钻孔轨迹测量技术及应用

秦 怡

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

随着我国社会主义的建设，人们对于安全性的认识程度越来越高。对于一些危险性较高的行业来讲，在工作过程中不断提高生产安全性是企业发展的根本。特别是在煤矿行业中，对煤矿地质进行打钻已经成为地质预报的一种重要手段，为了更好地保证打钻的准确性，需要不断地对相关技术进行创新和优化，以减少实际作业过程中钻孔真实轨迹与设计轨迹的偏差，提高相关作业的安全性。对于煤矿企业来讲，为了提高钻孔的准确性，往往会采用钻孔轨道测量技术进行测量。

1 钻孔轨迹测量方法

现阶段，被广泛使用的钻孔轨迹测量方法主要有三种，这三种钻孔轨迹测量方法都是使用的均角全距法[1]。第一种是全方位钻孔测斜技术，这种测量方法只适合于已经成的孔的测量；第二种是随钻孔轨迹测量技术，这种方法可以对正在进行钻孔的孔实现边打孔边测量，当钻退出来之后就可以看到钻孔的轨迹；第三种技术是无线随钻测斜仪技术，这种测量技术比前面的两种都先进，在边钻孔边测量同时还可以实现实时数据传输，也就是说可以实时看到钻孔时的钻孔轨迹。

2 全方位钻孔测斜技术

全方位钻孔测斜技术在对钻孔轨迹进行测量时是利用钻杆推送使其进入道孔内进行轨迹测量，因此只能对已经钻孔完毕并把钻退出来的孔进行测量。由于探管的外径是45mm，因此对于所测量的孔来讲，其内径要大于45mm，这样才能保证探管顺利进入孔内。全方位钻孔测斜技术在测量过程中有优点也有缺点。优点：首先，这种钻孔轨迹测量方法不会出现掉钻的现象；其次，这种方法对设备的损耗比较小；最后，该技术安全性能较高，成本比较低[2]。缺点：首先，全方位钻孔测斜技术对于内径小于45mm 的孔或者是塌孔无法进行轨道测量；其次，该技术需要重复进行送钻操作，降低了工作效率。

2.1 全方位钻孔测量装备

全方位钻孔测斜仪是由同步机与探管和相应的通信线组成。同步机由单片机、键盘、显示器、存储器、通信接管等部分组成，在全方位钻孔测斜过程中主要发挥向探管发射命令和数据处理的作用[3]。探管主要是由采集单片机倾角、侧向传感器、存储器、通信接管等部分组成，在全方位钻孔测斜过程中探管的主要发挥的作用是采集传感器电信号，并在存储器内对采集的数据进行存储。

2.2 全方位钻孔测斜技术应用实例

在某煤炭进行地质钻孔轨迹测量时，由于该矿在构造上十分复杂，为了更好地对煤层位置和厚度进行勘测，需要在巷道进行钻孔找煤，因此利用全方位钻孔轨迹测量技术对其进行地质钻孔的轨道测量。在测量时设计倾角为0.00°，方位角为282.00°，磁偏角为-4.50°。具体测量结果如下：

测点1：深度为3.00m，倾角为2.18°，方位角为293.92°，钻孔南北方向的偏离为1.00m，钻孔东西方向的偏离为2.83m，钻孔上下方向的偏离为0.11m；测点2：深度为6.00m，倾角为2.49°，方位角为293.18°，钻孔南北方向的偏离为1.97m，钻孔东西方向的偏离为5.66m，钻孔上下方向的偏离为0.24m；测点4：深度为12.00m，倾角为2.49°，方位角为293.12°，钻孔南北方向的偏离为3.85m，钻孔东西方向的偏离为11.35m，钻孔上下方向的偏离为0.54m；测点6：深度为18.00m，倾角为3.48°，方位角为290.98°，钻孔南北方向的偏离为3.85m，钻孔东西方向的偏离为11.35m，钻孔上下方向的偏离为0.54m……测点26：深度为78.00m，倾角为28.61°，方位角为278.77°，钻孔南北方向的偏离为15.56m，钻孔东西方向的偏离为73.56m，钻孔上下方向的偏离为17.09m。

对于测量结果进行分析可得，当深度达到78m 的时候进行钻孔，最大的水平偏移值的最大的垂直偏移值分别为0.66m 和17.09m，导致实际的钻孔轨迹于设计的轨道发生较大的偏差，出现了轨迹严重上移的现象。因此，在实际操作过程中为采用补钻的措施对其进行修补，只有精准确定煤层和厚度才能保证生产的安全性。如果没有对钻的孔进行测量，在操作过程中出现这么大的偏差时是人为无法预知的。

3 随钻钻孔轨迹测量技术

随钻钻孔轨迹测量技术是可以实现边钻孔边测量的。在操作过程中，只需要在钻孔之前将相应的设备装在钻头的后面，当钻头进行钻孔时，设备就会对钻头的行驶轨迹进行测量。当钻孔完成之后，钻头退出来就可以对钻孔的轨迹进行现场观察。这种方式在工作过程中不影响钻孔的进度，有助于提高工作效率。

3.1 随钻钻孔轨迹测量装备

随钻钻孔轨迹测量的专用设备是YCSZ 矿用钻孔轨迹仪，它主要是由控制器和碳管配套两部分组成，通过对控制器和碳管进行连接，来实现两者之间时间的同步和数据的传输。随钻钻孔轨迹测量技术在应用过程中主要是对煤矿井下钻孔轨迹的测量，利用该技术可以进行数据采集、处理、存储等，并进行数据和图形的实时显示。

3.2 随钻钻孔轨迹测量技术应用实例

某地区某煤矿在进行瓦斯抽放钻孔的测量时，应用随钻钻孔轨迹测量技术对其进行测量。由于该煤矿是高瓦斯突出矿井，为了提高作业的安全性，需要在工作面上进行钻孔做瓦斯抽放，因此在工作面上每隔1m 就要进行钻孔，当距离底版还有1.5m 高的时候，利用随钻钻孔轨道测量技术度其中任意一个孔进行轨道测量。测量结果：最深测点为143m，设计倾角为-5°，实际倾角为-10.16°，设计方位角为90°，实际方位角为99.67°，水平偏移距离为9.258m，垂直偏离距离为5.772m。

测量的数据显示，实际钻孔轨迹与设计的轨迹存在较大的偏离，当深度达到143m 时，钻孔的水平偏移最大达到9.258m，垂直方向偏移最大达到了5.772m，因此该钻孔没有达到相应的设计要求。由于本次钻孔是为了进行瓦斯抽放，因此在钻孔时应该形成辐射状，保障抽放面积。但是在实际的轨迹中都是集中在一个方向，并没有达到相应的设计目的，因此要对其采取补充钻孔来进行整改，扩大抽放面积，保证生产的安全性。如果没有对钻的孔进行测量，在操作过程中出现这么大的偏差时是人为无法预知的。

4 无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术

无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术是采用电磁波信号传输，利用钻杆来实现与接地线之间电势回路的形成，在利用地层进行传输，使其在孔口处实现接收。现阶段，这项技术主要应用在定向钻机上。该项技术的应用改变了传统定向钻机需要依赖通览钻杆才能进行测量系统数据传输的弊端。该技术在操作过程中只需要利用普通钻杆就可以实现数据传输，因此降低了定向钻机打钻的成本，并且该项技术可以实时显示钻孔的轨迹，同时在钻孔过程中，可以通过对工具面向角的调整来改变钻孔的轨迹。而实时显示的数据又可以帮助工作人员及时对钻孔进行位置和方法的修正，很大程度上提高了钻孔的质量。另外，还可以对钻孔的质量进行实时监测，减少后续的检测工作，在一定程度上节省了人力和物力，因此该项技术在钻孔过程中可以提高工作效率和经济效益。

4.1 无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术的测量方法

通过仪器将测量的孔底参数测量信号利用低频电磁波载波信号向四周进行发射，电磁波通过地层传感传输到孔口，在孔口处利用检波器对电磁波信号进行接收和检测，并对检测到的电磁波进行解码、计算，得到实际的轨迹测量数据。该项技术主要是在施工过程中对钻孔倾角、方向角、工具面角等数据进行监测和实时显示，方便施工人员实时掌握钻孔情况，还可以通过对相关参数的调整，使钻孔最大可能得按照设计的轨迹进行延伸。

4.2 无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术的优点

无线电磁波随钻钻孔轨迹测量技术具有如下优点：首先，能对孔底参数和钻孔轨迹进行准确测量；其次，传输速度快，可以帮助技术人员迅速做出正确的决策；再次，对参数信息和位置信息进行实时显示，同时还可以实时修正钻孔参数；最后，该方式不受形态的限制，在液体、气体中都可以对钻孔的轨迹进行信号传输。

5 结束语

综上所述，文章所探讨的三种钻孔轨迹测量技术在实际测量过程中是应用比较广泛的，且不难发现，随着科学技术的进步，钻孔轨道测量技术也在不断的融合新技术来提高其轨道测量的准确性，保证作业的安全性。但现阶段，我国的钻孔轨道测量技术还需要不断地进行提高和创新，以减少实际钻孔与设计钻孔轨道之间的偏差，使其能够更好地为煤矿作业的安全性提供保障，同时带来更高工作效率和经济效率，促进煤矿行业安全、平稳发展。