀設(shè)備Fig.1 Handheld drilling trajectory instrument

圖2 采集軟件界面Fig.2 Acquisition software interface

1.3 瓦斯抽采參數(shù)原位檢測(cè)技術(shù)流程

圖3 為瓦斯抽采參數(shù)原位檢測(cè)技術(shù)流程圖。瓦斯抽采參數(shù)原位檢測(cè)技術(shù)流程詳細(xì)介紹如下所述。

圖3 瓦斯鉆孔軌跡檢測(cè)技術(shù)流程圖Fig.3 Flow chart of gas drilling trajectory detection technology

1）準(zhǔn)備工作。設(shè)備檢查：檢查領(lǐng)取的設(shè)備各部件是否與目標(biāo)鉆孔要求相匹配，檢查整套設(shè)備是否完整適用；探管內(nèi)芯連接，將電池段和測(cè)量段連接，如圖4 所示。三通安裝：一通道連接抽放管，二通道連接抽采管，三通道預(yù)留出來(lái)作為探頭推進(jìn)口，如圖5所示。

圖4 探管內(nèi)芯連接示意圖Fig.4 Connection diagram of probe tube core

圖5 三通安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of three-way pipe

2）手機(jī)終端軟件操作。打開自行開發(fā)的瓦斯?jié)舛葴y(cè)量移動(dòng)終端，利用藍(lán)牙技術(shù)與探管進(jìn)行適配連接，對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行編輯記錄，以便后續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔群管理。

3）參數(shù)測(cè)定。推桿連接：將不銹鋼推桿插入密封堵頭，再同探管內(nèi)芯連接，如圖6 所示。探管推進(jìn)，將密封堵頭與三通推進(jìn)口密封完好，再用推桿將探管從三通預(yù)留出來(lái)的推進(jìn)口推入篩管。參數(shù)測(cè)定：?jiǎn)胃茥U長(zhǎng)度為1 m，將推桿完全推入鉆孔中后靜止3 s，在移動(dòng)終端點(diǎn)擊測(cè)量，完成當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的測(cè)量；測(cè)量完成后連接后續(xù)推桿，重復(fù)上述操作完成整個(gè)鉆孔測(cè)量。

2 性能測(cè)試

2.1 電子羅盤性能測(cè)試

傳感器本身制造和安裝過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)一些測(cè)試誤差，從而影響測(cè)試精度。對(duì)軌跡儀中的磁阻傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試，在0°～360°之間每隔30°共12 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行誤差測(cè)試，表1 為方向角基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)與誤差。從表1 中可以看出，羅盤測(cè)量最大誤差為±12.09°，誤差相對(duì)不大，為讓軌跡儀測(cè)量精度更高，軌跡儀設(shè)置陀螺儀裝置對(duì)羅盤測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

表1 方向角測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of azimuth angle單位：（°）

2.2 陀螺儀性能測(cè)試

由于地球磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)所特有的誤差，是對(duì)測(cè)量精度影響最大的一種誤差，軌跡儀采用陀螺儀原理對(duì)羅盤誤差進(jìn)行修正，見式（7）和式（8）。

式中：φc為補(bǔ)償后的實(shí)際值；φ為補(bǔ)償前的測(cè)量值；△φ為總誤差；A、B、C、D、E為補(bǔ)償系數(shù)，對(duì)12 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行誤差測(cè)試，計(jì)算出相應(yīng)誤差補(bǔ)償系數(shù)，并添加至軌跡儀附帶的后端處理器中，完成角度測(cè)量校正。表2 為補(bǔ)償后的測(cè)量值和誤差值。通過(guò)表2 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用陀螺儀補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)提高系統(tǒng)精度非常方便而且效果顯著。該羅盤系統(tǒng)最大誤差已經(jīng)從補(bǔ)償前的±12.09°降至±0.87°以內(nèi)，滿足測(cè)試精度要求。

表2 補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 Compensated measurement data單位：（°）

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

3.1 陳四樓礦井概況

陳四樓礦井位于永城市區(qū)北西13 km 的陳集鎮(zhèn)，持有部發(fā)編號(hào)C1000002013011120128548 采礦許可證，面積61.685 4 km2，1990 年7 月26 日建礦，1997 年11 月6 日投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240 萬(wàn)t/a，2009 年核定生產(chǎn)能力為450 萬(wàn)t/a。礦井位于永城背斜的西翼，構(gòu)造基本形態(tài)為走向北北西、向南西西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為5°～15°，僅在部分褶皺傾伏翼及斷層附近煤層傾角較大，可達(dá)26°。受永城背斜影響，區(qū)內(nèi)發(fā)育有次級(jí)褶曲及斷層。由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，礦井內(nèi)部地層有寬緩的波狀起伏，中小斷層較發(fā)育，局部有巖漿活動(dòng)。本區(qū)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，這兩組含煤地層平均總厚182.52 m，可采煤層（二2 煤層、三1 煤層、三22煤層、三4 煤層和三5 煤層）總厚7.81 m。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用地點(diǎn)位于礦井十二采區(qū)的21210 工作面，該工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+34.65 m，工作面標(biāo)高為-482.7～-532.3 m，工作面走向長(zhǎng)855～897 m，傾斜長(zhǎng)62.6～175.8 m，總面積140 839 m2。21210 工作面北為DNF14 正斷層，南為北部西翼集中皮帶巷、北部西翼軌道下山、北部西翼回風(fēng)下山及其保護(hù)煤柱，西為21211 工作面采空區(qū)，東為尚未開采的21209 工作面實(shí)體煤。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

對(duì)21210 上順層巷鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，鉆孔設(shè)計(jì)施工參數(shù)見表3，使用設(shè)計(jì)的鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x對(duì)不同鉆孔軌跡和深度進(jìn)行測(cè)量。

表3 鉆孔施工參數(shù)Table 3 Construction parameters of drilling holes

鉆孔軌跡測(cè)量前，在手機(jī)終端軟件輸入各鉆孔施工參數(shù)，然后開啟軌跡和深度測(cè)量，用鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x對(duì)鉆孔每個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔深、傾角、方位角以及工具面向角進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)終端分析軟件計(jì)算出鉆孔軌跡偏差，繪制出鉆孔測(cè)點(diǎn)空間位置，表4 為9個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)鉆孔軌跡偏移值和深度值。

表4 鉆孔軌跡偏移和深度Table 4 Deviation and depth of drilling trajectory

對(duì)比表3 中鉆孔設(shè)計(jì)深度與表4 中深度實(shí)測(cè)值，可以看出鉆孔K9、K11、K13、K21-2 實(shí)際設(shè)計(jì)值相差較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查發(fā)現(xiàn)由于管子連接錯(cuò)誤，導(dǎo)致管子推不動(dòng)。其他鉆孔實(shí)測(cè)深度與設(shè)計(jì)值相差1～2 m，這是由于三通管需要接到抽采管上，測(cè)量用的通管加篩管的長(zhǎng)度和大于實(shí)際孔深，多余的深度為在鉆孔外部露出的管長(zhǎng)度，綜合比較設(shè)計(jì)深度和實(shí)測(cè)值可以說(shuō)明鉆孔深度設(shè)計(jì)基本符合實(shí)際應(yīng)用。

規(guī)定鉆孔向上偏移為正值，向下偏移為負(fù)值。從表4中可以看出，9 個(gè)鉆孔上下偏移（Z軸的偏移）為正值，說(shuō)明該工作面的鉆孔基本向上偏移，其向上偏移的距離分別為0.52 m、0.78 m、0.18 m、4.25 m、6.04 m、1.97 m、0.33 m、0.22 m、0.13 m，其中最大偏移值為6.04 m，最小偏移值為0.13 m。

規(guī)定鉆孔向左偏移為正值，向右偏移為負(fù)值。從表4中可以看出，9 個(gè)鉆孔左右偏移（Y軸的偏移）為正值，說(shuō)明該工作面的鉆孔均向左偏移，其向左偏移的距離 分 別為2.00 m、1.20 m、1.46 m、5.29 m、7.87 m、3.97 m、17.84 m、3.20 m、0.77 m，其中最大偏移值為17.84 m，最小偏移值為0.77 m。

綜上所述，21102 巷道監(jiān)測(cè)的9 個(gè)煤層鉆孔軌跡上偏于設(shè)計(jì)鉆孔點(diǎn)位，也左偏于設(shè)計(jì)鉆孔點(diǎn)位。由此可知，鉆孔成孔后向上偏移的概率遠(yuǎn)大于向下偏移的概率，向左偏移的概率遠(yuǎn)大于向右偏移的概率。故可大致判斷鉆孔成孔后軌跡在左上的概率最大，右下的概率最小。

在上述分析的基礎(chǔ)，提取5 個(gè)鉆孔的三維空間位置圖，如圖7～圖9 所示。從圖7～圖9 中可以看出，鉆孔偏移均是向左上偏移，其中孔K19、K17-1、K21-1 的偏移程度小。利用鉆孔軌跡儀自帶分析軟件計(jì)算出孔K21-1、K19、K17、K17-1、K17-2 終孔傾角分別8.76°、8.27°、14.74°、12.71°、10.82°，終孔方位角分別為121.46°、125.23°、115.15°、116.30°、115.00°。由于設(shè)計(jì)施工過(guò)程鉆具受力不均以及煤層地質(zhì)的硬度差異，導(dǎo)致鉆孔各測(cè)點(diǎn)方向角和傾角與設(shè)計(jì)值存在明顯偏差，進(jìn)而影響實(shí)際鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)的偏差程度。

圖7 K17、K17-1、K17-2 鉆孔軌跡圖Fig.7 Drilling trajectory diagram of K17,K17-1 and K17-2

圖8 K19 鉆孔軌跡圖Fig.8 Drilling trajectory diagram of K19

圖9 K21-1 鉆孔軌跡圖Fig.9 Drilling trajectory diagram of K21-1

綜上所述，該工作面40%的鉆孔設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)測(cè)軌跡整體重合度較低，鉆孔成孔效果差，在后續(xù)鉆孔施工中工作面根據(jù)偏移規(guī)律重新設(shè)計(jì)鉆進(jìn)角度，使得鉆孔在煤層中的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡盡可能吻合或是實(shí)際軌跡的落點(diǎn)盡可能處于鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到控制與消除瓦斯抽采盲區(qū)的目的，具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)比傳統(tǒng)礦用鉆孔軌跡測(cè)量方式，手持式鉆孔軌跡儀具備如下優(yōu)勢(shì)，具體見表5。

表5 技術(shù)優(yōu)勢(shì)對(duì)比Table 5 Comparison of technical advantages

4 結(jié)論

1）基于高精度角度傳感器和深度傳感器原理設(shè)計(jì)了一種瓦斯鉆孔軌跡檢測(cè)設(shè)備，并開發(fā)移動(dòng)端采集軟件實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡三維成像和鉆孔軌跡偏移分析；該技術(shù)設(shè)備能夠有效測(cè)量鉆孔深度、方位角以及傾角，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多孔測(cè)量，分析鉆孔的偏移規(guī)律。

2）利用鉆孔軌跡測(cè)量?jī)x對(duì)陳四樓礦井21210 工作面多個(gè)鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)測(cè)，應(yīng)用結(jié)果表明鉆孔成孔后左上偏移概率大于右下偏移概率，40%的鉆孔偏移程度較大。此外該技術(shù)裝備能夠有效實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡測(cè)量，對(duì)比分析出鉆孔軌跡偏差，同屏展示鉆孔三維軌跡圖，為工作面鉆孔軌跡糾正設(shè)計(jì)和施工提供數(shù)據(jù)支撐，是避免抽采區(qū)域存在空白區(qū)，保證鉆孔進(jìn)尺有效性的關(guān)鍵性技術(shù)措施。