煤礦井下鉆孔軌跡測量技術(shù)的研究

楊建中

（汾西礦業(yè)集團(tuán)兩渡煤業(yè)，山西 靈石 031302）

引言

隨著煤礦采掘深度的增加，井下布置的各類鉆孔數(shù)量以及鉆進(jìn)長度均呈遞增趨勢，掌握鉆孔實(shí)際軌跡情況對提高超前地質(zhì)勘探、瓦斯以及水害治理等均有較為明顯的促進(jìn)意義[1-2]。傳統(tǒng)使用的有纜測量及數(shù)據(jù)傳輸方式由于測量過程繁瑣、故障率高等問題，已經(jīng)不能滿足煤礦高效生產(chǎn)的需要[3]。采用便于施工、智能化以及成圖效果好的鉆孔軌跡測量技術(shù)可顯著提升鉆孔軌跡測量效果[4-5]。為此，本文提出采用MEMS 陀螺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器進(jìn)行鉆孔軌跡測量，通過藍(lán)牙傳輸方式代替有線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時(shí)通過CAD 成圖、三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡直觀顯現(xiàn)，便于對后續(xù)鉆孔軌跡分析。

1 鉆孔軌跡測量技術(shù)

鉆孔軌跡測量為空間軌跡測量的一部分，涉及到的技術(shù)包括有坐標(biāo)體系構(gòu)建與轉(zhuǎn)換、鉆孔軌跡參數(shù)選擇以及擬合算法等。

1.1 鉆孔軌跡計(jì)算方法

一般情況下鉆孔測量中坐標(biāo)系原點(diǎn)為鉆孔開孔位置，X、Y、Z 分別為正北、正東以及垂向方向。井下鉆孔鉆進(jìn)時(shí)單節(jié)鉆桿長度一般為1～3 m，點(diǎn)距為1～3 m。以鉆孔開孔位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，結(jié)合點(diǎn)與點(diǎn)間的空間位置關(guān)系以及測量參數(shù)即可求出每個(gè)測量點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)。鉆孔測量點(diǎn)坐標(biāo)常用的計(jì)算方法有均角全距法、全角半距法以及曲率半徑法等類型，具體各種測量方法的效果對比情況見表1。可以看出，曲率半徑法雖計(jì)算耗時(shí)最長，但計(jì)算精度較高。為此，提出將曲率半徑法應(yīng)用到鉆孔軌跡測量中。

表1 不同測量方法計(jì)算效果

1.2 鉆孔軌跡測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括有測量探管以及控制主機(jī)，其中測量探管采用無磁鉆桿連接鉆頭及鉆桿，具體結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 軌跡測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

在鉆孔鉆進(jìn)過程中測量探管可實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡測量，實(shí)現(xiàn)無線隨鉆測量。測量探管主要的探測元件為數(shù)據(jù)采集傳感器，由三軸MEMS 陀螺、三軸加速度傳感器以及溫度傳感器等組成。三軸加速度傳感器主要用以鉆孔角度探測；三軸MEMS 陀螺以及溫度傳感器可通過對角度測量誤差以及溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償、糾正，從而起到提高測量探測測量精度作用。

具體探測過程為：首先同步控制主機(jī)以及測量探管，隨后測量探測開始隨著鉆孔鉆進(jìn)不斷采集鉆孔軌跡數(shù)據(jù)（包括有鉆孔深度、鉆孔傾角、工具面向角以及方位角等），獲取到的數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在探管存儲(chǔ)器內(nèi)，測量完成后將數(shù)據(jù)傳輸給控制主機(jī)。

1.3 測量數(shù)據(jù)傳輸

鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)采用藍(lán)牙傳輸方式，將暫時(shí)存儲(chǔ)在探管存儲(chǔ)器內(nèi)的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)傳給控制主機(jī)，控制主機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸子站，后傳輸給主站。數(shù)據(jù)傳輸主站內(nèi)置有探測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可接收、處理不同鉆孔探測到的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸主站將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過已有的工業(yè)以太網(wǎng)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心主機(jī)可顯示井下鉆孔鉆探結(jié)果。具體鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 三維可視化

采用CAD 軟件實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的三維可視化顯示，具體數(shù)據(jù)處理步驟為：將獲取到的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，形成位置關(guān)系機(jī)空間距離數(shù)據(jù)；將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)根據(jù)大地坐標(biāo)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換；對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，從而形成CAD 可識(shí)別處理的數(shù)據(jù)元件；在CAD 中直接調(diào)用該數(shù)據(jù)元件，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的自動(dòng)繪制。

2 鉆孔軌跡測量技術(shù)應(yīng)用實(shí)例分析

采用鉆孔軌跡測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)的高效采集、有效傳輸以及測量結(jié)果的三維可視化顯示。在對鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)以及三維可視化效果分析時(shí)，首先需要采用測量探管獲取到鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，通過子站、主站對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將鉆孔軌跡探測結(jié)果傳輸給地面監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡三維可視化顯示。

在山西某礦采用鉆孔軌跡測量技術(shù)對2056 底板瓦斯抽放巷瓦斯抽采鉆場內(nèi)布置的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，具體處理后的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)見表2。在鉆場內(nèi)共計(jì)布置65 個(gè)鉆孔，鉆孔深度在22～68 m 間，探測系統(tǒng)耗時(shí)10 min 即實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理。具體鉆孔軌跡三維顯示結(jié)果如圖3 所示。從三維顯示結(jié)果可掌握鉆孔實(shí)際軌跡情況，從而為瓦斯抽采空白帶判定、鉆孔補(bǔ)充施工等工作開展提供了切實(shí)指導(dǎo)。

表2 鉆孔軌跡數(shù)據(jù)

圖3 鉆孔軌跡三維顯示結(jié)果

3 結(jié)論

1）采用無線藍(lán)牙傳輸方式可實(shí)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)通過采用專用的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的三維可視化顯示。

2）現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，采用鉆孔軌跡測量技術(shù)可提高鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)獲取、傳輸以及處理效率，同時(shí)利用三維可視化技術(shù)可提高鉆孔軌跡顯示效果。