矿井长钻孔随钻轨迹测量技术研究

时间：2024-04-25

公维强任文

山东华新建筑工程集团有限责任公司山东泰安 271200

煤矿在进行采煤作业前，通常会先进行地质勘探，以查明煤层、岩石、水的地质分布，有瓦斯的煤矿通常需要进行瓦斯抽放；这些作业主要在煤层或岩层中打入一定数量的钻孔。而煤矿井下的钻孔轨迹的准确量对于衡量煤矿瓦斯抽采孔、探放水孔作业质量具有重要意义。随着我国煤矿综合机械化采煤技术的发展，矿井安全生产对井下勘探孔、放水孔、瓦斯抽放孔等施工装备和技术的要求也不断提高。煤矿钻孔测量系统逐步得到了应用。由于定向钻探施工过程中钻杆旋转，排渣情况较普通钻进工艺差，使得钻孔的成孔率大幅度降低，造成巨大的经济损失。如果钻孔未能打到预定位置，有可能会出现瓦斯突出等重大事故的发生。因此，煤矿钻孔随钻测量技术在煤矿中具有非常重要的作用[1]。目前国内外主要用有线式随钻测量方式，即钻杆中心穿缆，是一种在线测量，通常也称作千米定向钻，但是这种钻机成本较高，而且因为体积较大，不适合掘进工作面；另外千米定向钻机系统适合煤层气开采、或者瓦斯开采的长距离钻进，对于探放水或者排放瓦斯需要的短距离钻进工况来说，千米定向钻机显得不合理，同时千米定向钻机的在线随钻测量系统还有价格昂贵、维修不便等缺点，所以中小型的普通回转钻机就成为首选，使得矿用小型回转钻机也能实现钻孔轨迹精确绘制。利用钻孔随钻轨迹仪可以测量钻孔轨迹，实现方式是直接把测量探管安装到钻杆前方作为普通钻杆使用，在钻进过程中测量钻孔姿态参数并实时传输到显示器中，在井下即可进行数据成图和分析。

1 钻孔轨迹测量方法

我国煤矿井下瓦斯抽采或者探放水都需要通过钻孔来实现，但是由于多方面因素的影响，实际钻孔轨迹都普遍存在着与设计轨迹偏离的现象。目前，长钻孔轨迹测量的主要原理是通过不同方法将信号上传到钻孔外的显示器。显示器将接收到的信号进行数据分析和计算处理，实现对钻孔过程中的钻孔参数进行实时监测，提高钻孔的质量。实现方法主要有2种：通缆随钻钻孔轨迹测量和无线电磁波随钻轨迹测量。

1.1 通缆随钻钻孔轨迹测量

通缆随钻钻孔轨迹测量系统是由中心通缆钻杆、上下无磁钻杆、测量探管、孔口监视器等组成。原理为在钻头与第1节钻杆之间安装特制的信号采集装置，测量主机通过钻杆内电缆发送命令给信号采集装置，信号采集装置进行信号提取。数据处理器将信号采集传感器采集的信号经过信号扩频等方法进行处理，并将命令内容通过钻杆内电缆回传至钻孔外的显示器。使得在显示器上可以查看钻孔轨迹，并实时发送命令对钻孔姿态进行调整[2]。

1.2 无线电磁波随钻轨迹测量

无线电磁波随钻测量系统主要由监测主机和测量探管、上下无磁钻杆等组成。工作原理为测量探管内部采用动调陀螺测量三维空间的倾角和方位角和工具面向角，然后将测量参数送入通信模块，通信模块将处理过的数据发给测量软件，由施工人员提取有效信息，接收探管的测量结果，以此为参照，控制测量探管的工作状态，指导钻孔按照设计轨迹延伸[3]。

2 钻孔轨迹计算方法

钻孔轨迹是一条三维空间曲线，由若干测点所测参数计算得到。所测参数包括孔深、倾角、方位角，并用这3个参数计算求得该测点的三维空间坐标，从而得到钻孔轨迹。钻孔轨迹通常的计算方法有均角全距法、全角半距法、最小曲率法等。钻孔随钻测量的目的是要得到钻头前进的实际轨迹，从而控制下一步钻进方向。长钻孔一般是每钻进一定距离测量一次钻杆姿态，然后得到钻杆坐标，通过插值拟合钻杆前进轨迹。

3 钻孔轨迹误差分析

煤矿钻孔施工过程中，影响钻孔轨迹的因素是多方面的，其中主要有地质因素、钻具因素、计算误差、子午线收敛角等几个方面的因素。由于地质因素不可改变，因此调整钻孔轨迹主要通过调整钻探参数来实现。

3.1 地质因素

在选定钻孔开孔位置和开孔方位后，影响钻孔轨迹的地质因素主要是钻进地层的硬度、密度、矿物成分等。由于岩石的层理、软硬互层、砾石等不同因素，造成受力不均，使得钻头轨迹偏离，引起钻孔弯曲。在松软、破碎地层钻进时，出现钻具与孔壁间有较大的间隙，同时钻具在重力作用下有下斜趋势；在较硬地层钻进时，一般沿容易通过的地方延伸，此时钻孔弯曲方向无定性规律。

3.2 钻具因素

钻具主要有4个方面的因素影响钻头的切削方向。①稳定器的不同排列间距使钻具在自重作用下具有某个方向的弯曲趋势；②在给进压力的作用下出现钻具弯曲；③钻具回转过程中产生离心力，离心力的大小与转速和钻具的结构参数有关，影响钻具弯曲趋势和钻孔弯曲方向；④钻杆上稳定器的排列方式和排列间距对于钻进轨迹有着重要意义[4]。

3.3 测量精度

测量仪器精度对钻孔轨迹的测量结果有直接影响。由轨迹测量计算公式可知，钻孔轨迹计算的左右位移不仅受倾角影响，也和方位角的测量误差有关，并且方位角误差影响更大。仪器的测量误差对钻孔轨迹不确定性的影响，是随着测点数量增多而不断累加的过程，由于方位角精度较低，左右位移误差较大。为了减小误差，必须提高测量仪器的精度。