礦井長鉆孔隨鉆軌跡測量技術研究

公維強 任文

山東華新建筑工程集團有限責任公司 山東泰安 271200

煤礦在進行采煤作業前，通常會先進行地質勘探，以查明煤層、巖石、水的地質分布，有瓦斯的煤礦通常需要進行瓦斯抽放；這些作業主要在煤層或巖層中打入一定數量的鉆孔。而煤礦井下的鉆孔軌跡的準確量對于衡量煤礦瓦斯抽采孔、探放水孔作業質量具有重要意義。隨著我國煤礦綜合機械化采煤技術的發展，礦井安全生產對井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽放孔等施工裝備和技術的要求也不斷提高。煤礦鉆孔測量系統逐步得到了應用。由于定向鉆探施工過程中鉆桿旋轉，排渣情況較普通鉆進工藝差，使得鉆孔的成孔率大幅度降低，造成巨大的經濟損失。如果鉆孔未能打到預定位置，有可能會出現瓦斯突出等重大事故的發生。因此，煤礦鉆孔隨鉆測量技術在煤礦中具有非常重要的作用[1]。目前國內外主要用有線式隨鉆測量方式，即鉆桿中心穿纜，是一種在線測量，通常也稱作千米定向鉆，但是這種鉆機成本較高，而且因為體積較大，不適合掘進工作面；另外千米定向鉆機系統適合煤層氣開采、或者瓦斯開采的長距離鉆進，對于探放水或者排放瓦斯需要的短距離鉆進工況來說，千米定向鉆機顯得不合理，同時千米定向鉆機的在線隨鉆測量系統還有價格昂貴、維修不便等缺點，所以中小型的普通回轉鉆機就成為首選，使得礦用小型回轉鉆機也能實現鉆孔軌跡精確繪制。利用鉆孔隨鉆軌跡儀可以測量鉆孔軌跡，實現方式是直接把測量探管安裝到鉆桿前方作為普通鉆桿使用，在鉆進過程中測量鉆孔姿態參數并實時傳輸到顯示器中，在井下即可進行數據成圖和分析。

1 鉆孔軌跡測量方法

我國煤礦井下瓦斯抽采或者探放水都需要通過鉆孔來實現，但是由于多方面因素的影響，實際鉆孔軌跡都普遍存在著與設計軌跡偏離的現象。目前，長鉆孔軌跡測量的主要原理是通過不同方法將信號上傳到鉆孔外的顯示器。顯示器將接收到的信號進行數據分析和計算處理，實現對鉆孔過程中的鉆孔參數進行實時監測，提高鉆孔的質量。實現方法主要有2種：通纜隨鉆鉆孔軌跡測量和無線電磁波隨鉆軌跡測量。

1.1 通纜隨鉆鉆孔軌跡測量

通纜隨鉆鉆孔軌跡測量系統是由中心通纜鉆桿、上下無磁鉆桿、測量探管、孔口監視器等組成。原理為在鉆頭與第1節鉆桿之間安裝特制的信號采集裝置，測量主機通過鉆桿內電纜發送命令給信號采集裝置，信號采集裝置進行信號提取。數據處理器將信號采集傳感器采集的信號經過信號擴頻等方法進行處理，并將命令內容通過鉆桿內電纜回傳至鉆孔外的顯示器。使得在顯示器上可以查看鉆孔軌跡，并實時發送命令對鉆孔姿態進行調整[2]。

1.2 無線電磁波隨鉆軌跡測量

無線電磁波隨鉆測量系統主要由監測主機和測量探管、上下無磁鉆桿等組成。工作原理為測量探管內部采用動調陀螺測量三維空間的傾角和方位角和工具面向角，然后將測量參數送入通信模塊，通信模塊將處理過的數據發給測量軟件，由施工人員提取有效信息，接收探管的測量結果，以此為參照，控制測量探管的工作狀態，指導鉆孔按照設計軌跡延伸[3]。

2 鉆孔軌跡計算方法

鉆孔軌跡是一條三維空間曲線，由若干測點所測參數計算得到。所測參數包括孔深、傾角、方位角，并用這3個參數計算求得該測點的三維空間坐標，從而得到鉆孔軌跡。鉆孔軌跡通常的計算方法有均角全距法、全角半距法、最小曲率法等。鉆孔隨鉆測量的目的是要得到鉆頭前進的實際軌跡，從而控制下一步鉆進方向。長鉆孔一般是每鉆進一定距離測量一次鉆桿姿態，然后得到鉆桿坐標，通過插值擬合鉆桿前進軌跡。

3 鉆孔軌跡誤差分析

煤礦鉆孔施工過程中，影響鉆孔軌跡的因素是多方面的，其中主要有地質因素、鉆具因素、計算誤差、子午線收斂角等幾個方面的因素。由于地質因素不可改變，因此調整鉆孔軌跡主要通過調整鉆探參數來實現。

3.1 地質因素

在選定鉆孔開孔位置和開孔方位后，影響鉆孔軌跡的地質因素主要是鉆進地層的硬度、密度、礦物成分等。由于巖石的層理、軟硬互層、礫石等不同因素，造成受力不均，使得鉆頭軌跡偏離，引起鉆孔彎曲。在松軟、破碎地層鉆進時，出現鉆具與孔壁間有較大的間隙，同時鉆具在重力作用下有下斜趨勢；在較硬地層鉆進時，一般沿容易通過的地方延伸，此時鉆孔彎曲方向無定性規律。

3.2 鉆具因素

鉆具主要有4個方面的因素影響鉆頭的切削方向。①穩定器的不同排列間距使鉆具在自重作用下具有某個方向的彎曲趨勢；②在給進壓力的作用下出現鉆具彎曲；③鉆具回轉過程中產生離心力，離心力的大小與轉速和鉆具的結構參數有關，影響鉆具彎曲趨勢和鉆孔彎曲方向；④鉆桿上穩定器的排列方式和排列間距對于鉆進軌跡有著重要意義[4]。

3.3 測量精度

測量儀器精度對鉆孔軌跡的測量結果有直接影響。由軌跡測量計算公式可知，鉆孔軌跡計算的左右位移不僅受傾角影響，也和方位角的測量誤差有關，并且方位角誤差影響更大。儀器的測量誤差對鉆孔軌跡不確定性的影響，是隨著測點數量增多而不斷累加的過程，由于方位角精度較低，左右位移誤差較大。為了減小誤差，必須提高測量儀器的精度。

4 結語

鉆孔定向鉆進過程中，由于受各種因素的影響，測量結果與實鉆軌跡之間存在一定的誤差，分析誤差產生的原因，采取措施提高儀器測量精度、校正子午線收斂角、準確計量孔深以及降低磁干擾等，可以降低影響，提高鉆孔軌跡的精確度。