復雜地層高位定向鉆孔軌跡可視化技術實踐

李喬喬

(中煤科工集團西安研究院有限公司)

高位定向孔技術是目前治理煤礦采空區卸壓瓦斯、降低采面上隅角瓦斯超限發生概率的一種新技術，可以將鉆孔軌跡精確控制在瓦斯富集區，實現安全高效瓦斯抽采[1]。嚴格意義上是一種穿層鉆孔，在施工過程中需將鉆孔控制在穩定層位中，盡量避開斷層、陷落柱、破碎帶等地質異常區域。利用三維可視化技術可以提高決策者的預見性,能夠對質量和成果進行預測和評估,避免不必要的浪費和損失[2]。

計算機圖形學最早出現于1962年[3]，發展到目前有很多種計算機成圖軟件。Matlab 是當前應用最為廣泛的數學軟件，具有非常強大的數值計算、數據分析處理、系統分析、圖形顯示甚至符號運算等功能[4]。利用MATLAB建立地質體模型，將定向鉆孔設計與實鉆軌跡導入模型中,直觀反映鉆孔所在位置，實現鉆孔軌跡可視化，并且根據實鉆地質資料對地質體模型進行修正，使其更加接近實際情況，降低鉆進遇異常地質體的概率；同時優化鉆孔軌跡，對于孔間距較小的鉆孔，降低竄孔事故發生的概率。

1 鉆孔軌跡可視化原理

地質體通常是指地殼內占有一定的空間和有其固有成分并可以與周圍物質相區別的地質作用的產物[5]，一般描述煤系地層的參數有走向傾角、傾向傾角、地層厚度，將其輸入到MATLAB指定語句中描繪出地層，為了方便，本文僅對地層頂底板進行描述。

(1)

式中，Za為當Y=0、X=a時地層頂板對應的標高，m；Zb為當Y=0、X=b時地層頂板對應的標高，m；Zb-δ為當Y=0、X=b-δ時地層頂板對應的標高,m；Zb+δ為當Y=0、X=b+δ時地層頂板對應的標高,m。

根據MATLAB編程法則，該地層在Y∈[a,c]，Y∈[-e,e]時的建模程序為

x1=a:n: b-б;y1=-e:n:e; [X1,Y1]=meshgrid(x1,y1);

Z1=tanθi*Y1+ tanθt*(X1-a)+Za;Z11=Z1-m;

X2= b-б:n:b+б;y2=-e:n:e; [X2,Y2]= meshgrid(x2,y2);

Z2= tan((θi+θi')/2)*Y2+((Zb-б+Zb+б)/2б)*(X2-b+б)*Y2+Zb-б;

Z22=Z2-m；

X3= b+б:n:c;y3=-e:n:e;[X3,Y3]= meshgrid(x3,y3);

Z3= tanθi'*Y1+ tanθt'*(X3-b-б)+Zb+б; Z33=Z3-m;

hold on

surf (X1,Y1,Z1);surf (X1,Y1,Z11);

surf (X2,Y2,Z2);surf (X2,Y2,Z22);

surf (X3,Y3,Z3);surf (X3,Y3,Z33);

hold off.

2 應用實例

2.1 地質概況

火鋪礦在我國西南地區首次引進定向鉆機，采用高位定向孔治理采空區卸壓瓦斯，試驗地點選在232石門鉆場，目標層位為12#煤層頂板上方19 m處，開孔位置在12#煤層上方18 m位置。具體地質情況見表1。

表1 目標層位地質情況

2.2 地質體建模

將地質體沿走向水平線設為X軸，沿傾向水平線設為Y軸，鉛垂線為Z軸。0 m≤X≤438 m，-10 m≤Y≤10 m。根據地質資料(薄煤層為實鉆所得)建立7#～12#煤層施工目標層位定向鉆孔走向三維地質模型見圖1。

2.3 高位定向孔軌跡可視化控制

2.3.1 三維地質體模型修正

由于礦方地質資料缺乏，首先采用前進式施工工藝鉆鑿定向鉆孔以探測施工區域頂底板情況，再施工校驗修正孔1#、2#、3#孔，準確修改探測施工目的層位圖，三維地質體的邊界是動態的、可變的[7]，根據探明的地質情況不斷修正地質體模型，為后面4#、5#、6#鉆孔軌跡設計和可視化控制提供依據。

1#孔鉆至294 m時遇到松軟煤層探到7#煤點，在煤層中施工30 m進入泥巖，塌孔嚴重，被迫終孔，泥巖孔段縮徑卡鉆。2#孔鉆至240 m時見煤，提鉆至孔深168 m開分支2-1#施工至235 m，再次見到該煤層。綜合1#、2#孔的見煤點及出煤點基本可以確定該煤層在地質體的基本走向，并修正地質體模型。通過修正三維地質體模型后，在孔深204 m開分支孔2-1-1#進行可視化控制，使其避開該煤層，施工至孔深426 m因鉆至采空區而終孔。為了再次確定孔深200 m以內煤層的準確位置，計劃施工3#孔，并通過4個分支孔探明200 m以內地層情況，3個分支孔均探明煤層頂板出煤點，確定了孔深200 m以內的薄煤層確切位置，由于地層裂隙與2#孔導通不返水被迫終孔。根據1#、2#、3#鉆孔實鉆情況探明泥巖及煤層厚度在孔深230 m以后逐漸變薄。定向鉆孔實鉆軌跡與地質模型見圖2。

圖1 三維地質體模型

圖2 定向鉆孔實鉆軌跡與地質模型

根據實鉆情況對地質體模型進行修正，為后續鉆孔施工提供依據。在鉆孔設計完成后導入地質模型中，分析各孔段所在地層，對鉆孔軌跡進行修正，控制遇層角為0°[8]，使其盡可能沿穩定地層延伸。施工過程中及時將實鉆數據導入地質體分析，避開不穩定層位，并且可以將地質模型中某個甚至幾個層位剝開(圖3)，清晰、立體地顯示出各個定向鉆孔的軌跡及相互位置關系，便于及時糾正鉆孔軌跡，防止竄孔。

2.3.2 軌跡可視化控制及驗證模型

4#孔開孔傾角為6°，穿過泥巖及煤線，為了防止竄孔，在孔深100 m開始往左施工，鉆孔軌跡爬至煤線上方后逐漸將傾角降低，當軌跡距離薄煤層1～2 m時，使鉆孔平行薄煤層延伸，鉆至孔深351 m反渣困難，提鉆。

圖3 定向鉆孔實鉆軌跡與地質模型(不含薄煤層)

5#孔開孔傾角為6°，穿過泥巖及煤線，鉆孔軌跡爬至煤線上方后逐漸將傾角降低，當軌跡距離薄煤層1～2 m時，使鉆孔平行薄煤層延伸，鉆至孔深291 m，因距離煤層較近，返渣破碎，提鉆終孔。

6#孔開孔位置在5#孔下部1 m，開孔角度為-2°，逐步將鉆孔傾角提高，到達泥巖段時，大角度(10°)上抬鉆孔軌跡，減少鉆孔的泥巖孔段，穿過泥巖段后降低傾角，使其距離薄煤層1～2 m時平行薄煤層延伸，鉆至孔深300 m提鉆(達到設計要求)。

結合4#、5#、6#定向鉆孔現場情況及實鉆軌跡，與三維地質體顯示對比，準確地反映了地質體走向，為后續煤礦安全開采提供了更大的保障。

3 結 語

(1)運用MATLAB軟件及建模技術對施工地質體建模，直觀反映地層情況，為高位定向孔設計提供依據。

(2)復雜地層下可以將地層分段建模，采用疊加和過度帶連接技術建立整個地層模型。

(3)通過及時將實鉆軌跡導入地質體模型，分析鉆孔軌跡所在層位，能夠指導鉆孔軌跡控制，使其繞過地質異常區域，并根據實鉆地質資料及時修正地質體模型。

(4)通過控制技術可以實現地質體模型某個甚至幾個層位的添加與消隱，便于直接觀察三維定向孔軌跡及相互關系，及時糾正鉆孔軌跡，防止竄孔。

(5)高位定向孔軌跡可視化控制技術能夠在復雜地層下直觀控制鉆孔軌跡在穩定地層中延伸，減少孔間干擾，防止竄孔，更具科學化。

[1] 姚寧平，姚亞峰，張 杰，等.井下梳狀定向孔技術與裝備在煤層氣抽采中應用[C]∥2013年煤層氣學術研討會論文集.北京：地質出版社，2013：431-439.

[2] 梁鵬帥,馮冬敬.三維可視化的研究現狀和前景[J].科技情報開發與經濟,2009,19(7):134-135.

[3] 英海燕,李 翔.計算機圖形學的發展及應用[J].理論探索,2004(l):33-35.

[4] 彼得·德魯克.巨變時代的管理 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[5] “科普中國”百科科學詞條編寫與應用工作項目.地質體[EB/OL].[2018-12-24]. http://baike.baidu.com/view/1610797.htm?fr=aladdin2014-5-20.

[6] 同濟大學應用數學系.高等數學(第五版)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[7] 寧書年,李育芳,劉泰峰,等.三維地質體可視化軟件理論探討[J].煤炭工程，2002(7)：41-43.

[8] 徐保龍，魏宏超，金 新，等.遇層角法在瓦斯抽采定向鉆孔中的計算與應用[J].煤炭工程，2013(9)：91-95.