回轉鉆進鉆孔數據處理與三維顯示軟件設計

王小龍，張軍

(中煤科工集團西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

煤礦井下普遍采用鉆機施工瓦斯抽放鉆孔，通過預先抽采鉆孔瓦斯降低煤層瓦斯壓力，有效預防煤與瓦斯突出事故的發生[1-2]。目前，煤礦井下鉆孔施工方式包括定向鉆進[3-4]和回轉鉆進[5-6]。定向鉆進技術由于鉆孔軌跡可調可控，在煤礦井下取得了良好的應用效果，但其價格昂貴、施工工藝復雜，所以煤礦井下大部分鉆孔仍采用回轉鉆進施工方式。

在回轉鉆進施工中，常常采用隨鉆軌跡儀進行鉆孔軌跡隨鉆測量，或是鉆孔成孔后采用手持式鉆孔軌跡儀進行鉆孔軌跡測量。鉆孔軌跡儀將采集到的姿態數據保存在測量探管內，測量完成后導出存儲的數據到鉆孔軌跡儀控制器中，由鉆孔軌跡儀數據處理軟件處理得到鉆孔軌跡[7-9]。但鉆孔軌跡儀數據處理軟件只能給出單個鉆孔的軌跡圖，無法給出多個鉆孔軌跡的位置關系以及與煤層之間的關系；鉆孔軌跡儀數據處理軟件所生成的上下偏差及左右偏差圖都是二維圖形，無法直觀反映鉆孔軌跡在三維空間中的形態；鉆孔軌跡儀數據處理軟件無法分析與圈定瓦斯抽采盲區，無法給出后續鉆孔的指導軌跡。

針對鉆孔瓦斯抽采盲區分析及控制的實際需求，設計開發了鉆孔數據處理與三維顯示軟件。該軟件具有界面友好、功能強大、使用便利、操作簡單的特點，可幫助施工人員完成鉆孔軌跡數據的處理、鉆孔軌跡與煤層分布等三維顯示、鉆孔覆蓋盲區的分析顯示并給出后續鉆孔指導軌跡，使鉆孔施工人員可全面掌握鉆孔信息，為優化鉆孔施工提供技術支撐。

1 鉆孔數據處理與三維顯示軟件設計

1.1 整體設計

煤礦井下回轉鉆進中通常采用YZG7隨鉆軌跡儀測量鉆孔軌跡，YZG7隨鉆軌跡儀如圖1所示。若在鉆孔施工中未能實現隨鉆測量，則在鉆孔成孔后可采用YQG1手持式軌跡儀進行鉆孔軌跡測量，YQG1手持式軌跡儀如圖2所示。

圖1 YZG7隨鉆軌跡儀Fig.1 YZG7 trackers while drilling

圖2 YQG1手持式軌跡儀Fig.2 YQG1 hand held trackers

采用YZG7隨鉆軌跡儀作為數據采集設備進行鉆孔數據采集。YZG7隨鉆軌跡儀包括孔口控制器與鉆孔測量探管。鉆孔測量探管測量鉆孔的傾角、方位角、工具面向角等空間姿態參數，孔口控制器記錄測量時間，鉆孔施工完成起鉆后，連接孔口控制器與鉆孔測量探管，根據測量時間進行數據同步后，將鉆孔測量探管的姿態數據上傳到孔口控制器中便于后續處理。

根據鉆孔瓦斯抽采盲區分析及控制的實際需求，鉆孔數據處理與三維顯示軟件包括4個功能模塊：鉆孔數據預處理、鉆孔深度與軌跡計算、鉆孔軌跡三維建模與顯示及鉆孔軌跡設計指導模塊，如圖3所示。其中鉆孔數據預處理模塊包括數據導入、系統參數設置、鉆場鉆孔設計、數據校準等，重點關注地磁偏角計算及數據野點的剔除。鉆孔深度與軌跡計算模塊利用鉆孔水壓監測數據,結合測點傾角數據實現鉆孔靜水壓力的提取及鉆孔深度的計算，同時實現鉆孔軌跡的計算及鉆孔測點坐標的提取，完成鉆孔軌跡深層次的數據挖掘。鉆孔軌跡三維建模與顯示模塊將鉆孔軌跡及煤層走向等鉆孔信息通過三維實體有效呈現，便于鉆孔瓦斯抽采盲區的確定，包括鉆孔群軌跡及煤層分布三維顯示、進煤面設計鉆孔覆蓋區域、進煤面實鉆鉆孔覆蓋區域等顯示。鉆孔軌跡設計指導模塊給出了鉆孔抽采盲區，并統計已有鉆孔軌跡的偏移特性，給出后續補充鉆孔施工的指導軌跡。

圖3 鉆孔數據處理與三維顯示軟件模塊Fig.3 Modules of borehole data processing and 3D display software

1.2 關鍵技術

(1) 多種數據格式的兼容性。目前已有YZG7、YQG1、YZG3.7、YCSZ(A)等多款礦用隨鉆及非隨鉆軌跡測量設備。鉆孔數據處理與三維顯示軟件在開發過程中要解決不同軌跡儀設備數據格式的兼容性問題，要能實現各種軌跡儀測量設備的數據導入。根據數據文件編碼方式的不同，該軟件能讀取.dat、.excel、.xml等不同格式的數據文件，實現不同數據格式的兼容。

(2) 基于鉆孔水壓監測數據的鉆孔深度計算。在底抽巷的上行鉆孔施工中，為了避免鉆孔施工人員對鉆孔深度的謊報和誤報，采用基于鉆孔靜水壓力數據結合鉆孔傾角數據確定鉆孔深度的技術方法。在鉆桿尾部的水辮上安裝水壓傳感器，連續監測鉆桿內水壓數據，在鉆孔數據處理與三維顯示軟件中通過檢測鉆孔水壓數據中的靜水壓力數據，同時結合鉆孔傾角數據計算鉆孔深度。

(3) 鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域分析。鉆孔軌跡可以精確計算，采用三維建模及顯示軟件可以顯示鉆孔軌跡在空間中的分布情況。但對于瓦斯抽采而言，關心的是鉆孔在進入煤層(進煤面)的落點和鉆孔在穿出煤層(出煤面)的落點以及在煤層中鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域的大小，是否有覆蓋盲區存在及覆蓋盲區的大小。只有知道了盲區是否存在及盲區位置，才能指導后續鉆孔施工，定量分析鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域，更好地指導后續鉆孔施工。

(4) 鉆孔偏移規律分析。在回轉鉆進的施工過程中，為獲取最佳的抽采效果，需要實鉆軌跡盡可能與設計軌跡一致，然而由于鉆孔軌跡易受巖層地質條件、煤層分布、鉆桿自質量及鉆進參數等多種因素的影響，實鉆軌跡總是偏離設計軌跡。實鉆軌跡與這些影響因素之間的定量化關系難以確定。如何根據已有的實鉆軌跡與設計軌跡找到該鉆場鉆孔偏移的整體規律，在后續鉆孔施工中根據偏移規律重新設計鉆孔開孔傾角及方位角，使得鉆孔在煤層中的實際軌跡與設計軌跡盡可能吻合或是實際軌跡的落點盡可能處于鉆孔瓦斯抽采盲區內，從而達到控制與消除瓦斯抽采盲區的目的。

2 鉆孔數據處理與三維顯示軟件模塊功能

2.1 鉆孔數據預處理模塊

鉆孔數據預處理模塊可實現對軌跡儀測量數據的導入、系統參數設置、鉆場鉆孔設計、數據校準等功能。

(1) 數據導入。通過數據導入，可將計算機中或U盤中存儲的軌跡儀測量數據(XML格式或Excel格式)加載到鉆孔數據處理軟件中進行后續處理。

(2) 系統參數配置。在對鉆孔測量數據進行校準前，需要對軟件的有關參數進行配置，具體包括地磁偏角設置、軌跡計算方法的選擇等。其中在磁偏角設置中給定了全國79個不同礦區的磁偏角數值，用戶可根據實測地點選擇所屬礦區，該礦區的磁偏角數值會自動加載到軟件中參與相關計算。軌跡計算方法分為平均角法與校正平均角法，通常軟件默認選擇平均角法作為軌跡計算方法，可將鉆孔測量的角度數據轉換為鉆孔軌跡的三維坐標，如有需要也可設置校準平均角法作為配置。

(3) 鉆場鉆孔設計。對鉆場進行管理，比如對鉆場進行施工用途、巖層分布、含水特性的備注說明。新建鉆孔時，需輸入主設計方位角、開孔傾角、開孔方位角等信息。新建鉆孔完成后，可輸入設計軌跡。

(4) 鉆孔測量數據校準。在使用鉆孔測量數據進行軌跡計算前，先進行數據校準，可根據現場實際情況適當調整和修正數據點，對鉆孔測量數據中的野點進行剔除，按多點平滑法進行插值補充。除此之外，可進行數據添加、數據刪除、按深度升序或降序進行數據排序等，以彌補操作失誤、遺漏采集等原因造成的錯誤。

2.2 鉆孔深度與軌跡計算模塊

鉆場深度與軌跡計算模塊可對鉆孔軌跡測量數據和鉆孔水壓監測數據進行深層處理，主要用于確定鉆孔深度和鉆孔軌跡的管理。

(1) 鉆孔水壓數據導入。 將鉆孔水壓數據文件(Excel格式)導入到鉆孔數據處理軟件中。

(2) 鉆孔深度計算。從連續監測的巨量鉆孔水壓數據中提取靜水壓力數據(鉆機水開關關閉時鉆桿內的水壓數據)，結合測量的傾角數據，計算鉆孔深度H，并進行保存、輸出。具體計算公式為

H=P/(ρgsinθ)

(1)

式中：P為靜水壓力；ρ為水的密度；g為重力加速度；θ為鉆孔傾角。

(3) 鉆孔軌跡計算。利用軌跡儀測量獲得的傾角和方位角及鉆孔深度數據，通過均角全距法將測量的姿態數據轉換為表示鉆孔軌跡的空間三維坐標(x,y,z)。具體計算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：ΔLi為第i個測點與i-1個測點之間的距離,i=1,2,…,n,n為測點個數；βi為第i個測點的傾角；αi為第i個測點的方位角；α0為鉆孔主設計方位角。

在獲得水平位移x、左右位移y及上下位移z后即可繪制鉆孔軌跡。根據鉆孔軌跡數據繪制各個鉆孔的軌跡圖，包括相對于鉆孔坐標系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖以及相對于地理坐標系的左右偏差軌跡圖、上下偏差軌跡圖。

(4) 鉆孔三維坐標轉換。三維坐標轉換實現鉆孔坐標到鉆場坐標的轉換，以便于鉆孔的三維建模和三維顯示。針對鉆場或巷道中所有鉆孔，先在鉆場或巷道中規定一個基準零點，給定每個鉆孔起點相對于鉆場基準點的三維坐標值，通過三維坐標轉換將鉆孔坐標轉換為鉆場坐標。此外，根據鉆孔施工記錄給定鉆孔見煤深度、出煤深度及測點間距，通過三維坐標轉換可以確定鉆孔見煤點三維坐標和出煤點三維坐標，這些參數都可用于在三維空間中進行鉆場孔群的管理。

2.3 鉆孔軌跡三維建模與顯示模塊

(1) 三維建模與顯示。鑒于三維可視化軟件Voxler在鉆孔軌跡可視化方面的優勢，在鉆孔數據處理與三維顯示軟件中內嵌了Voxler軟件，通過調用Voxler軟件，利用其功能強大、操作簡單的特點，實現鉆孔群軌跡的三維建模[10-11]。在三維顯示中，可以通過不同視角或任意平面的切片圖來直觀顯示鉆孔軌跡及煤層分布。

(2) 鉆孔覆蓋區域顯示。包括設計鉆孔覆蓋區域顯示和實鉆鉆孔覆蓋區域顯示2個部分。三維顯示可以直觀顯示鉆孔的軌跡以及鉆孔穿過煤層的見煤點與出煤點，但定量描述鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域并非易事。考慮到通常煤層厚度為1～8 m，相對于鉆孔深度而言煤層很薄且煤層傾角普遍較小這一事實，采用將鉆孔進煤點與出煤點及鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域(通常取鉆孔周圍直徑5 m的范圍)由三維空間投影到水平面的方法，以直觀且定量描述鉆孔覆蓋區域。通過設計鉆孔覆蓋區域和實鉆鉆孔覆蓋區域的對比，可以確定是否存在鉆孔瓦斯抽采盲區以及鉆孔瓦斯抽采盲區的位置與大小。

2.4 鉆孔軌跡設計指導模塊

(1) 鉆孔偏移特性分析。鉆孔軌跡偏移受巖層地質條件、巖層夾角、鉆桿自質量、鉆機型號及鉆機操作人員等多種因素的影響，是一個比較復雜的問題。根據已有的鉆孔施工經驗，鉆孔偏移具有如下規律：① 巖層結構單一,鉆孔偏移量較小；巖層結構復雜,鉆孔偏移量較大。② 巖石堅固性系數大, 鉆孔偏移量小; 巖石堅固性系數小,鉆孔偏移量大。③ 巖層傾角和鉆孔傾角的夾角大，鉆孔偏移量小；巖層傾角和鉆孔傾角的夾角小，鉆孔偏移量大。④ 鉆機功率越大，鉆桿直徑越大，鉆孔偏移量越大。⑤ 鉆頭順時針旋轉，鉆孔偏斜一般向右。⑥ 給定壓力適中、鉆進速度適中時，隨著孔深增加，由于鉆具自重影響，鉆孔軌跡向下偏斜；給定壓力過大、鉆進速度過快時，鉆孔軌跡向上偏斜。在鉆孔數據處理與三維顯示軟件中根據鉆孔群軌跡統計鉆場鉆孔偏移特性，包括各個鉆孔開孔傾角偏差、開孔方位角偏差、實鉆軌跡偏差等，將鉆場內的鉆孔按照一行或多行排列進行傾角偏差統計，按照一列或多列進行方位角偏差統計，給出一定傾角或一定方位角范圍內，鉆孔的傾角或方位角偏差及偏差角度和鉆孔深度之間的擬合公式。

(2) 指導鉆孔軌跡調整。 根據鉆孔偏移特性，結合鉆孔軌跡偏移的一般規律，修改后續鉆孔設計軌跡或設計補充鉆孔軌跡，修改或設計的依據是根據統計的平均偏差(方位角偏差和傾角偏差)，在原設計參數上減去該平均偏差角度，即獲得新的設計參數。在鉆場地質條件、鉆機型號、施工人員及施工工藝等條件不變的情況下，按照新的設計進行鉆孔施工可以保證鉆孔在煤層進出點的位置落在設計位置附近，從而達到控制與消除瓦斯抽采盲區的目的。此外，鉆機操作人員可以通過調整鉆進壓力與鉆進速度，人為控制軌跡傾角的變化達到鉆孔落點盡可能靠近設計位置,但這對鉆機操作人員的鉆探經驗要求很高。 根據鉆孔偏移特性設計的補充鉆孔方位和傾角如圖4和圖5所示。根據設計方位與實鉆方位角的偏差，在補充設計中人為反向增加該偏差，以保證補充實鉆軌跡落點與設計軌跡落點基本一致。

圖4 補充鉆孔方位角設計Fig.4 Design of azimuth angle of supplementary borehole

圖5 補充鉆孔傾角設計Fig.5 Design of dip angle of supplementary borehole

鉆孔軌跡數據處理與三維顯示軟件數據處理流程如圖6所示。鉆孔軌跡數據處理與三維顯示軟件中鉆孔軌跡計算界面如圖7所示。

圖6 鉆孔軌跡數據處理與三維顯示軟件數據處理流程Fig.6 Data processing flow of borehole data processing and 3D display software

圖7 鉆孔軌跡計算界面Fig.7 Borehole track computing interface

3 現場試驗

淮北礦業集團某礦為治理瓦斯災害，在井下施工大量穿層鉆孔、順層鉆孔及高位鉆孔等。采用鉆孔數據處理與三維顯示軟件對該礦866底抽巷14號、16號、18號、20號、22號、24號鉆場共6個連續鉆場計257個鉆孔進行了數據處理。866底抽巷位于8煤層底板下27～40 m，煤層底板下方為灰巖層，各鉆場瓦斯穿層鉆孔軸向間距為5 m，列間距為5 m，鉆孔終孔穿過8煤層頂板約3 m。處理后的鉆孔群軌跡及煤層頂底板的三維顯示如圖8所示。

圖8 鉆場鉆孔軌跡與煤層頂底板三維顯示Fig.8 3D display of borehole track and coal seam roof and floor

淮北礦業集團某礦1035機巷底抽巷22號鉆場，設計鉆孔軌跡三維顯示如圖9所示。底抽巷瓦斯抽采鉆孔是由底抽巷頂板或側幫向上施工穿層鉆孔，使鉆孔穿過上方煤層中預掘巷道附近位置，以預先抽采煤層中預掘巷道周圍的瓦斯，保障后續預掘巷道掘進施工的安全。根據實際抽采經驗，鉆孔瓦斯抽采覆蓋區域為鉆孔周圍半徑為2.5 m的圓形區域。為保證預掘巷道周圍區域瓦斯抽采的全覆蓋，通常將鉆孔在煤層預掘進巷道附近的落點設置為等間距，鉆孔進出煤層的落點的行列間距均為4～6 m。雖然設計軌跡實現了鉆孔瓦斯抽采全覆蓋，但由于巖層地質條件、煤層分布、鉆桿自質量及鉆進參數等多種因素的影響，鉆孔實鉆軌跡往往偏離設計軌跡，使得鉆孔瓦斯抽采不能實現全區域覆蓋，從而出現了鉆孔覆蓋盲區，導致部分區域瓦斯未能抽采，存在安全風險。

圖9 1035機巷底抽巷22號鉆場設計鉆孔軌跡與煤層頂底板三維顯示Fig.9 3D display of borehole track and roof and floor of coal seam in No.22 drilling field of 1035 mine roadway

采用鉆孔數據處理與三維顯示軟件對22號鉆場設計鉆孔覆蓋區域、實鉆鉆孔覆蓋區域及補充鉆孔后的覆蓋區域進行了顯示與評價，鉆孔覆蓋區域顯示如圖10所示。從圖10(a)可看出，設計鉆孔的抽采區域實現了預掘巷道周圍20 m半徑內全覆蓋。從圖10(b)可看出，實鉆鉆孔的覆蓋區域只達到設計覆蓋區域的55%左右(綠色為實際鉆孔出煤點,紅色表示實際鉆孔的抽采覆蓋區域)，在預掘巷道的中間部位及右上方、右下方存在較大的鉆孔抽采覆蓋盲區。通過實鉆鉆孔的三維顯示和對實鉆鉆孔偏移規律的分析，設計了補充鉆孔的軌跡，利用精準開孔技術和隨鉆軌跡測量技術對22號鉆場進行了補充鉆孔施工，補孔后鉆孔抽采覆蓋區域如圖10(c)所示(紅色為實際鉆孔的抽采覆蓋區域,藍色為補充鉆孔的抽采覆蓋區域)，此時鉆孔抽采區域達到了設計覆蓋區域的95%以上，擴大了鉆孔瓦斯抽采覆蓋范圍，能有效控制或消除鉆孔瓦斯抽采盲區。

(a) 設計鉆孔抽采覆蓋區域

(b) 實鉆鉆孔抽采覆蓋區域

(c) 補鉆后實鉆鉆孔抽采覆蓋區域

4 結論

(1) 設計了鉆孔軌跡數據處理與三維顯示軟件，該軟件具有鉆孔數據處理、三維顯示、鉆孔偏移規律分析等功能，可實現對鉆孔軌跡數據、鉆孔深度數據的計算與挖掘、鉆孔偏移特性的統計分析。

(2) 該軟件解決了鉆場或巷道鉆孔群軌跡的三維顯示問題，可直觀再現鉆孔軌跡與煤層的關系，為鉆孔瓦斯抽采盲區的定量評價提供了一種新方法，能指導后續鉆孔軌跡設計與施工工作，滿足施工現場多層次的實際需求。