高突矿井低抽巷穿层瓦斯抽采钻孔轨迹综合测控技术研究

贾 茜，贾建称，张平卿，吴敏杰，桑向阳，王振涛，吴 艳，董 夔

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054；2.平顶山天安煤业股份有限公司，河南平顶山 467099)

中国是世界上为数不多的以煤为主要能源的国家，也是煤矿灾害最为严重的国家。在煤矿各类事故中，煤与瓦斯突出是严重影响我国煤矿科学产能的主要灾害类型(表1)，因此防治煤与瓦斯突出依然是安全安全生产工作的重中之重。在预防煤与瓦斯突出的各种技术措施中，岩巷大孔径高密度穿层钻孔是无采动卸压影响区难抽采煤层的矿井中区域强化预抽突出煤层瓦斯、提高瓦斯抽采效率的主要方法[1-3]。穿层钻孔轨迹受地质因素、钻机因素、钻进参数、钻探工艺和人为因素的影响而往往与设计的不一致，甚至偏差较大而出现串孔或钻孔空白带，存在瓦斯抽采盲区，煤与瓦斯突出威胁难以根除[4-6]。同时，由于钻孔轨迹不清，借助钻孔的地质信息恢复的煤层厚度、赋存形态与隐蔽小构造失真，存在误揭煤层和隐蔽致灾地质因素的风险。因此，精准查明钻孔轨迹对于优化瓦斯抽采孔设计参数、合理布置采掘工程、保障煤矿安全高效生产具有重要的现实指导意义。本文以平顶山天安煤业股份有限公司十三矿(以下简称平煤股份十三矿)11110综采工作面中部低抽巷瓦斯抽采工程为例，论述钻孔轨迹测量技术。

表1 近年来较大以上煤与瓦斯突出事故占较大以上煤矿瓦斯事故的比例统计表Table 1 Statistics of larger or higher coalmines gas outburst accident proportions in coalmine gas accident in recent years

注：据国家煤矿安全监察局事故调查司《2015年-2018年全国煤矿事故分析报告》。

1 工作面地质背景

平煤股份十三矿位于许昌市襄城县境内，井田平面形态为不规则的长条形，面积53.636 5km2。矿井主采己15-17煤层赋存于下二叠统山西组下部，由矿区己15、己16、己17煤层在井田内合并而成[7]。煤层厚度2.12～7.76m，平均5.88m，为突出煤层。煤层顶板为深灰色薄层状泥岩夹灰色砂岩，底板为灰色砂岩或砂岩与泥岩互层。煤层埋深175～1 000m，底板标高-100～-900m。

11110综采工作面(采面)位于矿井东北部己一采区第六区段、11111工作面之西部，长度154m，推进长度425m，方向104°。该工作面内己15、己16、己17煤层合并，厚度1.17～9.8m，平均4.19m；煤层结构简单，走向110°～125°，倾向南西，平均倾角16°。煤体坚固性系数0.32～0.97，以小于0.5为主。煤层顶板为深灰色砂质泥岩与灰色细-中粒砂岩互层，底板为深灰色砂质泥岩夹灰色细粒砂岩及炭质泥岩。

2 11110工作面中部低抽巷瓦斯抽采工程布置

2.1 中部低抽巷基本情况

该低抽巷位于11110工作面中部下方8.5～16.6m，走向104°，长度413m，断面形态为直墙半圆拱形。巷道中心高度330cm，底部宽度480cm；顶部标高-510.8～-493.1m，断面起伏不平，揭露地层为山西组底部深灰色泥岩、下部灰色细粒砂岩夹深灰色砂质泥岩。巷内有12个测点，间距17.0～95.0m(图1)。

2.2 穿层钻孔设计与施工

穿层瓦斯抽采钻孔沿中部低抽巷外段向联巷分组布置，从低抽巷向采面施工穿层钻孔至煤层顶板2m以上[8]。每组为一个钻场，设计10个钻孔，呈扇形排列，扇面垂直于巷道走向。其中，南侧钻孔设计倾角为0°、11°、26°、48°、74°，北侧钻孔设计倾角为81°、61°、48°、39°、32°。单孔深度16～68m，孔组间距6～6.4m，控制煤巷条带宽度103m(图2)。

现场使用四台液压回转钻机分段同时施工，钻孔直径94mm，共施工上向瓦斯抽采钻孔70组。

3 钻孔轨迹测控方法

3.1 孔口定位技术

岩巷瓦斯抽采穿层钻孔具有组间距小、孔密度大、仰俯角多变的特点，精准定位孔口是钻孔按照设计的深度和位置钻进的关键一步。孔口定位应包括钻机位置测量和钻孔开口位置测量。

图1 11110工作面中部低抽巷剖面图Figure 1 Working face No.11110 middle part low drainage roadway section

图2 上向穿层钻孔布置图Figure 2 Upward crossing boreholes layout

3.1.1 钻机位置测量

设计从11110工作面中部低抽巷外段向联巷依次布置70个钻场，利用巷道内12个测点控制钻机位置。为提高测量精度，根据巷道起伏和测点分布情况，采用钢尺量距法和电子地质罗盘仪测位法定位钻机，即钻机立柱与导轨杆交叉点位置。

3.1.1.1 测前准备

钻机位置测量由4人组成(其中1名为前期巷道测点控制人员)，准备50m钢尺1把、电子地质罗盘仪2把，弹簧秤2个，记录表1本。

3.1.1.2 测量

(1)量距。自距离钻机最近的一个测点位置向钻机测量。前期巷道测点控制人员为后尺手，前尺手在钻机立柱与导轨杆(机身)的交点位置。双方用标准拉力拉紧钢尺，后尺手读取尺段长度。重新站稳后再量距一次，两次量距误差不超过1cm，以尺段长度的平均值作为该尺段的长度。

(2)测尺段方位角与俯仰角。量距后，前、后尺手同时使用电子地质罗盘仪测量尺段的方位角和俯仰角，测量2～3次，误差不超过3°，以平均方位角与俯仰角作为该尺段的方位角与俯仰角。本次使用哈尔滨光学仪器股份有限公司生产的YHL90/360S型便携式矿用本安型三维激光电子地质罗盘仪。该仪器由三轴磁阻传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器等共同组成10轴传感器组，以ARM处理器为核心，对原始数据进行补偿、滤波、融合、解算后，通过LCD实时数字显示测得的方位角、横滚角、俯仰角、高程、温度等参数，外形尺寸80mm×70mm×40mm，重量270g。同时，该仪器开机即测，测量不受井下钻机、锚杆、铁网等环境磁性物质的干扰，测量最大误差为：方位角±1.5°、俯仰角和横滚角±0.5°(0°～80°)～±1.0°(80°～90°)，最小显示单位0.1°，高程和高差最小显示单位为0.1m，精度能够满足钻机孔口定位测量的要求。红外光瞄准装置使尺手测量方位角更加便捷准确，可充电防爆锂离子电池和低能耗提高了仪器性价比，延长了续航时间。

(3)记录。将测量的尺段长度、方位角、俯仰角、温度、高程、高差等参数记录到《钢尺量距与定向记录表》中，作为计算钻机距测点方位、水平距离、高差的依据。尺段方位角记第一和第四象限数据；沿巷道方向上(下)坡为仰(俯)角，逆巷道方向上(下)坡为俯(仰)角，仰角用正值，俯角用负值。罗盘上高程、高差由气压换算得出，可供参考数。

(4)钻机位置计算。运用立体几何学原理和直角三角形边长计算方法，计算钻机位置，即：

xi=xn+Li×cosαi×sinβi

yi=yn+Li×cosαi×cosβi

hi=hn+Li×sinαi

式中：xi为第i个钻场钻机横坐标，xn为距第i个钻场最近的第n个测点横坐标；yi为第i个钻场钻机纵坐标，yn为距第i个钻场最近的第n个测点纵坐标；hi为第i个钻场钻机高程，hn为第n个测点高程；Li为第i个钻场钻机与第n个测点斜距(尺段长度)；αi为Li尺段的俯仰角，βi为Li尺段的方位角。

3.1.2 孔口位置测控

(1)开口定向测量。将YHL90/360S型电子地质罗盘仪侧面紧贴在与钻杆平行的钻机导轨杆上面，激光指向孔口方向。启动导轨杆调角装置，使其达到设计的钻孔姿态(方位角、仰俯角)，静置2～3min待罗盘数据稳定后，即可完成钻机开口定向操作。现场对比测试发现，电子地质罗盘仪可与激光数字化钻孔开口定位仪对钻机姿态的测量精度一致，但质轻便携、数显灵敏、成本低。

(2)记录。将测量的钻机立柱与导轨杆交点的长度、钻机方位角、俯仰角、高程、高差等参数记录到《钢尺量距与定向记录表》中，作为计算孔口位置的依据。

(3)开口位置计算。以钻机立柱与导轨杆的交点为起算点，运用立体几何方法计算开口坐标，即：

xkn=xk+Lk×cosαkn×sinβkn

ykn=yk+Lk×cosαkn×cosβkn

hkn=hk+Lkn×sinαkn

式中：xkn为第k个钻场第n个钻孔的孔口横坐标，xk为第k个钻场钻机立柱与导轨杆交点的横坐标；ykn为第k个钻场第n个钻孔的孔口纵坐标，yk为第k个钻场钻机立柱与导轨杆交点的纵坐标；hkn为第k个钻场第n个钻孔的孔口高程，hk为第k个钻场钻机立柱与导轨杆交点的高程；Lkn为第k个钻场钻机立柱与导轨杆交点至第n个钻孔孔口的尺段长度，αkn为第k个钻场第n个钻孔钻机导轨杆设计俯仰角(14°或194°)，βkn为第k个钻场第n个钻孔的设计方位角。

上面立体几何计算工作在Microsoft office Excel上编辑公式完成。

3.2 孔内钻孔轨迹测量技术

平煤股份十三矿煤系岩石类型比较简单，但组合方式多样。L15-17煤层是由软硬相间、硬煤呈大小不等的透镜体夹持于软煤中的复杂结构[9]，地质构造薄弱面发育，非均质性强烈，上向瓦斯抽采钻孔难以按照设计方位钻进。同时，煤体碎软，钻进中塌孔严重。为了窥避串孔或钻孔空白带，实现瓦斯均衡抽采，本次使用徐州瑞拓勘探技术开发有限公司研制的YZD18.5矿用侧向电阻率视频成像测井仪及时对打完的穿层瓦斯抽采钻孔的孔中轨迹、终孔位置、钻孔姿态进行复测。

3.2.1 矿用侧向电阻率视频成像测井仪

3.2.1.1 仪器构成与功能

该仪器是集测井、测斜、测深的数据采集、视频成像、数据处理、数值分析、自动成图于一体的本安型井下多用途探测装置，由探头、主机、通讯线缆绞车、推杆组成(图3)。

图3 矿用侧向电阻率视频成像测井仪组成Figure 3 Coalmine used lateral resistivity video imaging logger configuration

探头由高分辨率摄像头、自然伽马、视电阻率、自然电位、激发电位1、2及钻孔轨迹测量与控制单元构成，同步自动而连续地采集钻孔视频、孔斜、孔深、自然伽马、视电阻率和自然电位等数据。在大口径钻孔测量时用扶正器可使探头处于钻孔中心。主机由视频采集控制单元、数据采集控制单元、电缆及绕线构成，双核、双屏设计，数据采集控制单元应用光电隔离技术将模拟信号和与数字信号完全隔开，使探头中采集器采集的原位数据以数字信号传输至探测仪主机，数字抗干扰和专用滤波模块能够在可视化条件下同步进行基于数据库的岩性和构造分析。绞车用于传送电缆，由深度计数模块计算电缆长度来获取探测深度。每节推杆长度 1.0m，彼此可首尾连接。

3.2.1.2 数据处理与分析

升井后将探测数据导入电脑，在《矿用侧向电阻率视频成像测井仪分析软件》上进行数据处理和分析。矿用侧向电阻率视频成像测井仪分析软件具有数据管理功能、曲线深度校正功能，高斯滤波/5点平滑/飞点处理等六种曲线预处理功能，实时监测生成钻孔轨迹和深度，自动生成三维分析性图件(钻孔轨迹图、单孔综合测井解释图、构造预测矢量图、地层柱状图、底板等高线图、视电阻率等值线图、钻孔对比图等)，CAD格式图形输出。

①防爆类型：矿用本质安全型设备，防爆标志为ExibIMb；

②显示屏：视频为5吋真彩液晶屏，参数为2.8吋真彩液晶屏；

③存储容量：32G；

④探测孔径：28～110mm；

⑤测量深度：0～200m，孔深误差≤0.5%；

⑥点数据采集(扫描)率：8点/s；

⑦钻孔方位角：测量范围：0°～360°，精度：±1°；

⑧钻孔倾角：测量范围：-90°～+90°，精度：±0.1°；

照片本身是一个二维静止的图像，它很难像视频那样能清晰、准确，同时带有极强逻辑性地讲述一个故事。但其实图片的故事性表达也有技巧，将婚礼当作一个事件来拍，把握住一些关键性的瞬间，以及人们所展现出的情绪，并以此串联出整个故事，能提升作品的感染力。同时，在拍摄人物多、层次丰富、元素信息庞杂的画面时，我反而习惯用浅景深去简化它。极简的画面看似信息量不大，但反而突出了重点，就像是特写镜头。带有不同信息的画面串联起来，就会形成一种独特的时间上的叙述感。

⑨工具面角：测量范围：0～360°；测量精度：±0.1°。

3.2.1.4 仪器性能

①结构简单、体积小、质轻便携、操作简便。探头长度小于1.0m，主机质量2.8kg，1人可携带下井，2人可实现仪器操作；

②性能稳定、探测精度高、测量快速、随测即显，单孔探测时间为40～80min；

③双屏、双核设计，同步高速运行和显示图像和数据；

④大存储容量可同时存储7 000个钻孔的探测数据；

⑤自动测量、一测多用，主机配有专用处理软件可及时对测量数据进行成像和分析；PH

⑥主机供电电源采用可充电镍氢电池组，连续工作时间不小于18h。

3.2.2 钻孔深度和轨迹测量

3.2.2.1 测量方法与步骤

(1)准备阶段。将充满电矿用侧向电阻率视频成像测井仪之主机和绞车箱就近摆放平稳，并通过绞车箱线缆接头连接主机，探头线缆接头与绞车箱连接，探头末端与推杆连接(图4)。必要时加扶正器。

部件连接好后打开主机开关，检测是否有电及仪器运行是否正常。调整显示屏，孔口位置坐标设置为“0,0,0”；

(2)测量阶段。在穿层钻孔成孔后，从孔口开始放入带推杆的探头。在连接推杆中尽可能匀速地将探头送进钻孔。到孔底后按下采集数据器按钮，记录和保存所采集的相对位置和孔深数据，平稳依次卸下推杆、回收仪器；

图4 矿用侧向电阻率视频成像测井仪部件连接方式Figure 4 Coalmine used lateral resistivity video imaging logger parts interconnections

(3)数据分析与处理阶段。上井后将探测数据导入电脑，在“矿用侧向电阻率视频成像测井仪分析软件”上处理与分析数据，自动生成三维钻孔轨迹图、孔斜剖面图、孔斜平面图等。

3.2.2.2 轨迹测量结果

综合分析矿用侧向电阻率视频成像测井仪测井曲线解释、孔内成像和轨迹测量成果表明，11110工作面中部低抽巷内几乎所有的瓦斯抽采钻孔的孔中轨迹与设计的有偏差，同时与钻探控制的钻机轨迹也不一致。每个扇形孔组的南部钻孔向北偏移，北部钻孔向南偏移，偏移角度2°～6°，偏移距离随钻杆倾角的增大而减小；除塌孔而没有探测到孔底的钻孔外，轨迹测量的钻孔深度比钻探控制的钻孔深度小0.63～3.76m，平均1.83m(表2，图5)，实际控制的煤巷条带宽度为101.8m。本次施工的钻孔无串孔或大的空白带。

表2 11110工作面中部低抽巷部分钻孔参数对比表Table 2 Comparison of working face No.11110 middle part low drainage roadway part of borehole parameters

图5 11110中部底抽巷Z05-03扇面(a)与Z05-05扇面(b)地质剖面图Figure 5 Working face No.11110 middle part low drainage roadway borehole Z05-03 fan (a) fanwith borehole Z05-05;(b) geological section

Z05-05-07孔中煤层重复，而Z05-05-06孔和Z05-05-08孔中恢复的煤层产状和层位正常。结合井下观测和无线电波坑透结果，认为Z05-05-07孔中煤层重复是由于断层作用引起的，即Z05-05-07孔深度13.57m处有一条逆断层。该断层走向100°，倾向北北东，倾角14°，落差2.3m。这种小型断层即使在钻孔中遇到也难以被发现，而在矿用侧向电阻率视频成像测井中可被精确控制。

4 结论

(1)煤炭精准开采应以可靠的地质保障为前提，穿层钻孔均匀预抽瓦斯是高突矿井区域瓦斯治理的技术要求，同时穿层瓦斯抽采孔中携带的地质信息也是精细查明煤层、构造和其它隐蔽致癌地质因素的技术手段。精准确定钻孔轨迹是提高煤炭科学产能对矿井地质保障工作的基本要求。

(2)差之毫厘、谬之千里，应重视穿层瓦斯抽采钻孔的孔口定位。采用钢尺量距法和便携式矿用本安型三维激光电子地质罗盘仪测位法，运用几何学原理和立体几何计算方法，准确定位钻机开口位置，为钻孔尽可能地沿设计参数钻进打好基础。

(3)矿用侧向电阻率视频成像测井仪是一种先进的钻孔轨迹和孔深测量仪器，同步自动连续地高频采集钻孔视频、孔斜、孔深、方位、自然伽马、视电阻率和自然电位、激发电位等数据，为综合测控钻孔轨迹、解释煤层和构造及其它开采地质条件提供了可靠的技术手段。

(4)我国高突矿井碎软煤层发育，煤体结构组合复杂，透气性差，成孔困难，有气难抽。矿用本安型侧向电阻率视频成像测井仪未来的研发方向是随钻测量和无线传播[5]，由钻孔轨迹复测向以钻杆为载体、以无线传播为主要方式的钻孔姿态、孔深、钻孔工作状态、环境条件及时测量和实时在线转变，以便根据钻孔信息及时调整钻孔轨迹、精确判断地质异常体。