煤与瓦斯突出是影响煤矿安全的重大隐患之一[1-2]｡为消除及减轻煤与瓦斯突出的风险,煤矿井下普遍采用钻机施工瓦斯抽放钻孔进行瓦斯预抽,通过预抽采瓦斯降低煤层中的瓦斯压力,以有效预防煤与瓦斯突出安全事故的发生｡

目前,常用的瓦斯钻孔施工方法有2种｡一种是采用普通回转钻机进行钻孔施工终孔后起出钻杆,再下入筛管封孔后进行瓦斯预抽｡另一种是采用定向钻机进行钻孔施工,同时采用随钻测量仪器进行钻孔轨迹测量,并根据测量数据实时调整孔底螺杆钻具弯头指向,使得实钻轨迹尽可能按设计轨迹方向延伸[3-4]｡定向钻进由于成本高昂,只在井下特殊钻孔施工中使用,大量瓦斯抽采钻孔仍是由普通回转钻机施工而成｡由于受煤层倾角､煤层硬度､钻具自重､钻进工艺等多种因素的影响,普通回转钻进施工的瓦斯抽采钻孔其实钻轨迹与设计轨迹相差甚远,串孔及透孔现象时有发生,导致瓦斯抽采钻孔覆盖区域出现空白带,影响瓦斯抽采的效率及效果[5-6]｡

缺乏钻孔轨迹测量及判断的钻孔施工,会带来极大的安全隐患,也会造成大量的无效钻孔｡针对回转钻进钻孔施工的实际需求,为掌握瓦斯抽采钻孔轨迹分布,消除或减小瓦斯抽采空白带,采用矿用电磁波随钻测量仪对回转钻进施工的钻孔进行随钻测量,实时获得钻孔轨迹,根据实钻轨迹与设计轨迹的偏差及顶底板钻遇情况,及时调整钻孔施工及后续钻孔设计｡乌海能源集团所属某煤矿011205运输顺槽顺煤层瓦斯抽采钻孔的测试表明,矿用电磁波随钻测量仪可以准确测量

钻孔轨迹,经过统计分析获得周围钻孔偏移规律,能有效指导后续钻孔的设计和施工,从而杜绝或减少无效的施工进尺,最大限度保障钻孔瓦斯抽采的效率与效果｡

1、矿用电磁波随钻测量仪

1.1电磁波传输原理

电磁波在地层中的传播特性与空气中有很大不同｡通常不同地层均属于不良导体,电磁波在地层中的传播满足齐次亥姆霍茨方程,随着传播距离的增加呈现出明显的衰减特性,且衰减程度与电磁波频率成正比,即电磁波频率越高,传播距离越近｡因而,电磁波随钻传输技术多采用低频或超低频电磁波作为载波,一般1Hz~1kHz｡已有的研究结果表明,在钻杆和地层构成的传输信道中,为了使电磁波有较好的发射效果,通常采用直接耦合垂直电场天线方式[7]｡这种方式采用一段绝缘体将钻杆分为两截,以形成2个电极｡其优点是可以适应低频电磁波发射且可以做成很小直径,但要求绝缘体的抗扭与抗拉､抗压强度很高以满足随钻应用｡

电磁波随钻测量仪利用孔内的绝缘短节将金属钻杆断开为2段,其中钻头至绝缘短节前端为一段,绝缘短节后端至孔口的钻杆为另一段,构成一种绝缘间隙电压激励的不对称偶极发射天线[8-9]｡孔内采集的测斜数据经发射机调制后在非对称偶极发射天线发射出低频电磁波信号,低频电磁信号沿钻柱和地层构成的信道向孔口传播,在孔口进行电磁波信号的拾取和解调来获得孔中测量的倾角､方位角､工具面角等测量数据,并通过数据计算获得钻孔轨迹等图形｡电磁波传输原理,如图1所示｡

图1电磁波传输原理

1.2测斜原理

钻孔测斜是基于重力场和地磁场的测量原理[10-11]｡选用精度高､稳定性好的三轴磁通门传感器和三轴MEMS加速度传感器,配以多通道A/D转换器和低功耗ARM微处理器组成测斜模块,测量重力场在三分量加速度计上的投影分量及地磁场在三分量磁强计上的投影分量,通过坐标转换获得物体的空间姿态(倾角､方位角及工具面角)｡钻孔测量参数,如图2所示｡

图2钻孔测量参数示意图

方位角是磁北与钻孔轴线上某点切线在水平面投影之间的夹角,即磁方位角｡倾角是钻孔轴线上某点的切线与水平面之间的夹角,倾角以水平面为基准,上仰为正,下倾为负｡工具面为钻具造斜方向与参考方向之间的夹角,工具面角仅用于指导钻进方向的调整,并不参与钻孔轨迹的计算｡假设三轴重力加速度计测得的3个重力场分量分别为Gx､Gy､Gz,三轴磁通门传感器测量的3个地磁场分量分别为Bx､By､Bz,则钻进姿态的倾角

1.3仪器组成及性能指标

矿用电磁波随钻测量仪可用于煤矿井下各类钻孔轨迹的随钻测量,实现钻孔参数(钻孔倾角､方位角､工具面角等参数)及钻孔轨迹的实时测量､传输及显示｡该仪器由孔口设备和孔内设备2部分组成,设备实物分别如图3和图4所示｡

图3孔口设备图

图4孔内设备(探管､仪器外管､无磁钻杆､绝缘短节)图

孔口设备主要包括KXH24(B)矿用本安型控制器,KDY127/24(B)矿用隔爆兼本安型直流电源｡KDY127/24(B)矿用隔爆兼本安型直流电源用于给KXH24(B)矿用本安型控制器供电｡孔内设备主要包括YSDC-T矿用本安型电磁波随钻测量仪探管､绝缘短节､上下无磁及仪器外管｡矿用电磁波随钻测量仪的主要技术指标,如表1所示,倾角测量精度在0.2°以内,方位角和工具面角测量精度在1.2°以内｡已有的测试表明矿用电磁波随钻测量仪适用于中深孔的随钻或送钻测量｡

表1矿用电磁波随钻测量仪的主要技术指标

1.4仪器适用范围和优点

矿用电磁波随钻测量仪适用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔､探放水钻孔､超前勘探钻孔及复杂工艺定向钻孔等各类钻孔施工,同时满足分体式回转钻机,履带式回转钻机､定向钻机及各类钻具的配套使用｡电磁波随钻测量仪既适用于液动(清水)钻进,也适用于气动(压缩空气)钻进｡与煤矿井下已有的中心通缆随钻测量仪和泥浆脉冲随钻测量仪相比[12-13],电磁波随钻测量仪进行钻孔测量的优点如下:

(1)相比于中心通缆随钻测量,摒弃了通缆钻杆组成的信号传输通道,而采用地层作为电磁信号的传输通道,钻进中借助普通钻杆即可实现随钻轨迹测量,极大节省了钻具成本｡有线随钻测量所依赖的通缆钻杆结构复杂,加工要求高､成本昂贵且钻杆寿命短,而电磁波随钻测量只需利用普通钻杆即可实现随钻测量｡

(2)相比于泥浆脉冲随钻测量,电磁波随钻测量具有传输速度快､传输时间短,且不受钻井液的影响｡泥浆脉冲随钻测量利用钻杆内部泥浆液压力的变化来传输数据,存在传输速率较慢,且对传输介质钻井液有要求｡

(3)电磁波随钻测量特别适用于碎软煤层的气动钻进技术,在气动钻进条件下泥浆脉冲随钻测量彻底失效,有线随钻测量(通缆随钻测量)由于中心通缆的存在导使压风损耗过大,也不能胜任气动钻进,而电磁波随钻测量由于借助地层传输信号,不受压风影响,仍能很好地工作｡

2、矿用电磁波随钻测量软件

矿用电磁波随钻测量软件是KXH24(B)矿用本安型控制器配套软件,可实现测量数据的解析与显示,包括数据测量､钻场管理､钻孔轨迹设计､实钻轨迹显示等功能｡电磁波随钻测量软件包括系统参数设置､钻场及钻孔设计､实钻测量及操作､数据获取及解析､图形实现及处理､数据管理及操作､钻孔拆分工艺操作等模块｡矿用电磁波随钻测量软件功能强大､界面友好､操作简单,可完成钻孔轨迹数据的测量､显示､处理及存储｡根据测量获得的钻孔方位角､倾角及深度数据经均角全距法可获得钻孔轨迹数据｡当已知孔深L,倾角β及方位角α,可以计算出各测点的水平位移

在获得水平位移x､左右位移y及上下位移z后,可绘制出基于钻孔坐标系的“水平位移-左右位移”图和“水平位移-上下位移”图｡“水平位移-左右位移”图即钻孔轨迹在钻孔坐标系下X-Y水平面上的投影图,该图反映了钻孔轨迹在水平面的展布形态,“水平位移-上下位移”图即钻孔轨迹在钻孔坐标系下X-Z剖面上的投影图,该图反映了钻孔轨迹在垂直剖面上的展布形态｡这2个平面图清楚地描绘了钻孔轴线在三维空间的轨迹｡

3、电磁波随钻测量仪现场应用

乌海能源集团所属某煤矿011205运输顺槽掘进工作面煤层倾角5°~9°,倾向东,走向近南北,并呈南高北低;煤层平均厚度5.18m,煤层结构复杂,节理裂隙较发育,顶板为复合顶板,由12上煤及页岩组成,厚度约3.66m｡施工钻孔所处12#煤层特征,如表2所示;施工钻孔所处12#煤层顶底板特征,如表3所示｡为提高011205工作面瓦斯抽采效果,在原011205运输顺槽倾向瓦斯抽采钻孔的基础上加密施工倾向钻孔｡011205工作面设计走向长度1550m,倾向长度195m,在工作面切眼往外300m范围内施工倾向钻孔｡工作面原有倾向钻孔,孔间距5m,此次施工钻孔以011205运输顺槽为钻场,钻孔整体布置与上下顺槽垂直,钻孔沿煤层施工,钻孔间距5m,共设计12站60个钻孔｡

表212#煤层特征表

表312#煤层顶底板特征表

试验1:为验证矿用电磁波随钻测量仪钻孔轨迹测量的准确性,采用1900常规回转钻机施工了2个贯通孔,即补6-2#钻孔(开孔方位258°,开孔倾角8°,通孔孔深度201m)和补6-4#钻孔(开孔方位258°,开孔倾角8°,通孔深度200m),并进行了2个贯通孔的钻孔轨迹测量｡该矿地测人员借助经纬仪分别对补6-2#钻孔和补6-4#钻孔的开孔点和终孔点坐标进行了测量及计算｡补充6-2#钻孔和补6-4#钻孔的轨迹在CAD平面图上与终孔测量位置的对比,如图5所示,补充6-2#钻孔和补6-4#钻孔轨迹在CAD剖面图上与终孔测量位置的对比,如图6所示｡以经纬仪给出的测量结果为基准,补6-2#钻孔终点相对于经纬仪测量结果左偏2.7m,即水平面上的测量偏差约1.3%｡补6-2#钻孔终点相对于经纬仪测量结果下偏0.9m,即剖面上的测量偏差约0.45%;补6-4#钻孔终点相对于经纬仪测量结果左偏0.2m,即水平面上的测量偏差为0.1%｡补6-4#钻孔终点相对于经纬仪测量结果下偏1m,剖面上的测量偏差约0.45%｡此次试验表明矿用电磁波随钻测量仪器稳定性好､准确度高,可以很好地完成钻孔轨迹的实时高精度测量｡

图5补6-2#钻孔和补6-4#钻孔轨迹CAD平面图

图6补6-2#钻孔和补6-4#钻孔轨迹CAD剖面图

试验2:为查明回转钻进施工钻孔轨迹偏移,采用矿用电磁波随钻测量仪在1900常规回转钻机施工中随钻测量了3个钻孔的轨迹,即补3-2#钻孔(开孔方位270°,开孔倾角8°,终孔深度156m)､补3-3#钻孔(开孔方位270°,开孔倾角10°,终孔深度156m)和补3-4#钻孔(开孔方位270.6°,开孔倾角7.1°,终孔深度194m)｡由补3-2#钻孔测量数据及轨迹图形,终孔点的实测倾角和设计倾角偏差6.1°,终孔点的实测方位和设计方位偏差17.2°｡补3-2#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在剖面内向下偏移,终孔点上下偏差为-9.2m;补3-2#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在水平面内向右偏移,终孔点左右偏差为27.55m｡由补3-3#钻孔测量数据及轨迹图,终孔点的实测倾角和设计倾角偏差7.1°,终孔点的实测方位和设计方位偏差14.6°｡补3-3#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在剖面内向下偏移,终孔点上下偏差为-13.13m;补3-3#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在水平面内向右偏移,终孔点左右偏差为20.03m｡由补3-4#钻孔测量数据及轨迹图,终孔点的实测倾角和设计倾角偏差0.8°,终孔点的实测方位和设计方位偏差44.3°｡补3-4#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在剖面内向下偏移,终孔点上下偏差为-7.86m;补3-4#钻孔实钻轨迹相比设计轨迹在水平面内向右偏移,终孔点左右偏差为76.56m｡

采用矿用电磁波随钻测量仪,对乌海能源集团所属某煤矿011205运输顺槽瓦斯钻孔的测量,获得了该运输顺槽瓦斯钻孔一些钻孔偏移规律的基本认识:①普通回转钻机施工瓦斯抽放钻孔时,钻头右旋切屑通常造成方位角向右偏移｡②普通回转钻机施工,钻进速度对钻孔方位､倾角偏移影响较大,通常钻机给进压力小､钻进速度慢时,方位､倾角偏移小(方位右偏,倾角下偏),钻机给进压力大､钻进速度快时,方位､倾角偏移大(方位右偏､倾角上偏)｡③普通回转钻机施工,钻孔施工范围内的煤层走向､倾角及煤层夹矸等不同地质条件会造成方位､倾角不同程度的偏差｡④普通回转钻机施工,随着钻孔深度的增加钻孔方位､倾角变化越来越大,穿孔现象频繁出现｡

4、结语

(1)矿用电磁波随钻测量仪应用于普通回转钻进瓦斯抽采钻孔施工可以准确测量钻孔轨迹,杜绝或减少无效施工进尺,有力保障钻孔瓦斯抽采的效率与效果,大幅提高钻孔施工的效果和效益｡

(2)通过乌海能源集团某煤矿011205运输顺槽2个通孔及施工钻孔的轨迹测量及精度对比,证实矿用电磁波随钻测量仪传输稳定､数据可靠､准确度高,完全满足井下瓦斯抽放钻孔､探放水钻孔施工时对仪器测量精度的要求｡

(3)矿用电磁波随钻测量仪是借助地层实现电磁信号的传输,在钻孔较浅时其1次测量时间约50s,在钻孔较深时1次测量时间约70s｡其传输时间比有线随钻测量仪(1次测量时间10s)长,比泥浆脉冲随钻测量仪短｡但矿用电磁波随钻测量仪无需借助通缆钻杆,且适应风动钻进和液动钻进｡

(4)依托矿用电磁波随钻测量仪,可以实现常规钻机钻孔轨迹实时监测,是常规钻场轨迹信息化管控的有效手段,可为钻场智能化管理提供有力支撑,这是今后的研究方向及课题｡

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文章来源:王小龙,代晨昱,蔺兑波.矿用电磁波随钻测量仪及在回转钻进中的应用[J].煤炭技术,2025,44(02):219-223.