ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀在松河煤礦的應(yīng)用

羅 飛，杜月亮，龍聲德，羅國(guó)勇，湯富勇

(貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 貴州 六盤(pán)水 553000)

近年來(lái)，我國(guó)煤礦突出事故時(shí)有發(fā)生，直接原因主要是區(qū)域防突措施落實(shí)不到位。我國(guó)大部分煤礦使用的傳統(tǒng)鉆機(jī)都不具備測(cè)量鉆孔傾角、方位角等測(cè)斜功能，通常是在施工完成的鉆孔中重新下入測(cè)斜儀進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量[1-3]. 實(shí)踐表明，鉆孔施工深度越大，施工越困難；鉆孔軌跡偏差越大，鉆孔竣工情況與設(shè)計(jì)偏差更大。為掌握防突措施和瓦斯治理鉆孔竣工情況，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)鉆孔軌跡測(cè)定技術(shù)進(jìn)行了研究。辛珂[4]以井下上行鉆孔深度高精度測(cè)量為探究對(duì)象，基于靜水壓強(qiáng)和鉆孔軌跡參數(shù)的測(cè)量，構(gòu)建了相應(yīng)的計(jì)算公式和測(cè)算軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔深度的高效、精準(zhǔn)測(cè)定。張鳳、王軍委[5]利用鉆頭在地下不同深度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(VRML)與Web技術(shù),直觀地顯示出鉆頭在地下的運(yùn)動(dòng)軌跡和鉆孔水平偏斜程度。

貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司為煤與瓦斯突出礦井，所有揭露的0.3 m以上煤層均為突出煤層。施工鉆孔抽采煤層瓦斯是當(dāng)前煤礦區(qū)域防突及瓦斯治理最常用的方法，但在施工鉆孔過(guò)程中，由于鉆機(jī)型號(hào)、鉆孔孔深、地質(zhì)條件等原因?qū)е率┕ゃ@孔偏離設(shè)計(jì)軌跡，影響鉆孔抽采效果和控制范圍，導(dǎo)致鉆孔控制區(qū)域與實(shí)際存在差異。在未達(dá)到防突措施效果、遺留抽采盲區(qū)的情況下進(jìn)行采掘活動(dòng)極其容易誘發(fā)煤層突出。針對(duì)上述問(wèn)題，該礦采用ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀進(jìn)一步準(zhǔn)確確定鉆孔有效控制范圍，并對(duì)不同情況下的鉆孔軌跡進(jìn)行對(duì)比，以有效減少偏差，最大化清除抽采空白帶。

1 鉆孔測(cè)斜儀基本情況

1.1 鉆孔測(cè)斜儀特點(diǎn)

1) 一機(jī)多能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔定位和鉆孔測(cè)斜。2) 同一根探管，根據(jù)鉆具規(guī)格選擇配套的固定組件，可適用于42 mm及以上的不同規(guī)格和形狀的鉆具，提高了產(chǎn)品的適用范圍。3) 可在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)需重新下鉆測(cè)量。4) 具有多種測(cè)量方式，滿足不同需求。5) 手機(jī)與探管之間的通訊實(shí)現(xiàn)無(wú)線藍(lán)牙傳輸，無(wú)需外接電纜，安全可靠。6) 方便快捷，使用簡(jiǎn)單，測(cè)定結(jié)果可直接導(dǎo)入電腦。

1.2 鉆孔測(cè)斜儀主要參數(shù)

ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀適用性較廣，對(duì)工作環(huán)境要求不高，使用操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。主要參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀主要參數(shù)表

1.3 測(cè)斜儀組成

ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀由ZXC1000-T 礦用本安型鉆孔測(cè)斜儀探管、無(wú)磁鉆桿和KT267-S1礦用本安型手機(jī)組成；探管由測(cè)斜短節(jié)和電池短節(jié)組成；探管配套設(shè)備包括手機(jī)、固定附件、充電器和工具。測(cè)斜儀組成示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀組成示意圖

2 ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀使用步驟

1) 將2個(gè)扶正器裝入測(cè)斜短節(jié)和電池短節(jié)的相應(yīng)位置。2) 連接測(cè)斜短節(jié)與電池短節(jié)。3) 將電池短節(jié)后面的固定螺母擰下，安裝固定環(huán)，再安裝固定螺母，用兩用扳手?jǐn)Q緊。4) 使用手機(jī)對(duì)探管進(jìn)行自檢，并根據(jù)工況和設(shè)計(jì)要求設(shè)置參數(shù)，然后啟動(dòng)探管工作。5) 依次連接鉆頭組件(包括鉆頭、鉆頭轉(zhuǎn)換接頭等)、儀器無(wú)磁鉆桿，并通過(guò)鉆機(jī)送入孔中，將連接好的探管裝入儀器無(wú)磁鉆桿中，固定環(huán)卡在儀器無(wú)磁鉆桿的階梯圓處，然后連接上無(wú)磁鉆桿，將上無(wú)磁鉆桿與儀器無(wú)磁鉆桿上緊的同時(shí)將探管固定。6) 依次連接鉆桿和水鞭，進(jìn)行鉆進(jìn)或起鉆測(cè)量，然后確定有效點(diǎn)，直至完成測(cè)量。7) 起鉆結(jié)束后，卸下上無(wú)磁鉆桿，用專(zhuān)用工具從儀器無(wú)磁鉆桿中取出探管，并沖洗干凈，使用手機(jī)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)接收完成后，將探管、固定環(huán)、扶正器等擦拭干凈，清除表面污物，便于下次測(cè)量。

3 ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀的應(yīng)用分析

3.1 精度測(cè)試分析

為確保ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀適用于該礦地質(zhì)條件，正式使用之前在井下開(kāi)展了一次從運(yùn)輸巷定點(diǎn)打穿回風(fēng)巷的精度測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)選在該礦采一區(qū)111102工作面，首先在111102運(yùn)輸巷適當(dāng)位置使用全站儀確定開(kāi)孔位置坐標(biāo)和111102回風(fēng)巷終孔位置坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)量坐標(biāo)設(shè)計(jì)鉆孔。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 精度測(cè)試孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

使用ZDY-2300型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)施工鉆孔，正常推進(jìn)速度0～1.2 m/min,成孔退桿后，再次測(cè)量鉆孔的開(kāi)孔和終孔位置坐標(biāo)。最后使用鉆孔軌跡儀再次對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行復(fù)核，將兩次測(cè)量結(jié)果上圖與設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)定了允許上下偏差和允許左右偏差為5 m，終孔偏差為7 m. 測(cè)斜儀與人工測(cè)量鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)比結(jié)果表

ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀測(cè)定軌跡、鉆孔人工實(shí)測(cè)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡對(duì)比分析見(jiàn)圖2，圖3.

通過(guò)表3，圖2，圖3坐標(biāo)分析對(duì)比得出，測(cè)斜儀測(cè)定軌跡坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)相比上下偏差0.84 m、左右偏差0.89 m、終孔偏差2.96 m；人工測(cè)定軌跡坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)對(duì)比上下偏差0.21 m、左右偏差1.26 m、終孔偏差3.3 m. 精度測(cè)試分析說(shuō)明ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀測(cè)量準(zhǔn)確可靠，適用于該礦地質(zhì)條件。

圖2 軌跡對(duì)比分析平面圖

圖3 軌跡對(duì)比分析剖面圖

3.2 不同鉆機(jī)軌跡分析

通過(guò)精度測(cè)試后，ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀正式投入使用。深度超過(guò)120 m的鉆孔每10個(gè)中選取2個(gè)測(cè)定其鉆孔軌跡，深度在60～120 m的鉆孔每10個(gè)中選取1個(gè)測(cè)定其鉆孔軌跡。對(duì)于穿層鉆孔測(cè)定軌跡需求。實(shí)際見(jiàn)煤情況與設(shè)計(jì)見(jiàn)煤情況誤差不超過(guò)30%. 該礦使用兩套ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀，共測(cè)定順層、穿層鉆孔120個(gè)。施工情況見(jiàn)表4.

表4 不同鉆機(jī)軌跡偏差對(duì)比表

在相似的地質(zhì)條件下，由于順層鉆孔打在煤層里，而穿層鉆孔大多在巖層中鉆進(jìn)，因此相同鉆機(jī)施工的順層鉆孔軌跡偏差比穿層鉆孔軌跡偏差小。采用不同類(lèi)型鉆機(jī)施工孔深大致相同的鉆孔，通過(guò)測(cè)定的軌跡發(fā)現(xiàn)，功率和扭矩越大的鉆機(jī)施工的鉆孔軌跡誤差反而越小，原因是ZDY-1250鉆機(jī)機(jī)身小，施工過(guò)程中鉆機(jī)晃動(dòng)，穩(wěn)定性不高；而ZDY-4600LX機(jī)身自帶穩(wěn)固鉆機(jī)的立柱，施工過(guò)程中鉆孔不會(huì)有較大偏移。

3.3 不同方位鉆孔軌跡分析

使用ZDY-4200LPS鉆機(jī)在同一巷道內(nèi)上下兩幫沿煤層施工2個(gè)120 m順層鉆孔，對(duì)相同人員、同一地點(diǎn)不同方位施工的鉆孔按照要求進(jìn)行軌跡測(cè)定。兩個(gè)鉆孔方位角相差180°，傾角正負(fù)相反。不同方位鉆孔軌跡對(duì)比情況見(jiàn)表5.

表5 不同方位鉆孔軌跡對(duì)比情況表

由表5可知，仰孔上下偏差小于俯孔，這是由于俯孔在向下施工過(guò)程中加上鉆桿的自重會(huì)比仰孔更有下垂的趨勢(shì)；仰孔左右偏差大于俯孔；仰孔終孔偏差小于俯孔。

3.4 不同孔深軌跡分析

在同一地點(diǎn)，對(duì)相同人員、相同鉆機(jī)施工的一個(gè)順層鉆孔按照要求進(jìn)行軌跡測(cè)定。將一個(gè)200 m深的鉆孔施工結(jié)束后退桿，然后對(duì)鉆孔進(jìn)行多次軌跡測(cè)定。不同孔深鉆孔軌跡測(cè)定情況見(jiàn)圖4.

圖4 提標(biāo)改造后礦井水處理工藝流程二圖

圖4 不同孔深鉆孔軌跡偏差情況圖

由圖4可知，鉆孔軌跡偏差隨著孔深加深而不斷加大。當(dāng)鉆孔孔深到100 m以下時(shí)，鉆孔終孔偏差較小且小于上下偏差和左右偏差；鉆孔孔深到100 m時(shí)，終孔偏差開(kāi)始快速增加；當(dāng)鉆孔孔深達(dá)到120 m時(shí)，終孔偏差大于左右偏差；當(dāng)鉆孔孔深達(dá)到150 m時(shí)，終孔偏差大于上下偏差和左右偏差。

4 結(jié) 語(yǔ)

ZXC1000礦用鉆孔測(cè)斜儀的應(yīng)用與分析，驗(yàn)證了鉆孔測(cè)斜儀在不同影響因素下測(cè)定結(jié)果的技術(shù)可靠性。儀器操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，受影響因素少，可直接通過(guò)軟件繪制出鉆孔的軌跡圖。為實(shí)際操作中盡量減少影響因素，選擇最優(yōu)的施鉆方案，為鉆孔設(shè)計(jì)和施工工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。