基于钻孔轨迹精确测量的瓦斯抽采钻孔群空白带控制技术

张 军，王霄菲，王小龙

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤与瓦斯突出灾害严重影响矿井安全生产。发生煤与瓦斯突出灾害，将对矿井及社会产生极其严重的负面影响。防治煤与瓦斯突出灾害是煤矿需要研究的重要课题。煤层瓦斯预抽是防治煤与瓦斯突出的主要措施，煤层瓦斯预抽主要方法是打钻孔预抽煤层中的瓦斯。影响煤层瓦斯预抽效果的因素主要有钻孔成孔情况、钻孔分布、封孔效果等，其中因为钻孔施工不到位而留有空白带会给煤层瓦斯消突工作带来隐患。刘军[1]等研究了抽采时间、钻孔间距和瓦斯抽采有效影响半径的关系；李克松[2]等研制了回转钻孔轨迹测量系统，通过计算得到实际钻孔轨迹；徐青伟[3]等对钻孔布置方式进行调整，利用“三花眼”布孔方式与缩短抽采钻孔间距布孔方式；董洪凯[4]建立了煤层流-固耦合模拟方程，通过对模拟结果分析确定了抽采空白带范围；向真才[5]对钻孔随钻轨迹进行分析，分析了顺层抽采钻孔空白带情况；李鹏[6]测定预抽钻孔的成孔轨迹，确定钻孔在不同方向上的偏斜量；李普[7]等研究了典型穿层钻孔间抽采空白带的存在形式；高珺[8]等进行随钻测量数据声波传输的研究；石智军[9]等提出了在实现自动化定向钻探的基础上向智能化定向钻探迈进的发展路径；王鹏[10]研究了工作面空白带注水孔高压注水后可保证工作面安全高效回采；陈睿[11]研发了可根据工程平面图模拟煤层真实赋存状态，并对抽采钻孔布孔合理性进行智能评判的系统。通过钻孔开孔分布以及轨迹测量技术的研究，对改善钻孔覆盖空白带起到了一定的作用，但针对这方面的研究还不够深入。分析认为需要从钻孔施工全过程做起，充分掌握钻孔施工中的各种数据参数，主要包括钻孔开孔倾角、方位角，钻孔钻进过程中的钻孔轨迹，见煤层位置、出煤层位置等。为此，通过对钻孔各项参数的测量，分析钻孔覆盖区域与范围，减小钻孔覆盖空白带，提高钻场后续施工设计效果，同时提高瓦斯预抽采效果。

1 抽采空白带产生的因素

造成钻孔空白带主要有2个方面的原因：

1）抽采钻孔间距过大，钻孔工程量不足，影响抽采效果。通过不同间距预抽钻孔的现场测试，对试验钻孔进行数据分析，以分析结果与瓦斯抽采数据作为依据，对预抽钻孔布孔方式进行研究。文献［1］、文献［3］等在这方面都做过相关研究，并在实践生产中得到了广泛应用。

2）造成瓦斯抽采钻孔空白带的另一个主要因素，是钻孔施工过程中，钻孔轨迹因地层环境等因素影响产生弯曲，将会在煤层中造成抽采空白带，无法按照设计轨迹进入煤层，影响煤层瓦斯抽采效果。针对这方面的影响的研究较少，这里将对这方面的技术进行重点分析。

2 钻孔轨迹测量技术

钻孔轨迹测量技术主要由钻孔开孔精确测量技术和钻孔轨迹随钻测量技术组成。钻孔开孔精确测量技术主要是由光纤陀螺、MEMS陀螺及相关电路组成；钻孔轨迹随钻测量技术主要由钻孔测量硬件，数据计算及三维显示软件组成。

2.1 钻孔轨迹精确测量技术

钻孔轨迹精确测量系统主要包括钻机开孔姿态精确测量与钻孔轨迹精确测量。钻孔开孔姿态精确测量使用光纤陀螺作为测量传感器，可以随着钻机姿态变化实时精确测量钻孔开孔倾角与方位角，保证钻机开孔姿态准确。钻孔轨迹测量可随钻测量钻孔轨迹，也可以成孔后进行钻孔轨迹测量，测量完成后可计算钻孔轨迹数据，绘制钻孔轨迹二维、三维图。通过对钻机开孔姿态的实时精确测量与钻孔轨迹的测量，可以精准掌握钻孔的延伸变化情况。

钻机开孔定向技术主要是采用光纤陀螺的寻北系统。它为整个方案提供方位基准，寻北精度决定了装备的整体精度。系统采用滤波的数据处理方法减小光纤陀螺的随机漂移误差，完成不同条件下系统寻北的精度。

倾角和真方位角是钻机开孔定向的关键参数。寻北系统采用高精度单轴光纤陀螺进行寻北，得到倾角、方位角的初始基准。寻北方法因具有结构简单、实现方便、寻北速度快等优点而得到了广泛应用。在寻北完成后采用三轴MEMS陀螺和MEMS加速度计组合进行姿态动态跟踪。施工时，根据设计的方位角和倾斜角，将定向仪放置在钻场附近的水平处，进行寻北；寻北完成后，将定向仪放置在钻机导轨处，在调整钻机姿态的同时会实时显示当前钻机倾角和方位角，直至钻机达到设计角度。

在钻机完成开孔后，钻机钻进过程中可以进行随钻轨迹的测量，也可以在钻孔钻进完成后进行钻孔轨迹的测量。测量完成后对测量的钻孔倾角、方位角、钻孔深度数据进行计算。钻孔轨迹计算是对钻孔轨迹测量数据和钻孔水压监测数据进行深层处理，主要用于确定钻孔轨迹的管理。计算通过均角全距法将测量的数据转化为钻孔轨迹的三维空间坐标。具体算法是利用公式:

式中：x为水平方向（前后）位移；y为左右位移；z为上下位移；△Li为第i个测段的长度；βi为第i个测点的倾角；αi为第i个测点的方位角；α0为钻孔主设计方位角。

根据轨迹计算获得的钻孔轨迹数据绘制各个钻孔的轨迹图，包括相对于钻孔坐标系的左右偏差轨迹图、上下偏差轨迹图以及相对于地理坐标系的左右偏差轨迹图、上下偏差轨迹图。

2.2 钻孔轨迹三维坐标计算与显示

三维坐标转换实现钻孔坐标到钻场坐标的转换，实现了钻孔的三维建模和三维显示。针对钻场或巷道中所有钻孔，先在钻场或巷道中规定1个基准零点，给定每个钻孔起点相对于钻场基准点的三维坐标值，通过三维坐标转换将钻孔坐标转换为钻场坐标。根据钻孔施工记录给定钻孔见煤深度、出煤深度，同时可以确定钻孔见煤点三维坐标和出煤点三维坐标。

在计算钻孔轨迹在空间的三维坐标后，采用三维建模及显示软件可以显示钻孔轨迹在空间中的分布情况。通过钻孔轨迹的三维空间展示，可以改善传统钻孔轨迹二维平面显示的弊端，更加直观的展示钻孔轨迹在三维空间的分布。通过钻孔轨迹的空间分布分析钻孔瓦斯抽采覆盖区域，指导后续钻孔施工，合理简化钻孔轨迹覆盖区域描述，直观表示钻孔瓦斯抽采覆盖区域。钻孔设计轨迹图如图1。

图1 钻孔设计轨迹图Fig.1 Trajectory diagram of drilling design

由图1（a）可以看出，二维钻孔轨迹设计可以由平面观察钻孔轨迹与钻场相对位置。由图1（b）可以看出，钻孔三维轨迹图可以显示巷道、钻场、钻孔轨迹、煤层等与钻孔相关的信息。其中钻孔轨迹显示包括设计钻孔轨迹显示和实钻钻孔轨迹显示2部分。三维显示可以直观显示钻孔的轨迹以及钻孔穿过煤层的见煤点与出煤点。采用将钻孔进煤点与出煤点及钻孔瓦斯抽采覆盖区域由三维空间投影到水平面的方法，定量描述钻孔覆盖范围。通过设计钻孔覆盖区域和实钻钻孔覆盖区域的对比，确定钻孔瓦斯抽采空白带的位置及大小。

2.3 钻孔偏移规律

瓦斯抽采钻孔关注钻孔进入煤层的位置、钻孔穿出煤层的位置、钻孔在煤层中覆盖的区域。只有掌握了钻孔的数据参数，才能了解是否存在钻孔覆盖空白带及空白带位置，指导后续钻孔施工。在钻孔施工中，钻孔轨迹在受到岩层地质条件、煤层分布、钻杆自重及钻进参数等多种因素的影响下，实钻轨迹总是偏离设计轨迹。这样就会在煤层中产生钻孔覆盖空白带，影响瓦斯抽采效果。需要根据已有实钻轨迹与钻孔设计参数找到钻孔偏移的整体规律，在后续钻孔施工中根据偏移规律重新设计钻孔开孔倾角及方位角，使得钻孔实际轨迹的落点尽可能处于钻孔瓦斯抽采空白带内。

钻孔轨迹偏移规律分析需要考虑岩层性质、钻机类型、钻进压力等诸多因素。在同一钻场，相同钻机、相同钻进参数的情况下，钻孔偏移规律的统计则主要考虑不同钻孔倾角、方位角的偏移规律。首先对钻场钻孔按照倾角、方位角进行分类，分类原则是倾角、方位角相近的钻孔归为一类进行偏移规律分析。钻孔偏移规律统计主要依据钻孔开孔倾角、方位角参数，通过钻孔全孔各个测点倾角、方位角与开孔倾角、方位角进行对比计算，统计得到钻孔偏移规律。钻孔偏移计算方法示意图如图2。

图2 钻孔偏移计算方法示意图Fig.2 Sketch map of borehole migration calculation method

钻孔轨迹偏移计算方法是对钻孔轨迹测量数据的深层处理，主要用于确定钻孔轨迹的延伸方向与实际见煤位置、出煤位置。通过实测钻孔每个测点的倾角或方位角数据与开孔倾角或方位角数据进行对比，从而计算任意测点位置与开孔倾角或方位角之间的变化量。具体计算如下：

式中：θ′为钻孔实测倾角或方位角与开孔倾角或方位角之间的偏差；θ1、θ2、…、θn为钻孔轨迹实测倾角或方位角；θ为钻孔开孔倾角或方位角。

根据钻孔轨迹以及钻孔轨迹在煤层中的分布情况，总结钻孔偏移规律。具体包括分析开孔倾角偏差，开孔方位角偏差，实钻轨迹偏差，见煤点位置偏差，出煤点位置偏差等，统计各种偏差大小及分布，给出钻孔偏移特性及规律。以开孔倾角范围在50°～55°之间为例统计轨迹偏差。

通过统计结果发现，钻孔钻进过程中存在倾角沿钻孔钻进方向向更大倾角延伸，即钻孔越深，钻孔倾角越大。通过对其他不同大小钻孔倾角分析，也存在这样的现象。同时存在钻孔沿钻孔钻进方向向右延伸，即钻孔越深，钻孔轨迹越向右偏。

根据钻孔偏移特性，修改后续钻孔设计，确定后续钻孔或补充钻孔的开孔倾角及方位角，使得在岩层地质条件、煤层分布、钻杆自重及钻进参数等多种因素不变的情况下，钻孔在煤层进出点的位置尽可能与设计位置一致，达到控制与消除瓦斯抽采空白带的目的。

3 应用实例

淮北矿业某矿为治理瓦斯灾害，在井下施工大量底抽巷道穿层钻孔。底抽巷瓦斯抽采钻孔是由底抽巷顶板或侧帮向上施工穿层钻孔，使钻孔穿过上方煤层中预掘巷道附近位置，预先抽采煤层中预掘巷道周围的瓦斯。采用钻孔数据处理与三维显示软件对该矿钻孔进行了数据处理。底抽巷位于煤层底板下约30～70m位置，各钻场瓦斯穿层钻孔开孔轴向间距0.5m，列间距0.5m；见煤点轴向间距5m，列间距5m。二维轨迹设计图如图3。钻孔轨迹与煤层三维显示图如图4。由图4可以看出，钻场、煤层以及与实际钻孔轨迹的相对位置关系。

图3 二维轨迹设计图Fig.32 D trajectory design

图4 钻孔轨迹与煤层三维显示图Fig.43 D display of borehole track and coal seam roof and floor

根据该矿实际抽采经验，钻孔瓦斯抽采覆盖区域为钻孔周围半径2.5m的范围以内。为保证预掘巷道周围区域瓦斯抽采的全覆盖，通常钻孔设计将钻孔在煤层预掘进巷道附近的落点设置为等间距，钻孔进出煤层的落点其行列间距均为5m左右。虽然设计轨迹实现了钻孔瓦斯抽采全覆盖，但由于前述多种因素的影响，钻孔实钻轨迹往往偏离设计轨迹，使得钻孔瓦斯抽采不能实现全区域覆盖，从而出现了钻孔覆盖空白带，导致部分区域瓦斯未能抽采泄压存在安全风险。

钻孔覆盖区空白带分析就是基于钻孔轨迹偏移规律计算与统计，根据已测钻孔轨迹偏移规律，设计未钻进钻孔开孔倾角、方位角等参数，减小、控制钻孔覆盖空白带，提高瓦斯抽采效果。

采用钻孔数据处理与三维显示软件对钻场设计钻孔覆盖区域、实钻钻孔覆盖区域及补充钻孔后的覆盖区域进行了显示与评价，实钻钻孔覆盖区域如图5。

图5 实钻钻孔覆盖区域Fig.5 Drill holes coverage area

由图5可以看出，钻孔施工完成后仍有部分区域存在空白带（红圈处）。通过实钻钻孔轨迹的三维显示和对实钻钻孔偏移规律的分析，可以更加合理地设计钻孔开孔参数，控制钻孔的覆盖区域，利用开孔精准测量技术和钻孔轨迹测量技术对钻场进行补充钻孔施工，提高了钻孔瓦斯抽采覆盖范围，消除钻孔瓦斯抽采空白带，提高了瓦斯抽采效果。

4 结 语

1）开发了钻孔轨迹数据处理与三维显示软件，软件具有钻孔数据处理、三维显示、钻孔偏移规律分析等功能，可实现对钻孔轨迹数据、钻孔偏移特性的分析。

2）解决了钻场、巷道、煤层、预掘进巷道、钻孔轨迹群的三维显示，直观显示钻孔轨迹与煤层的三维空间位置关系。通过对钻孔偏移规律的分析，提高了钻孔施工效果，减少了钻孔覆盖空白带。为钻孔瓦斯抽采空白带的定量评价提供了方法与指标，能指导后续钻孔轨迹设计与施工。

3）钻孔轨迹偏移规律数据分析与三维显示软件为钻孔群数据可视化、标准化提供了一个良好的工具和平台。数据计算与三维显示功能全面、操作简单，可使钻孔施工人员更加全面掌握钻孔信息。