張 軍，雷曉榮，王信文

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

近年來，隨鉆測量技術[1-3]逐漸成為煤礦井下鉆孔施工的有效技術手段，并應用于煤礦探放水、瓦斯治理、地質勘探等領域[4-7]。隨著鉆進技術的發(fā)展，礦井鉆孔施工對隨鉆測量系統(tǒng)提出越來越高的要求[8-9]，但煤礦井下鉆探領域現(xiàn)有的測量顯示軟件或監(jiān)控軟件仍存在以下幾點主要問題。軌跡數(shù)據(jù)和工況參數(shù)都不能及時傳輸?shù)降孛妫斯y帶數(shù)據(jù)的方式導致施工效率低；目前的區(qū)域鉆孔空間布置效果評價只是針對單孔采集的數(shù)據(jù)上圖到CAD平面圖和剖面圖后通過人工分析的方法評價，做不到三維顯示煤層走勢和空間孔群分布直觀顯示；未見有效的鉆孔施工質量綜合評價方法；計算機輔助設計定向鉆孔等技術手段覆蓋面小，使得復雜地層鉆探和深部鉆探鉆孔軌跡監(jiān)控優(yōu)化設計涉及到巨量計算，使設計過程更加繁瑣，導致設計效率低、精度差。目前隨鉆測量系統(tǒng)存在的主要問題是，數(shù)據(jù)處理方式簡單，數(shù)據(jù)處理的過程主要是將深度、傾角、方位角數(shù)據(jù)通過計算轉換為鉆孔二維軌跡數(shù)據(jù)，繪制簡單的鉆孔二維偏差圖，這樣的數(shù)據(jù)處理結果及成果顯示方式很難直觀再現(xiàn)鉆孔在三維空間的分布情況。在數(shù)據(jù)計算中也沒有對原始數(shù)據(jù)校正的模塊，導致計算誤差較大。數(shù)據(jù)處理中也沒有能夠與其他成圖顯示軟件進行結合的模塊，不利于煤礦有效的利用數(shù)據(jù)處理成果。因此，需要針對以上問題提供能夠預測與控制軌跡；能夠快速地傳輸與處理鉆孔數(shù)據(jù)；能夠在三維空間展示鉆孔的孔群分布并實現(xiàn)煤層頂?shù)装迤鸱兓厔莶㈩A警錯誤數(shù)據(jù)；實現(xiàn)鉆頭姿態(tài)參數(shù)、鉆孔深度和工況參數(shù)的準確監(jiān)測和甄別；全數(shù)據(jù)分析法實現(xiàn)鉆孔施工質量評價；實現(xiàn)區(qū)域鉆孔空間布置效果評價，指導鉆孔施工的科學事實；能夠進行多數(shù)據(jù)信息融合[10-12]的技術方法。

根據(jù)鉆孔測量數(shù)據(jù)處理的需求設計了軟件功能模塊[13]，基于C#語言與SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺設計數(shù)據(jù)處理軟件[14-16]，軟件可以實現(xiàn)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)的實時傳輸、數(shù)據(jù)處理成圖、數(shù)據(jù)CAD成圖、鉆孔質量評價、鉆孔軌跡三維顯示等功能。目前，煤礦井下的隨鉆測量軟件數(shù)據(jù)處理功能簡單，不具備數(shù)據(jù)的實時傳輸、鉆孔質量評價、鉆孔軌跡三維顯示等功能，無法實現(xiàn)鉆孔施工信息與鉆機相關參數(shù)信息的融合。開發(fā)出的隨鉆測量數(shù)據(jù)處理軟件具有操作簡便、功能全面、顯示效果好等特點，可完成實時傳輸與處理鉆孔數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理成圖、數(shù)據(jù)CAD成圖、鉆孔質量評價、鉆孔軌跡三維顯示、鉆孔群數(shù)據(jù)庫管理等，為優(yōu)化鉆孔施工提供技術支撐。

1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設計

1.1 軟件整體設計

礦井隨鉆測量系統(tǒng)主要由鉆機、測量探管、顯示監(jiān)視器等組成[17-20]，鑒于鉆孔鉆探的需求，隨鉆測量數(shù)據(jù)處理軟件設計研發(fā)了3個主要功能模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和三維顯示模塊，如圖1所示。其中隨鉆測量模塊包含鉆孔軌跡設計、數(shù)據(jù)管理及操作、數(shù)據(jù)實時傳輸、鉆孔測量數(shù)據(jù)處理、鉆孔軌跡數(shù)據(jù)質量評價、鉆孔深度計算、鉆孔測量數(shù)據(jù)管理、鉆孔軌跡三維數(shù)據(jù)顯示、鉆場孔群數(shù)據(jù)三維顯示，重點是數(shù)據(jù)實時傳輸、鉆孔深度計算及鉆場孔群數(shù)據(jù)的三維顯示[21-23]。

圖1 礦井隨鉆測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)示意

鉆孔數(shù)據(jù)的處理是對鉆孔軌跡進行深層次的數(shù)據(jù)挖掘，將抽象的鉆孔施工進行形象化的實體呈現(xiàn)，便于鉆孔現(xiàn)場施工，在鉆孔數(shù)據(jù)處理中主要包括鉆孔軌跡設計與預測、鉆孔數(shù)據(jù)庫管理、孔群三維顯示等功能。

1.2 鉆井隨鉆測量關鍵技術

1)實時數(shù)據(jù)通信技術。通常隨鉆測量數(shù)據(jù)只有在鉆孔鉆進完成后，數(shù)據(jù)在地面進行處理并成圖，這樣降低了鉆孔數(shù)據(jù)為鉆孔施工的服務效率，如果可以在鉆進完成后第一時間了解鉆孔軌跡情況，便可有效地為鉆孔提供有效的設計數(shù)據(jù)。針對這樣的問題，研究了鉆孔數(shù)據(jù)實時傳輸方法，可以實現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)實時傳輸至地面并進行成圖分析，提供下一步鉆探建議。

2)鉆孔綜合參數(shù)監(jiān)測。在定向鉆進的施工過程中，為獲取有效的鉆孔數(shù)據(jù)，需要對鉆孔數(shù)據(jù)進行全面的掌握與分析，不僅對鉆孔軌跡數(shù)據(jù)需要掌握，同時需要了解鉆機給進壓力、鉆進與退鉆狀態(tài)等，這樣才可以全面掌握鉆機施工狀態(tài)及鉆孔質量。將鉆探人工的經(jīng)驗數(shù)據(jù)化、信息化，分析鉆機施工全程參數(shù)與鉆孔軌跡、鉆孔深度、鉆孔分析等之間的關系顯得尤為重要。

3)鉆孔軌跡三維顯示。目前的隨鉆測量軟件主要關注鉆孔數(shù)據(jù)，但是在鉆孔軌跡三維可視化顯示中的研究稍顯不足。在鉆進施工完成后，只有將鉆孔軌跡及鉆孔群數(shù)據(jù)有效、直觀的顯示，才能達到鉆探施工的目的，才能更好地指導施工。

2 數(shù)據(jù)處理軟件功能

2.1 鉆孔軌跡坐標計算方法

以開孔數(shù)據(jù)作為起點，以第一組鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)為當前組，計算出當前組與起點數(shù)據(jù)的傾角平均值、傾角差、坐標方位角平均值、坐標方位角差和孔深差，并依據(jù)最小曲率法計算出當前組相對于起點的東西偏差、南北偏差和垂直偏差，最終得出當前組的東西坐標、南北坐標和垂直標高，以當前組為起點，以下一組鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)為當前組，依次計算出所有測量數(shù)據(jù)對應的東西坐標、南北坐標和垂直標高。

2.2 基于藍牙與WIFI的數(shù)據(jù)傳輸

藍牙與WIFI是數(shù)據(jù)交互的主要接口，被廣泛應用于工業(yè)儀器監(jiān)測中。由于考慮到不同礦井鉆場數(shù)據(jù)信號接入方式不同，采用藍牙與WIFI相結合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)能夠及時進行實時傳輸。鉆孔數(shù)據(jù)在測量完成后通過網(wǎng)絡實時傳輸至地面數(shù)據(jù)處理中心，隨鉆測量數(shù)據(jù)處理軟件通過網(wǎng)絡接收來自井下的鉆孔測量數(shù)據(jù)。結合隨鉆測量產(chǎn)品的特點，設置專用的通信方式，其數(shù)據(jù)通信軟件界面如圖2所示。

圖2 鉆孔測量數(shù)據(jù)實時傳輸模塊

鉆孔測量數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡通信過程如下：①確認探管、顯示控制器、網(wǎng)絡信號連接均正常；②新建鉆場及鉆孔信息；③輸入鉆孔開孔信息；④設置鉆進參數(shù)；⑤在鉆孔測量完成之后將鉆孔數(shù)據(jù)通過藍牙或WIFI信號實時傳輸至地面，地面通過數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)的接收機后續(xù)的處理。鉆孔測量及數(shù)據(jù)通信流程，如圖3所示。

圖3 隨鉆測量操作流程

軟件中數(shù)據(jù)處理模塊接收井下采集的原始數(shù)據(jù)，并將接收的原始數(shù)據(jù)幀自動解析為十進制數(shù)字，并保存為XML或TXT格式的中間數(shù)據(jù)。在鉆孔數(shù)據(jù)傳輸完成后，可使用該數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)的進一步處理與成圖。數(shù)據(jù)信號通信的啟動與關閉以軟件系統(tǒng)的命令為準。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊。在測量數(shù)據(jù)傳輸至地面處理中心后，對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，按照施工要求建立巷道、鉆場、鉆孔等相關信息。并對鉆孔軌跡等相關參數(shù)進行圖形顯示與數(shù)據(jù)管理。在鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理中，首先要進行數(shù)據(jù)的預處理，數(shù)據(jù)預處理界面如圖4所示。數(shù)據(jù)預處理主要是將在測量中，由于誤操作產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)奇異點進行修改與校正。

圖4 鉆孔測量數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理中的原始數(shù)據(jù)奇異點校正首先需要根據(jù)原始數(shù)據(jù)的具體數(shù)值進行分析。在原始數(shù)據(jù)不存在測量錯誤，只存在測量誤差的情況下進行奇異點的數(shù)據(jù)校正。數(shù)據(jù)校正方法可以通過對原始數(shù)據(jù)的傾角、方位角與工具面向角之間的關系的分析。使用相關性分析的方法分別分析傾角數(shù)據(jù)與工具面向角數(shù)據(jù)，方位角數(shù)據(jù)與工具面向角數(shù)據(jù)之間的相關性，經(jīng)過曲線數(shù)據(jù)相關性分析后進行傾角數(shù)據(jù)曲線與工具面向角曲線排齊，方位角數(shù)據(jù)曲線與工具面向角曲線排齊，給定校正系數(shù)，進行曲線校正。

1)數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理主要是利用鉆孔測量的傾角、方位角、鉆孔深度以及工具面向角等參數(shù)進行鉆孔軌跡的計算，計算完成后可以得到鉆孔的上下、左右位移偏差值，鉆孔軌跡在地理坐標系中的地理坐標值以及在三維空間的坐標值等。

2)圖形顯示及處理。針對鉆孔實鉆數(shù)據(jù)，需要在二維坐標內(nèi)顯示鉆孔軌跡“水平-左右”和“水平-上下”的位移投影，可在仿三維空間中顯示鉆孔軌跡開孔及軌跡與空間位置的相對關系?？蓪ΧS及三維圖形進行縮小、放大、空間移動的操作，可保存視圖中的二維及三維圖形。

3)CAD繪圖坐標計算與繪制。在數(shù)據(jù)處理中，在計算鉆孔軌跡的同時生成鉆孔軌跡地理坐標數(shù)據(jù)，生成的地理坐標數(shù)據(jù)可直接用于在CAD圖形中繪圖，這改變以往鉆孔數(shù)據(jù)無法與CAD地質圖有效結合的弊端，為鉆孔在礦井的應用以及鉆孔設計提供便利。

4)鉆孔深度計算。采用二分查找法從大量數(shù)據(jù)中篩選出特征數(shù)據(jù)并自動甄別出壓力值和靜水壓力值，通過專用的監(jiān)測算法計算鉆孔終孔深度值。計算鉆孔深度主要目的是檢驗鉆孔終孔位置在巖層中的分布狀況，判斷是否達到鉆孔設計的標準。

通過以上主要模塊對鉆孔數(shù)據(jù)的處理，可以更加有效地利用鉆孔數(shù)據(jù)，有助于相關部門部署針對性的決策，更好地為煤礦安全服務。鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理過程，如圖5所示。

圖5 隨鉆測量數(shù)據(jù)處理

2.4 鉆孔數(shù)據(jù)管理模塊

鉆場數(shù)據(jù)庫管理是對鉆孔數(shù)據(jù)的深層次處理，主要作用是對礦井巷道、鉆場、鉆孔群、鉆孔等的精確控制與管理，從鉆孔數(shù)據(jù)測量開始，可選擇模塊中各功能操作，功能有打開巷道數(shù)據(jù)、新建巷道、新建鉆場、新建鉆孔以及數(shù)據(jù)的保存和輸出等。

數(shù)據(jù)庫的管理及操作可以對鉆場、鉆孔等不同類型的數(shù)據(jù)進行添加、修改、刪除操作?？蓪ΦV井全部巷道、單條巷道、單個鉆場、單個鉆孔等數(shù)據(jù)進行編輯以及輸入與輸出，確保數(shù)據(jù)的可操作性。通過鉆孔數(shù)據(jù)庫管理，可以將礦井所有鉆孔數(shù)據(jù)進行有機管理，避免了以往數(shù)據(jù)易丟失以及鉆孔數(shù)據(jù)利用率較低的情況。

2.5 鉆孔軌跡質量評價模塊

采集鉆場內(nèi)全部鉆孔的設計、實鉆的進煤點、出煤點坐標參數(shù)轉化為邊界文件格式，通過繪制地圖的方式轉化為基面圖顯示。鉆孔質量評價過程如圖6所示。

圖6 鉆孔質量評價過程

對孔號、高度等參數(shù)的不同標識可直觀的顯示鉆場區(qū)域內(nèi)鉆孔的覆蓋面圖，從覆蓋面圖可以看出該區(qū)域鉆孔分布是否均勻、是否存在空白帶，對區(qū)域空白帶通過覆蓋面圖采集的坐標自動計算補充鉆孔的開孔角度，設計科學的鉆孔施工順序，從而更好地指導后續(xù)鉆孔施工。

該模塊從鉆孔深度的計量情況、鉆進過程中的水力或風力推進情況、正常鉆進或提鉆退鉆情況、測量數(shù)據(jù)的可靠性、鉆機鉆進效率等方面對鉆孔施工質量進行綜合評價。鉆孔施工質量進行綜合評價界面，如圖7所示。

圖7 鉆孔質量評價模塊

采集全數(shù)據(jù)分析法需要的巷道、鉆場參數(shù)，設計、實鉆鉆孔參數(shù)，設計、實鉆進煤點、出煤點參數(shù)，壓力和靜水壓力，探管采集的參數(shù)深度、傾角、方位角、測量時間等參數(shù)，經(jīng)過轉化和計算以圖形的方式顯示出來。

鉆孔質量評價主要是通過全程測量的鉆孔深度、傾角、方位角、鉆孔水壓等參數(shù)。通過計算與圖形繪制，評價鉆孔施工質量、施工效率以及施工鉆孔的有效性。

2.6 鉆孔數(shù)據(jù)三維顯示模塊

計算機三維成圖技術實現(xiàn)巷道、鉆場、鉆孔軌跡數(shù)據(jù)(設計數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù))的三維立體展示，設計鉆孔通過煤層的進煤點坐標、出煤點坐標與實際鉆孔軌跡通過煤層的進煤點坐標、出煤點坐標經(jīng)過離散數(shù)據(jù)點網(wǎng)格化后生成進煤點曲面和出煤點曲面，結合實際的煤層厚度生成煤層實體的空間模型，這里實際煤層厚度是通過實鉆軌跡與見煤點、出煤點的空間坐標位置關系確定的，然后修正設計的(其他方式測量的)煤層厚度參數(shù)。根據(jù)揭露的煤層頂?shù)装迤鸱兓厔菰诤罄m(xù)的鉆孔施工中甄別錯誤數(shù)據(jù)，減少空白帶。鉆孔坐標轉換計算可轉換為鉆孔相對坐標，也可轉換為鉆孔的地理坐標。

首先對鉆孔軌跡所處的坐標系在水平面按照原點進行順時針旋轉，旋轉角度為鉆孔設計軌跡的設計坐標方位角，在形成的新坐標系中，橫坐標值即為鉆孔軌跡各有效測量點的左右偏差值；將新的坐標系在鉛垂面按照原點進行逆時針旋轉，旋轉角度為鉆孔設計軌跡的設計傾角，縱坐標值即為鉆孔軌跡各有效測量點的左右偏差值。

x′=xcosθ-ysinθ+Δx

(1)

y′=ycosθ-xsinθ+Δy

(2)

z′=z+Δz

(3)

式中：x′為轉換后三維坐標系x坐標，m；x為轉換前鉆孔軌跡x坐標，m；θ為三維坐標旋轉角度，(°)；Δx為三維坐標系與鉆孔軌跡二維坐標差值；y′為轉換后三維坐標系y坐標值，m；y為轉換前鉆孔軌跡y坐標，m；Δy為三維坐標系與鉆孔軌跡二維坐標差值；z′為轉換后三維坐標系z坐標，m；z為轉換前鉆孔軌跡z坐標，m；Δz為三維坐標系與鉆孔軌跡二維坐標差值。

經(jīng)過坐標轉換后的三維數(shù)據(jù)體可在三維空間進行成圖。成圖時需要首先建立巷道坐標數(shù)據(jù)、鉆場坐標數(shù)據(jù)、鉆孔坐標數(shù)據(jù)以及其他相應目的煤層及其他坐標數(shù)據(jù)。在坐標數(shù)據(jù)建立完成后，可繪制巷道鉆孔三維軌跡設計圖與實鉆鉆孔軌跡圖。鉆孔數(shù)據(jù)三維效果如圖8所示。

建立基于面積的直角三角覆蓋面積法，擴展了覆蓋面積的概念，不再嚴格要求覆蓋體具體的形式，而是以面積為覆蓋單元，可以靈活組合運用計算，針對空間分形曲線具有更強的適用性。能夠較好地反映鉆孔在見煤點與出煤點的空間性，覆蓋面積法是一種研究鉆孔三維軌跡以及煤(巖)層三維空間賦存情況的新方法。

3 現(xiàn)場試驗

在淮北某煤礦進行現(xiàn)場試驗，試驗的主要目的是在底抽巷道進行鉆探，設計仰角孔向上鉆進深度不等的鉆孔，使所有鉆孔整體穿越煤層，從而抽取煤層中的瓦斯氣體，為下一步在煤層中施工巷道提供安全保障。試驗設備為：YZG7隨鉆測量探管、顯示控制器、73 mm通纜鉆桿、73 mm無磁鉆桿等。在該鉆場進行了63個孔的鉆孔施工，橫向一條線9個鉆孔，共7條線，其中鉆孔開孔間距0.5 m。因此，最下面一條線定義為1號線，最左邊鉆孔定義為1號鉆孔，則最下角鉆孔為1-1號鉆孔，這里轉換為相對鉆場的相對坐標，則其孔口相對坐標為(0，0，0)，最右上角鉆孔為7-9號鉆孔，孔口相對坐標為(4，3.5，0)。鉆孔測量數(shù)據(jù)在完成每個孔測量后，通過在線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至地面進行數(shù)據(jù)處理、錄入數(shù)據(jù)庫、繪圖等操作。鉆孔的空間分布及鉆孔終孔見煤位置分布，如圖9、圖10所示，可真實反映出鉆孔的軌跡趨勢與空間分布。在鉆探施工中主要針對隨鉆測量數(shù)據(jù)實時傳輸與鉆孔數(shù)據(jù)處理模塊中的三維顯示部分進行測試，結果表明軟件運行穩(wěn)定、操作簡單，易于現(xiàn)場使用。

圖9 鉆孔軌跡三維空間分布

圖10 施工鉆孔見煤點分布

圖9中藍色線條為鉆場實鉆軌跡，彩色曲面圖為根據(jù)見煤位置繪制的煤層基面圖，根據(jù)鉆孔軌跡的控制以及實際見煤點的計算和處理，可以比較清楚的了解鉆探區(qū)域鉆孔軌跡情況以及鉆孔中煤層賦存情況。

圖10a中黑色圓圈表示設計見煤點位置、紅色圓點表示實際見煤點位置，藍色矩形為設計巷道位置。通過對設計與實鉆見煤點的對比可以看出：設計見煤點為等間距分布，實際見煤點為不等間距、無規(guī)則分布，這是由于鉆孔在鉆進過程中隨著軌跡的變化，見煤點沒有按照設計見煤點位置分布。通過對比主要得到實鉆見煤點位置，為下一步鉆孔設計提供依據(jù)。

圖10b為鉆孔見煤點分布，圖中黃色長方體為巷道及鉆場位置，橙色線條為設計鉆孔軌跡，橙色圓柱體為設計見煤點位置；藍色線條為實鉆鉆孔軌跡，黑色圓柱體為實際見煤位置。從該鉆場鉆孔軌跡整體情況看，通過對實鉆鉆孔軌跡的測量以及補孔，補孔后鉆孔覆蓋情況相對較好，鉆孔見煤點較為均勻，能夠更好地達到鉆孔抽放瓦斯的要求。

4 結 論

1)當前隨鉆測量系統(tǒng)存在的主要問題是數(shù)據(jù)處理方式簡單，數(shù)據(jù)處理主要是將鉆孔軌跡測量得到的數(shù)據(jù)參數(shù)轉換為鉆孔二維軌跡數(shù)據(jù)，繪制鉆孔二維偏差圖，很難直觀再現(xiàn)鉆孔在三維空間的分布情況。通常的數(shù)據(jù)處理功能中也沒有能夠與AutoCAD進行有機結合的模塊，不利于煤礦有效地利用數(shù)據(jù)處理成果，數(shù)據(jù)處理軟件的有效性較低。

2)通過對鉆孔測量數(shù)據(jù)的研究與分析，發(fā)現(xiàn)該礦井隨鉆測量數(shù)據(jù)處理軟件的使用可以很好地解決目前在鉆孔數(shù)據(jù)利用中的諸多難題，軟件可以實現(xiàn)鉆頭姿態(tài)參數(shù)、鉆孔深度和工況參數(shù)的準確監(jiān)測和甄別；三維成圖技術實現(xiàn)煤層頂?shù)装迤鸱兓厔莶㈩A警錯誤數(shù)據(jù)；覆蓋面積法實現(xiàn)區(qū)域鉆孔空間布置效果評價，指導鉆孔施工的科學實施；全數(shù)據(jù)分析法實現(xiàn)鉆孔施工質量評價等科學難題。

3)系統(tǒng)以可擴展標記語言作為數(shù)據(jù)介質，兼容存儲式隨鉆測斜、全方位測斜儀和手持式測斜儀等系列化產(chǎn)品，提高客戶體驗?，F(xiàn)場試驗證明，隨鉆測量及鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件通信穩(wěn)定、測量準確、功能全面、操作簡單，可使鉆孔施工人員全面掌握施工信息，提高施工效率。