礦井上行鉆孔深度高精度測量技術

張 軍，王信文

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

礦井鉆探施工主要用于巷道掘進、探放水、地質勘探、瓦斯抽采等方面，在瓦斯抽采中更是不可或缺；煤礦井下鉆孔布置方式多是上行或水平孔，在瓦斯抽采中主要以上行鉆孔為主[1]。目前，在鉆孔施工中沒有有效的高精度鉆孔深度測量方法。常用的方法是在鉆孔施工完成后，通過統計鉆桿數量計算后獲取鉆孔深度，這種常規的計算方式不但費力，且常常存在人為干擾因素的影響；鉆孔成像類方法可根據放入鉆孔中線纜的長度間接測量鉆孔深度，由于鉆孔遇塌孔或鉆孔軌跡彎曲時無法正常測量等原因，其也不適用于井下鉆孔深度測量。

由于煤礦井下鉆孔施工布置多為斜向上方、水平向前、垂直向上方，前述鉆孔深度測量方法，在井下測量存在較大局限性。近年來，針對不同鉆機或不同的鉆孔類型，科研人員提出了不同的鉆孔深度測量方法[2-4]，研發了相關的儀器設備。

1 數據測量

雖然礦井鉆孔深度高精度測量較為困難，但是在礦井上行鉆孔施工中仍有可以解決鉆孔深度測量的方法。該鉆孔深度測量方法主要原理是，隨鉆實時監測打鉆過程中鉆桿中的靜水壓強及鉆孔施工中鉆孔的軌跡參數，即在鉆孔鉆進過程中，實時記錄鉆孔的靜水壓強值、傾角、方位角、工具面向角等信息，通過監測到的信息進行數據計算，通過計算得到鉆孔的深度變化及鉆孔終孔深度值。

1.1 靜水壓強監測

鉆孔中的靜水壓強是指在鉆機完成1 根鉆桿，釋放給進水壓后，留置在鉆桿中的水壓力值，這時的水壓力值為靜止狀態，且為自然水壓力值，即可根據此時的孔口水壓力值計算鉆孔實時高程。在鉆孔靜水壓強測量中最重要的2 點是：能夠實時精確測量鉆桿中靜水壓強值的傳感器；能夠準確判斷靜水壓強的方法。水壓傳感器的工作原理是將采集到的模擬電壓信號通過A/D 轉換為數字信號，然后將采集到的數據傳輸至計算機或其他設備進行存儲與顯示處理。水壓傳感器數據采集系統結構如圖1。

圖1 水壓傳感器數據采集系統結構Fig.1 Data acquisition system structure of water pressure sensor

由于鉆孔靜水壓強測量的特殊性，采用的水壓傳感器為擴散壓力傳感器，最大量程為2 MPa，精度為±0.1%FS，這樣可以保證更加準確地測量鉆桿中靜水壓強的變化。測量探管連接結構示意圖如圖2。

圖2 測量探管連接結構示意圖Fig.2 Connection structure of measuring probe

由圖2 可以看出，鉆孔測量系統主要由2 部分組成，整體連接方式為：在鉆頭后方連接測量探管，測量探管主要實時測量鉆孔傾角、方位角以及工具面向角等鉆孔信息；在測量探管后方連接常規鉆桿；在鉆桿另一邊連接的是水辮，水辮的主要作用是在鉆進施工中給鉆孔持續提供水源，目的是降低鉆頭及鉆桿與巖層摩擦產生的熱量，并把鉆孔中的碎屑沖出鉆孔；在水辮的另一邊連接測量鉆桿水壓的壓力傳感器，該傳感器使用外接電源供電，可以進行持續的實時監測測量。

在鉆孔施工的過程中，壓力傳感器可以監測到鉆機鉆進全過程水力壓力的變化過程，其中包括停鉆、正常鉆進、更換鉆桿、退鉆等，通過持續的監測測量可以提取到，鉆機在更換鉆桿過程鉆桿中水壓的變化情況，這樣就可以得到更換鉆桿的停鉆時刻鉆桿中的靜水壓強值。

鉆機的鉆井過程中，鉆桿中的水壓力是一個不斷變化的過程。在開始鉆進時鉆桿中的水壓瞬間變大，并很快達到最大值，在鉆進過程中水壓變化不大。在單根鉆桿完成鉆進后，鉆機停止鉆進，這時在沒有給進水壓的情況下，鉆桿水壓迅速衰減，但此時鉆桿中充滿了水，這時的水頭高度可認為鉆孔的深度位置，記錄此時的靜水壓強值，計算鉆孔深度需要的就是這時的靜水水壓值。之后更換鉆桿過程中，鉆桿水壓持續減小，直至下一個鉆桿鉆進過程。對全程監測到的鉆桿水壓值進行篩選，剔除掉鉆機給進及其他鉆探過程中的水壓力值，保留每根鉆桿鉆進完成后的靜水壓強值，然后將監測到的數據整理輸出，并進行下一步數據處理。

1.2 鉆孔軌跡測量

測量到的靜水壓強值是鉆孔深度計算的1 個重要參數，另1 個參數是鉆孔的傾角及方位角數值。因此，在鉆孔鉆進過程中需要同時記錄鉆孔的傾角及方位角變化情況。由圖2 可以看出，隨鉆軌跡測量系統測量探管位于鉆頭于鉆桿之間，另外還包括無磁鉆桿、顯示控制器等設備。無磁鉆桿主要是為測量探管提供無磁場環境，以此保證測量傾角及方位角數據的準確性。測量探管是將三軸MEMS 陀螺、加速度計和本安電池組集成到無磁管中組成，測量探管的外層為無磁鉆桿。測量探管隨鉆完成鉆孔軌跡數據的測量與存儲，在施工完成后將鉆孔軌跡數據輸入顯示控制器中進行存儲并處理。

社會工作的主要目標在于促進人與外部環境的交流，解決人與環境的交流障礙。當人與其外部環境出現交流障礙，傳統社會工作理論認為是因為個人內部有問題有缺陷，需要治療個人的問題，以達到適應外部環境。這是一種類似于醫療專業的觀點，把案主當成病人，根本不去考慮外部環境有什么問題。外部環境是個人要去無條件適應的。只要人與環境出現交流障礙，就肯定是個人的問題。因此傳統的社會工作理論是一種以外部環境為權威的理論。

鉆孔傾角、方位角的測量系統通過三軸MEMS陀螺和加速度計進行測量，然后通過測量得到的參數計算出當前測點方位角、傾角、工具面向角。鉆進時顯示控制器與測量探管分別獨立測量，最后通過計算得到實鉆軌跡數據。

在鉆孔數據計算中采用精度較高的曲率半徑法。在前、后2 個測點傾角和方位角變化不大的情況下，通過曲率半徑法計算鉆孔軌跡坐標，計算誤差很小。具體計算公式如下：

式中：xn、yn為鉆孔的水平方向的位移，m；zn為測點上下位移，m；△Li為2 個測點距離，m；θi、θi-1分別為當前測點及上1 個測點的傾角，（°）；αi、αi-1分別為當前測點及上1 個測點的方位角，（°）。

在測量得到鉆孔傾角及方位角后，即可進行下一步鉆孔深度的計算。

2 計算方法

上行鉆孔深度測量計算主要是利用上行孔中靜水壓強的實時監測數據及鉆孔軌跡測量數據進行計算。通過數據計算得到鉆孔的真實深度值。

2.1 數據計算方法

鉆孔深度測量是通過鉆桿中的靜水壓強與鉆孔深度之間的關系測量計算的。其基本理論依據是靜水水壓與高程之間的關系。具體計算方法通過水壓與水密度、重力加速度、高程之間的關系進行計算。即在打鉆過程中，在無外加加壓的情況下，鉆桿中的孔口和鉆頭之間存在靜水水壓，這個水壓通過實時監測傳感器可以監測到。得到了鉆桿中靜水水壓也就相當于得到了鉆孔的高程，這樣就可以精確推算鉆孔的深度。

式中：p 為靜水壓強，Pa；ρ 為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h 為高程，m。

這里的高程h 值，在計算鉆孔深度時需要進一步進行換算，設鉆孔深度值為H，則鉆孔高程與鉆孔深度之間的關系為h =H·sinθi。因此，由式（4）可以推導得到鉆孔深度計算公式:

式中：H 為鉆孔深度值，m；θ 為鉆孔傾角，（°）。

鉆孔深度計算是通過監測鉆桿中靜水壓強及鉆孔的軌跡參數，主要采用靜水壓強值及鉆孔軌跡參數的鉆孔傾角進行計算。鉆孔軌跡計算原理示意圖如圖3。

圖3 鉆孔軌跡計算原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling track calculation

由圖3 可以看出，隨著鉆孔鉆進，鉆孔傾角隨著鉆孔的鉆進不斷的變化，鉆孔高程也在不斷地變化，在記錄了鉆孔中每節鉆桿傾角的基礎上，即可以計算出該鉆桿的長度。這樣就可以通過式（5）計算鉆孔終孔位置的精確深度值。

2.2 軟件設計

根據鉆孔深度精確計算方法，編制了基于C#可視化編程語言的適用于Windows 操作系統的數據處理軟件。基于鉆孔靜水壓強及鉆孔軌跡測量的計算方法具有測量準確可靠、計算精度高、同時具有防止人為造假等功能。煤礦管理人員可通過管理賬戶登錄該軟件進行數據處理與分析。鉆孔深度數據處理軟件主要界面如圖4。

圖4 鉆孔深度數據處理軟件界面Fig.4 Interface of drilling depth data processing software

鉆孔深度數據處理的主要步驟是：首先讀入鉆孔靜水壓強數據及鉆孔傾角數據；設置鉆機供水密度值，通常情況下，鉆機供水以清水為主，此時，鉆機供水密度值為1；根據式（5）計算鉆孔深度值，最后可以得到鉆孔開孔傾角、鉆孔平均傾角、終孔深度等數值，最后將計算到的鉆孔深度信息進行輸出保存，供礦井技術人員進一步分析。

3 工程應用

安徽淮北某煤礦在巷道掘進前都需要預抽煤層中的瓦斯，這樣就需要進行大量的鉆探施工，一般采用在底抽巷道布置上行鉆孔抽取瓦斯的方式，由于存在大量的鉆孔施工任務，就需要及時掌握鉆孔的軌跡及鉆孔深度數值。

通過數據的監測與測量，進行數據計算與實際鉆孔深度（實際鉆孔深度通過鉆桿計數現場完成）的對比，鉆孔深度計數與計算對比圖如圖5。

圖5 鉆孔深度計數與計算對比圖Fig.5 Comparison of drilling depth count and calculation

通過對實際鉆孔深度與文中提出的計算方法的結果對比可以看出，計算結果與實際數據相差非常小，可在上行鉆孔深度測量計算中使用。

4 結 語

通過對鉆孔鉆進過程中相關參數的分析，總結規律，分析了利用鉆孔鉆進時鉆桿中的靜水壓強與鉆孔軌跡相關參數計算鉆孔深度的方法。通過該方法的計算，可以得到鉆孔鉆進任意時刻鉆孔的深度值。通過數據的監測與推導的精確計算公式，形成了完整的井下鉆孔深度高精度測量方法技術。

通過對鉆孔深度測量計算方法的研究，從數據監測、計算方法2 方面實現了基于靜水壓強的井下上行鉆孔深度高精度測量技術。該技術數據實現實時監測，無需人工操作儀器，使用方法快捷，計算結果精度高。