王小龍,趙 亮,張 軍
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
為消除及減輕煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn),目前煤礦井下普遍采用鉆機(jī)施工瓦斯抽放孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,通過預(yù)抽采瓦斯降低煤層中的瓦斯壓力煤礦井下鉆孔施工方式有定向鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。定向鉆進(jìn)技術(shù)由于鉆孔軌跡可調(diào)可控,在煤礦井下取得了良好的應(yīng)用效果,但其價(jià)格昂貴、施工工藝復(fù)雜,所以煤礦井下大部分鉆孔仍采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工方式[1-9]。
在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工中,通常采用隨鉆軌跡儀進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量。隨鉆軌跡儀在鉆進(jìn)停止過程中進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量,將采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)保存在測(cè)量探管內(nèi),鉆進(jìn)完成提鉆后導(dǎo)出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),經(jīng)過處理得到鉆孔軌跡。由于隨鉆軌跡儀測(cè)量效率高、操作簡(jiǎn)單,在煤礦井下得到廣泛的應(yīng)用。但其不足之處也很明顯,隨鉆軌跡儀所成的上下偏差及左右偏差圖是二維圖形,無法直觀反映鉆孔軌跡在三維空間中的形態(tài),隨鉆軌跡儀只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)鉆孔的軌跡圖,無法顯示多個(gè)鉆孔軌跡的位置關(guān)系,隨鉆軌跡儀的數(shù)未能實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫瑹o法及時(shí)指導(dǎo)后續(xù)鉆孔施工,此外由于煤礦井下鉆進(jìn)施工按鉆進(jìn)深度進(jìn)行工程結(jié)算,導(dǎo)致鉆孔深度的測(cè)量存在人為錯(cuò)誤的因素,目前僅依靠隨鉆軌跡測(cè)量?jī)x器無法解決人為作弊、謊報(bào)誤報(bào)鉆孔深度的問題。
針對(duì)煤礦井下鉆孔群軌跡測(cè)量的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)開發(fā)了煤礦井下鉆孔群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用水壓傳感器監(jiān)測(cè)鉆孔施工過程中鉆桿內(nèi)水壓的變化情況,結(jié)合隨鉆軌跡儀的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判定鉆孔深度,消除了鉆孔深度的人為錯(cuò)誤,借助已有的井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)從井下鉆場(chǎng)到地面監(jiān)控站的實(shí)時(shí)傳輸,利用自主開發(fā)的全數(shù)據(jù)分析法鉆孔群數(shù)據(jù)處理軟件,完成鉆場(chǎng)煤巖界面、煤層厚度與走向及鉆孔群軌跡等的三維顯示。該鉆孔群軌跡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為確定鉆進(jìn)盲區(qū),指導(dǎo)鉆孔施工提供了直觀且科學(xué)的依據(jù)。
鉆孔群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸通道及數(shù)據(jù)分析處理軟件3部分組成,鉆孔群在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1。
采用YZG7隨鉆軌跡儀作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)出,借助接入井下光纖環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸終端將軌跡數(shù)據(jù)上傳到地面計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)上的鉆孔群數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、成圖及顯示。YZG7隨鉆軌跡儀包括孔口顯示控制器與鉆孔測(cè)量探管。鉆孔測(cè)量探管測(cè)量鉆孔的傾角、方位角、工具面向角等空間姿態(tài)參數(shù),鉆孔施工完成起鉆后,連接孔口顯示控制器與鉆孔測(cè)量探管,進(jìn)行數(shù)據(jù)同步后,將鉆孔測(cè)量探管的姿態(tài)數(shù)據(jù)上傳到孔口顯示控制器中。通過RS485接口將孔口顯示控制器姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到井下數(shù)據(jù)傳輸終端,數(shù)據(jù)傳輸終端通過井下光纖環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到地面計(jì)算機(jī),使用鉆孔群軌跡數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示,包括對(duì)鉆場(chǎng)軌跡群進(jìn)行三維可視化顯示,根據(jù)鉆孔軌跡群的偏移特性,給出后續(xù)補(bǔ)充鉆孔施工的指導(dǎo)軌跡。
在鉆桿尾部的水辮上安裝水壓探頭,該水壓探頭接入壓力傳感器,每間隔6 s采集1次鉆桿內(nèi)水壓數(shù)據(jù),結(jié)合鉆孔姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。采用水壓傳感器測(cè)量鉆孔中靜水壓力數(shù)據(jù)及當(dāng)前鉆孔傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算獲得當(dāng)前鉆孔深度值[10]。
式中:H為鉆孔深度;p為靜水壓力;ρ為水的密度;g為重力加速度;θ為鉆孔傾角。
獲得鉆孔深度并進(jìn)行保存、輸出。在計(jì)算鉆孔深度時(shí)需要提前給定鉆機(jī)的供水密度值,供水密度值可通過檢測(cè)的方式獲得,煤礦井下通常采用清水給鉆機(jī)供水,供水密度值取1。采用這樣方法有效避免了鉆孔施工人員對(duì)鉆孔深度的謊報(bào)和誤報(bào)。
井下鉆孔水壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖如圖2,從圖2中可提取出靜水壓力數(shù)據(jù),圖中壓力數(shù)據(jù)與虛線相交的點(diǎn)即為靜水壓力數(shù)據(jù)。靜水壓力就是當(dāng)鉆機(jī)停泵卸掉鉆機(jī)水辮之前,所測(cè)量的鉆桿內(nèi)水的瞬時(shí)壓力,在每鉆進(jìn)1根鉆桿后測(cè)量該鉆桿的靜水壓力,整個(gè)鉆孔鉆進(jìn)完成之后,再提取每根鉆桿上的靜水壓力數(shù)據(jù)。
圖2 井下鉆孔水壓數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Measured data of water pressure in borehole
鉆孔姿態(tài)數(shù)據(jù)采用均角全距法進(jìn)行軌跡計(jì)算。通過式(2)~式(4)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的水平位移x,左右位移y及上下位移z。
式中:βi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角;αi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角;α0為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角;△Li為第i個(gè)測(cè)段的長(zhǎng)度。
在獲得水平位移x,左右位移y及上下位移z后即可繪制鉆孔軌跡。
1)YZG7隨鉆軌跡儀。YZG7隨鉆軌跡儀測(cè)量探管由相互正交的三軸磁感應(yīng)傳感器及三軸重力加速度傳感器,信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器STM32F103、電源電路及鋰離子電池組等組成。微控制器將接收到地磁場(chǎng)分量和重力加速度分量解算為鉆孔姿態(tài)參數(shù)的傾角、方位角和工具面向角。YZG7隨鉆軌跡儀孔口顯示控制器數(shù)據(jù)采集軟件主要實(shí)現(xiàn):定時(shí)同步、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)出XML文件格式的測(cè)量數(shù)據(jù)、軌跡計(jì)算等功能。
2)KJ117數(shù)據(jù)傳輸終端。KJ117數(shù)據(jù)發(fā)送終端由數(shù)據(jù)通信模塊和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊組成,當(dāng)數(shù)據(jù)通信模塊通過RS485模塊接收到孔口顯示控制器的鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù),將其自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊,以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送入井下光纖環(huán)網(wǎng),地面KJ117數(shù)據(jù)接收終端將接收到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī),利用基于全數(shù)據(jù)分析法的數(shù)據(jù)處理軟件就可接收到井下上傳的鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)。
基于全數(shù)據(jù)分析法的處理方法包括:①地磁偏角計(jì)算:實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)中磁方位角到正方位角的轉(zhuǎn)換;②數(shù)據(jù)校準(zhǔn):采用七點(diǎn)平滑法抑制奇異點(diǎn),使得軌跡曲線更為圓滑;③軌跡數(shù)據(jù)提?。簭拇罅康臏y(cè)量數(shù)據(jù)中,提取停鉆時(shí)測(cè)量的有效姿態(tài)數(shù)據(jù),用于軌跡計(jì)算;④水壓數(shù)據(jù)提?。簭倪B續(xù)監(jiān)測(cè)的巨量數(shù)據(jù)中,提取不同深度的靜水壓力數(shù)據(jù),結(jié)合不同深度上的傾角數(shù)據(jù),計(jì)算鉆孔深度;⑤三維建模:采用Voxler軟件對(duì)鉆孔群軌跡實(shí)現(xiàn)三維建模,根據(jù)打鉆記錄繪制煤巖界面等;⑥鉆孔群三維顯示:圈定鉆進(jìn)盲區(qū),給出后續(xù)鉆進(jìn)施工的指導(dǎo)軌跡?;谌珨?shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件主界面如圖3。
圖3 基于全數(shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件主界面Fig.3 Main interface of borehole trajectory data processing software based on full data analysis
淮北礦業(yè)某煤礦為治理瓦斯災(zāi)害,在井下施工大量穿層鉆孔、順層鉆孔及高位鉆孔等。由于采用普通測(cè)斜儀進(jìn)行施工無法實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)斜,測(cè)量工序多,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,測(cè)量數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)上傳到地面進(jìn)行分析處理與三維顯示,無法對(duì)實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)軌跡直觀比對(duì),且孔深依靠人工計(jì)錄鉆桿數(shù)量,存在鉆孔深度造假的可能。為此,采用煤礦井下鉆孔群軌跡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并對(duì)底抽巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔施工進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理。巷道位于10煤層底板下約15~25 m,煤層底板下方位為灰?guī)r層,為鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)條帶預(yù)抽瓦斯穿層鉆孔80個(gè),軸向間距5 m,列間距5 m,鉆孔終孔穿過10煤層頂板約3 m。鉆場(chǎng)實(shí)際共施工穿層孔76個(gè),后補(bǔ)充鉆孔37個(gè),共計(jì)施工113個(gè)鉆孔。鉆孔群軌跡及煤層底板曲面如圖4,實(shí)測(cè)煤層頂?shù)装迮c設(shè)計(jì)煤層頂?shù)装宓膶?duì)比如圖5。
圖4 鉆孔群軌跡及煤層底板曲面Fig.4 Drilling group track and seam floor surface
圖5 實(shí)測(cè)煤層頂?shù)装迮c設(shè)計(jì)煤層頂?shù)装宓膶?duì)比Fig.5 The comparison between the roof and floor of coal seam and the designed roof and floor
圖4是基于全數(shù)據(jù)分析法的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)鉆孔群軌跡的三維成圖。其中各條黑色曲線是各個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)軌跡,測(cè)試軌跡與灰色曲面相交的點(diǎn)為記錄的見煤點(diǎn)。灰色曲面是由鉆孔見煤點(diǎn)構(gòu)成的煤層底板曲面。
圖5給出設(shè)計(jì)的煤層與根據(jù)定位鉆孔實(shí)測(cè)軌跡確定的煤層的對(duì)比。其中灰色條帶部分為設(shè)計(jì)煤層的位置和結(jié)構(gòu),灰色條帶上方的大塊起伏區(qū)域?yàn)閷?shí)測(cè)的煤層結(jié)構(gòu)和走向,其中間隔的白色小柱體為定位鉆孔穿過煤層的孔段??梢钥吹皆O(shè)計(jì)煤層和實(shí)測(cè)煤層相差較大,實(shí)測(cè)的煤層位置與結(jié)構(gòu)反映了煤層的真實(shí)賦存情況。
針對(duì)現(xiàn)有的鉆孔測(cè)量無法實(shí)現(xiàn)鉆孔群軌跡顯示、對(duì)打鉆工作指導(dǎo)性不強(qiáng)的缺陷,開發(fā)了煤礦井下鉆孔群軌跡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)井下鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)上傳以及鉆場(chǎng)鉆孔群軌跡、煤層頂?shù)装宓娜S顯示,能夠給定鉆孔群軌跡覆蓋區(qū)域及終孔落點(diǎn),準(zhǔn)確判定鉆進(jìn)盲區(qū),為補(bǔ)充治災(zāi)工程提供及時(shí)、有效的科學(xué)依據(jù)。