礦井多煤層瓦斯穿層抽放鉆孔軌跡測量技術

王軍鋒，張 軍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來，部分地區由于瓦斯抽放技術與裝備落后，鉆孔施工很難按照設計軌跡鉆進，導致煤層出現瓦斯抽放盲區而引發的煤與瓦斯突出事故時有發生。嚴重威脅煤礦的安全生產，可能摧毀巷道設施，毀壞通風系統，使巷道充滿瓦斯與粉塵，造成煤塵和瓦斯爆炸等嚴重后果。

煤與瓦斯突出災害的發生嚴重制約了礦井的健康發展。煤層瓦斯預抽是防治煤與瓦斯突出的主要措施，煤層瓦斯預抽主要方法是打鉆孔預抽煤層中的瓦斯。影響煤層瓦斯預抽效果的因素主要有鉆孔設計的合理性、鉆孔成孔情況、鉆孔分布、封孔效果等，其中因為鉆孔施工不到位而留有空白帶會給煤層瓦斯消突工作帶來重大隱患。

針對以上問題，程建圣[1]研究了穿層鉆孔全程篩管下放瓦斯抽采技術原理及工藝。劉軍[2]等研究了抽采時間、鉆孔間距和瓦斯抽采有效影響半徑的關系。徐青偉[3]等研究利用“三花眼”布孔方式與縮短抽采鉆孔間距布孔方式。李鵬[4]測定預抽鉆孔的成孔軌跡，確定鉆孔在不同方向上的偏斜量。董洪凱[5]建立了煤層流—固耦合模擬方程，通過對模擬結果分析確定了抽采空白帶范圍。李克松[6]等研制了回轉鉆孔軌跡測量系統，通過計算得到實際鉆孔軌跡。向真才[7]對鉆孔隨鉆軌跡進行分析，分析順層抽采鉆孔空白帶情況，陳睿[8]研發了對抽采鉆孔布孔合理性進行智能評判的系統。黃麟森[9]提出了適合于煤礦井下鉆孔測量系統藍牙無線傳輸策略，實現了同步機和測斜儀之間的數據傳輸。秦怡[10]提出適用于同步機和測斜儀之間的無線通訊策略，實現了測量數據的精確傳輸。王鵬[11]對比分析了綜放工作面空白帶施工釋放孔與煤層注水孔后對工作面回采時瓦斯涌出的影響。張軍[12-13]研究了鉆孔深度測量計算方法，隨鉆鉆孔三維軌跡測量技術。

通過鉆孔軌跡測量設備的使用，掌握鉆孔施工中的軌跡參數，包括鉆孔開孔傾角、方位角，鉆孔鉆進過程中的鉆孔軌跡。通過對穿層鉆孔的軌跡測量，為實現透明掘進提供可靠的數據依據。通過對鉆孔參數的測量，分析鉆孔覆蓋區域與范圍，減小鉆孔覆蓋空白帶，提高鉆場后續施工設計效果，提高瓦斯預抽效果。

現場測量鉆孔軌跡，利用鉆孔軌跡數據處理與三維顯示，利用鉆孔軌跡，分析鉆孔軌跡數據及鉆孔偏移規律。依據鉆孔軌跡數據，對鉆場、巷道、煤層、預掘巷道、鉆孔軌跡進行三維顯示，提高鉆孔施工效果，減少鉆孔覆蓋空白帶。

1 礦井地質概況

煤礦位于貴州省盤縣東北部，煤層細—中條帶狀,見少量寬條帶；玻璃光澤和瀝青光澤為主；斷口主要為貝殼狀，見少量參差狀；質松軟、性脆，節理、裂隙較為發育。局部煤巖中含少量星點狀、蠕蟲狀黃鐵礦，發育內生裂隙，宏觀煤巖類型為光亮型、暗淡型為主，半暗型次之，微觀煤巖類型為微鏡惰煤，煤質為低灰—中高灰、特低硫、高揮發份、低磷、低固定碳、高發熱量，其工業用途可作動力用煤和民用煤。

含煤地層賦存于上二疊統龍潭組，全區可采煤層8層。各煤層均以亮煤和暗煤為主，含鏡質組、殼質組和惰質組。鉆孔勘探施工運輸大巷為直墻半圓拱形斷面，采用錨網、錨索、噴漿聯合支護，巷道規格為下凈寬中高，巷道工作面標高1300m，工作面埋深550m，周邊鄰近不受其它采掘影響。

2 技術措施

煤礦在井下進行瓦斯抽放鉆孔施工中，由于受到煤層賦存條件、鉆桿鉆具的磨損、操作鉆機人員等因素的影響，很難保證鉆孔的實鉆軌跡能按照設計軌跡進行鉆進。導致瓦斯抽放空白帶的存在，增加瓦斯局部突出和超限的危險，導致瓦斯抽放不充分。

利用隨鉆鉆孔軌跡測量系統對鉆孔施工過程中監測鉆頭的軌跡，確保鉆孔按照設計角度進行鉆進。在監測鉆孔走向的同時，采集鉆孔各位置的傾角、方位角、深度等參數，利用鉆孔軌跡數據處理與三維顯示，分析鉆孔軌跡數據及鉆孔偏移規律。

礦井在運輸大巷側幫設計穿層抽采鉆孔預抽運輸巷條帶煤層瓦斯，鉆孔分組布孔，組與組間距為4m，每組分兩豎排，每一豎排為4個鉆孔（鉆孔布置在同一垂直線上），豎排與豎排間距為2m。每組鉆孔平均長度為105m，鉆孔終孔控制到煤層層面方向往上20m，往下15m范圍。其中，煤層厚度平均為2.0m，該標高煤層平均傾角為20°。

依據鉆孔軌跡數據，對鉆場、巷道、煤層、預掘巷道、鉆孔軌跡進行三維顯示，顯示鉆孔軌跡與煤層的三維空間位置關系。分析鉆孔覆蓋區域，減小瓦斯抽放空白帶，減少瓦斯突出的危險。

3 現場應用

鉆孔軌跡儀可對已經下過篩管的瓦斯抽放鉆孔進行測量，該設備具有測量精度高、操作簡單、施工方便、便攜可靠等特點，鉆孔軌跡儀如圖1所示。

圖1 鉆孔軌跡儀

鉆場的鉆孔設計控制到22#煤層層位方向向上22m，向下14m。在巷道橫向方向每2m一組鉆場，每組鉆場縱向布置8個鉆孔，鉆孔平均深度100～130m。鉆孔設計開孔傾角在-2.5°～12°，鉆孔設計方位角為135°，設計鉆孔布置方式如圖2所示。

圖2 設計鉆孔剖面圖

通過對巷道的鉆孔進行隨鉆鉆孔軌跡測量，得到對應的鉆孔軌跡數據。通過對鉆孔軌跡數據進行處理，得出鉆場中每個鉆孔的實際軌跡與設計軌跡之間的剖面圖與水平面圖，如圖3、圖4所示。

圖3 設計鉆孔軌跡與實際鉆孔軌跡剖面圖

圖4 設計鉆孔軌跡與實際鉆孔軌跡平面圖

由圖3、圖4可以看出，鉆孔實鉆軌跡傾角會隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，測量鉆孔100m深度平均向上偏差10m左右。方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，測量鉆孔100m 深度平均向右偏差5m 左右。實際測量鉆孔開孔傾角在-3.1°～12.3°之間，測量鉆孔開孔方位角在131.45°～140.95°之間，實際測量開孔方位角平均較設計開孔方位角大2°，測量開孔傾角與設計傾角偏差較小，開孔方位角與設計偏差較大。

通過對鉆場每個鉆孔軌跡的隨鉆測量，可以掌握每個鉆孔實際軌跡與設計軌跡之間的偏差，利用鉆孔軌跡數據處理及三維顯示，可以在三維空間中直觀地展示出每個鉆孔實際軌跡與設計軌跡之間的偏差，顯示每個鉆孔軌跡與不同煤層之間的位置關系。

圖5中，實線為設計鉆孔軌跡，點畫線為實測鉆孔軌跡，層狀體為設計煤層，框體為巷道。由圖5（a）可以看出，鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實鉆軌跡相對于設計軌跡普遍呈向右偏移趨勢。由圖5（b）可以看出，測量鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實鉆軌跡相對于設計軌跡普遍呈現向上偏移趨勢。由圖5（c）可以看出，測量鉆孔軌跡沒有穿過預掘巷道位置，鉆孔的實鉆軌跡均偏離鉆孔設計，這為瓦斯與抽采效果及煤層巷道的掘進埋下了隱患。

圖5 鉆孔軌跡三維成果圖

通過實驗發現，鉆孔實鉆軌跡傾角會隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，偏移距離均隨著鉆孔深度增大而增大。鉆孔軌跡儀在現場使用適應性較好，穿層鉆孔測量孔深在100～110m左右，鉆孔軌跡測量時間較短，儀器操作簡單、可靠，滿足了煤礦的使用要求。

4 結論

通過對鉆孔軌跡數據處理與三維顯示，分析了鉆孔數據處理、三維顯示、鉆孔偏移規律，分析了鉆孔軌跡數據、鉆孔偏移特性。

通過對鉆孔軌跡偏移規律的分析，可以提前對進行鉆孔設計修改或采取補孔措施。可有效提高鉆孔施工效果，減少鉆孔施工空白帶的影響。

為保證瓦斯抽采鉆孔群的抽采效果，建議在鉆孔施工過程中使用鉆孔軌跡測量技術，對鉆孔進行開孔及鉆孔軌跡測量。為鉆孔瓦斯抽采空白帶的定量評價提供方法與指標，指導后續鉆孔軌跡設計與施工。