基于穿层钻孔偏移规律的角度补偿纠偏技术.pdf

第 42 卷第 4 期2023 年 7 月Vol.42No.4Jul.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）基于穿层钻孔偏移规律的角度补偿纠偏技术冀超辉1，2（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037）摘要：针对穿层抽采钻孔施工时普遍发生偏移，导致实际见煤点与设计点偏差大、预抽煤层存在抽采盲区等问题，采用理论分析和现场试验相结合的方法，利用钻孔轨迹仪实测钻孔轨迹数据，采用最小二乘法拟合钻孔俯仰角和方位角的偏差值分别与钻孔深度的线性关系式，得到钻孔偏移规律。基于钻孔偏移规律提出角度补偿纠偏技术，为纠正后续钻孔或补打钻孔的施工参数提供指导，即将设计孔深代入线性关系式，计算见煤点处俯仰角和方位角偏差角度，在钻孔开孔时，反向增加偏差角度，以保证见煤点落于设计点位处。现场实践应用纠偏技术后钻孔实际见煤点方位角偏差值仅 0.68、俯仰角偏差值仅 0.76，基本与设计终孔位置一致，表明基于钻孔偏移规律的角度补偿法纠偏措施切实可行且可靠，能够满足工程精度要求。关键词：钻孔偏移规律；角度补偿法；钻孔纠偏技术；穿层钻孔区域预抽中图分类号：TD712.6文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）4-34-6Angle compensation and correction technology based on the offset law of cross-seam boreholeJI Chaohui1，2（1.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting，Preventing and Emergency Controlling，Chongqing 400037，China；2.Chongqing Research Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400037，China）Abstract：In view of the general offset during drilling cross-layer extraction borehole，which results in large deviation between the actual meeting coal point and the design point，and extraction blind zone in pre-degased coal seam，theoretical analysis and field test methods were used to study on deviation correction technology of the borehole.The drilling trajectory data measured by the drilling trajectory instrument was used to fit the linear relationship formula between the deviation values of pitch angle and azimuth angle and borehole depth by use of the least squares method，and the law of borehole offset was obtained.Based on the borehole offset law，a technology of angle compensation correction was proposed to provide guidance for correcting the construction parameters of subsequent or supplementary borehole.When the hole was drilled，the design depth of borehole was substituted into the linear relationship formula，the pitch angle and azimuth deviation angle at the meeting coal point were calculated，and the deviation angle was increased in reverse to 冀超辉.基于穿层钻孔偏移规律的角度补偿纠偏技术 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（4）：34-39.doi：10.16186/ki.1673-9787.2023010027JI C H.Angle compensation and correction technology based on the offset law of cross-seam borehole J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（4）：34-39.doi：10.16186/ki.1673-9787.2023010027收稿日期：2023-01-16；修回日期：2023-04-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（51574280）作者简介：冀超辉（1980），男，河南许昌人，博士，副研究员，主要从事煤矿瓦斯灾害防治技术方面的研究工作。Email：O S I D第 4 期冀超辉：基于穿层钻孔偏移规律的角度补偿纠偏技术ensure that the actual meeting coal point falled at the design point.According to the field practice of the correction technology，the azimuth deviation value of the actual meeting coal point of the borehole reduced to 0.68，and the pitch angle deviation value droped down to 0.76，which was basically the same with the design position.It showed that the angle compensation method was feasible and reliable based on the borehole offset law，and met the requirements of engineering practice accuracy.Key words：borehole offset law；angle compensation method；borehole correction deviation technology；regional pre-drainage of cross-seam borehole0引 言瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害的根本措施，特别是在区域预抽阶段，主要依靠施工大量穿层钻孔对原始煤体进行瓦斯抽采，消除煤与瓦斯突出，因此，保证穿层钻孔施工质量对区域预抽瓦斯工程具有重要意义。高质量的钻孔工程要求钻孔实际轨迹与设计参数一致，而实际生产过程中，受钻场岩石性质、钻杆自重、钻进工艺、瓦斯治理技术工艺及设备等诸多因素影响，抽采钻孔常发生偏移现象，钻孔无法达到设计位置，产生瓦斯抽采空白带，不能起到煤层卸压和抽采瓦斯的作用，从而给矿井安全生产留下重大隐患1-3。煤矿井下地质条件复杂，钻孔施工和队伍管理水平存在差异，因此需要定量研究钻孔偏移影响因素间的关系。在施钻前得出钻孔偏移规律存在较大难度，现场实践表明理论得到的偏移规律存在较大偏差4-6。对于矿井钻场，即便对钻孔偏移的影响因素进行定量研究而得到了偏移规律，由于井下地质单元复杂多变，影响钻孔偏移的主控因素不尽相同，定量偏移理论也不尽相同，其在矿井中的应用难度较大。因此，需要提出一种简单、快捷、准确的纠偏技术指导现场实践。目前国内外诸多学者7-11普遍从钻孔施工后的实际轨迹进行研究，即钻孔施工后，利用钻孔轨迹仪进行实测，通过实测数据找寻钻孔偏移的整体规律，以指导后续钻孔或补打钻孔的施工参数。其中，角度补偿法实际应用较多，王小龙12、齐清林等13、黄井武等14、付帅等15、张军等16基于钻孔现场实测结果，利用钻孔轨迹的 x，y，z三维坐标数据，得出方位角和俯仰角偏斜值与钻孔深度的关系及计算公式，指导后续不同钻孔深度对应的偏差角度计算，应用角度补偿纠偏方法控制钻孔偏斜。该方法操作计算简单、精度可以满足工程实践需要，现场应用过程中获得了较好效果。本文结合实际矿井条件及穿层钻孔特点，对该方法进行优化改进，在钻孔施工精细化管理方面提出保证钻孔工程质量的重要手段，包括利用视频监控系统对钻孔施工全过程进行有效监督、应用钻孔三维可视化软件实现立体网格成图与抽采达标评判相结合等，实现钻孔轨迹测定技术便捷化、智能化、信息化，以期为类似施工条件及工程应用提供借鉴和参考。1钻孔偏移规律及纠偏技术1.1钻孔偏移影响因素煤矿施工钻孔的主要目的有瓦斯抽采、探放水、构造探测等，对于高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井而言，如果钻孔没有按照设计的轨迹施工，煤层就会存在“空白带”，给煤矿的安全生产带来隐患。影响钻孔轨迹的因素很多，主要包括岩层特性、煤层硬度、钻孔技术、钻具组合等，其中，岩层特性和煤层硬度是固有因素，难以改变和控制。因此，在钻场岩石性质、钻杆自重、钻进工艺、瓦斯治理技术工艺及设备等多种因素不变的情况下，只能从钻孔技术、钻具组合两方面控制钻孔轨迹。（1）钻孔技术。不同类型的钻孔工程应采用不同的钻孔技术。比如施工底抽巷大倾角穿层钻孔，宜采用小扭矩回转钻进技术；施工顶板高位长钻孔，宜采用大扭矩定向钻进技术。（2）钻具组合。合理的钻具组合有利于钻孔轨迹控制。当钻头尺寸远大于钻杆尺寸时，在转速、扭矩和推进压力等钻进参数共同作用下，孔内钻杆受力复杂多变，钻杆易断裂；当钻头尺寸与钻杆尺寸相当时，钻杆外壁与孔内壁的环空间隙较小，不利于钻渣排除，不易成孔。1.2穿层钻孔偏移规律穿层钻孔抽采瓦斯是否能够达标，取决于终孔点（见煤点）是否落在设计点位，与钻孔轨迹是否平直无太大关系，而钻孔轨迹仪针对钻孔成孔后的实际轨迹可以精确测定，得到该地质单元或邻近钻孔的偏移规律。钻孔轨迹仪间隔一定间距（一般为 1根或 2根钻杆）测量该点位数据，主要包352023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）括 x，y，z三维坐标、方位角 和俯仰角，从而分别拟合出方位角、俯仰角的偏差值与钻孔深度的关系式，得到钻孔偏移规律。根据钻孔偏移规律，采用角度补偿纠偏方法控制钻孔偏斜，即后续钻孔或补打钻孔根据设计孔深，计算出对应的钻孔方位角和俯仰角偏差角度，在后续钻孔施工时，反方向增加偏差角度，使得在钻场岩石性质、钻杆自重、钻进工艺、瓦斯治理技术工艺及设备等多种因素不变的情况下，穿层钻孔终孔点尽可能与设计位置一致，其原理见图 1。1.3偏移计算公式根据上述钻孔轨迹偏移规律，钻孔偏移计算具体步骤如下。钻孔第 i 点的方位角用i表示，0为钻孔初始方位角，方位角偏差值i的计算式为i=i-0，i=1，n。（1）钻孔第 i点的俯仰角用i表示，0为钻孔初始俯仰角，俯仰角偏差值i的计算式为i=i-0，i=1，n。（2）钻孔施工过程中，因钻杆自重、煤岩物理性质等因素影响，相对于设计钻孔轨迹，钻孔实际轨迹会向左、右和下偏移。钻孔初始点(x0，y0，z0)=(0，0，0)，钻孔第 i点的坐标用（xi，yi，zi）表示，理想情况下，将钻孔轨迹看作三椎体，相对于钻孔初始点，钻孔终点的位移变化量为（xi，yi，zi），则钻孔第i点孔深采用Li表示，计算式见式（3），实际情况下钻孔轨迹并非直线，其动态情况下的钻孔长度计算式见式（4）。Li=x2i+y2i+z2i ，i=1，n；（3）Li=i=1n()xi-xi-12+()yi-yi-12+()zi-zi-12，i=1，n。（4）通过计算，得到钻孔方位角偏差值与孔深的关系数据组（i，Li）以及钻孔俯仰角偏差值与孔深的关系数据组（i，Li），采用最小二乘法分别进行线性拟合，得到计算式见（5）（6）。i=ALi+B，（5）i=CLi+D，（6）式中：A，C为线性系数；B，D为线性常数。后续钻孔或补充钻孔施工前，将设计施工钻孔长度代入式（5）（6），计算得到孔深 Li对应的俯仰角偏差角度i和方位角偏差角i，在钻孔开孔时，反向增加计算出的偏差角度，即方位角设为(+i)，俯仰角设为(+i)，可保证后续钻孔或补充钻孔终孔点（见煤点）落到设计点位。2试 验2.1钻孔施工试验选择贵州某煤矿 12824底抽巷 27号穿层钻孔，目标预抽层为 C24煤层，煤层硬度系数 f 为12。采用 ZDY-2300 型或 ZDY-3200L 型钻机，配套 63 mm800 mm 钻杆、94 mm 钻头进行施工。因煤层中有夹矸，钻孔分两次穿过 C24煤层，终孔点位于煤层顶板 0.5 m 处，施工完成后，采用水或压风洗孔，减少钻孔内大量钻屑遗留。目前井下瓦斯抽采钻孔及各类其他工程钻孔的验收方式均为人工现场跟班或拔钻逐杆验收，施钻地点未安装视频监控系统，不能掌握孔内钻孔轨迹和终孔空间位置，无法确定钻孔是否打到设计位置，给矿井瓦斯和水害治理造成安全隐患。2.2钻孔轨迹测定采用 YZG360-Z 矿用本安型钻孔轨迹测量仪（图 2（a）测试钻孔轨迹，可随时测量钻孔的俯仰角、方位角和钻孔深度等参数，及时了解钻孔钻具的工作状态，精确再现钻孔轨迹和孔深。探筒既可与钻杆配接进行随钻随测，也可在退钻后用专配的推送杆或钻杆将探筒送至孔底（标配推送杆长度为 100 m，如果钻孔深度超过 100 m，只能采用钻杆推送）。本次测定采用专配推送杆将探杆送至孔底，步骤如下。（1）钻 孔 施 工 前，使 用 通 信 线 缆 将 探 管 与YZG360-Z型矿用显示控制器连接，接通显示控制器电源，开启测量软件，使探管和显示控制器同步工作。（2）钻进过程中，按设定间隔测量数据，测量后数据自动保存到探管中。（3）钻孔施工结束后，取回探管，在地面将手持机连接电脑，使用轨迹分析系统进行处理，可显图 1 穿层钻孔角度补偿纠偏技术原理Fig.1 Schematic diagram of angle compensation andcorrection technology for cross-seam borehole36第 4 期冀超辉：基于穿层钻孔偏移规律的角度补偿纠偏技术示钻孔的三维轨迹图以及实际轨迹和设计轨迹之间的偏差，导入数据，填入钻孔及设计信息，电脑直接生成垂直剖面图、水平投影图、垂直投影图、正视图和可旋转观看的立体三维轨迹图，自动计算各测点的空间相对坐标数值和报表，系统界面如图 2（b）所示。该软件不能直接得到钻孔偏移规律，需要以测定数据为计算基础，根据偏移理论，探寻钻孔方位角及俯仰角偏差值与孔深的变化关系。3角度补充纠偏技术3.1钻孔偏移规律分析钻孔轨迹分析系统生成的三维投影、设计孔面投影如图 3所示。设计钻孔长 53.7 m，实测钻孔长 51.5 m，根据钻孔轨迹实测数据，分析得出俯仰角和方位角随深度的变化规律，即钻孔偏移规律，线性拟合如图4所示，计算式见表 1。由表 1 可知：钻孔方位角和俯仰角随钻孔深度呈线性规律变化，且钻孔越深，角度偏差越大；钻孔实际施工开孔定位精度有待提高，方位角及俯仰角与设计值有所偏差。图 2 YZG360-Z型钻孔轨迹测量仪及轨迹分析系统界面Fig.2 YZG360-Z borehole trajectory measuring instrument and trajectory analysis system interface图 3 27号钻孔三维投影及设计孔面投影示意Fig.3 Schematic diagrams of three-dimensional projection and design hole surface projection of No.27 borehole图 4 钻孔俯仰角和方位角偏差值随钻孔深度变化趋势Fig.4 Variation trend diagrams of deviation values of borehole pitch angle and azimuth angle with drilling depth changing372023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）3.2纠偏技术应用及效果验证基于钻孔轨迹偏移规律，提出后续钻孔或补打钻孔角度补偿纠偏方法：将设计钻孔长度值代入到俯仰角和方位角的偏差值随钻孔深度变化的关系式中，计算得到终孔点处俯仰角和方位角的偏差角度，钻孔开孔时，反向增加计算出的偏差角度，即可保证终孔点落到设计点位处，消除瓦斯抽采盲区，实现预抽区域瓦斯抽采全覆盖。为了验证角度补偿纠偏方法的可行性和可靠性，在 12824-27 号钻孔开孔点周围补打纠偏钻孔，编号 12824-28 号，设计方位角和俯仰角在 27号钻孔的基础上分别反向增加 9和 13，实测钻孔长 50.5 m。终孔点方位角偏差值 0.68，俯仰角偏差值 0.76，钻孔轨迹分析系统生成的设计孔面投影展示如图 5所示，基本与设计终孔位置一致，验证了基于钻孔偏移规律的角度补偿法纠偏措施切实可行可靠，满足工程实践精度要求。3.3钻孔施工精度提高措施为了减小偏差角度值，提出钻孔施工精度提高措施：（1）采用精度更好的开孔定位装置，提高工人施钻水平，严格要求钻孔开孔俯仰角和方位角与设计值一致；（2）进行井下钻探作业时，尽量使用与钻杆直径相匹配的钻头，如需进行扩孔，应采用塔式导向钻头，防止钻孔偏移；（3）钻探施工时，合理利用钻杆扶正器，不同型号和材质的钻杆，偏移量存在差异，可以通过钻杆在孔中的偏移率，每隔一段距离加装一节扶正器，降低钻杆自然倾斜的可能性，降低钻孔偏移量；（4）在施工过程中，做好钻机稳固措施，防止因钻机抖动、卡钻、偏斜等原因，造成钻孔角度变化；（5）施钻地点安设视频监控系统，实现地面在线监控钻孔施工、验收、封堵、接抽全过程监督，保证钻孔施工质量。4结 论（1）通过线性拟合方法，提出了钻孔方位角以及俯仰角的偏差值与钻孔深度之间的理论关系式，得到了钻孔越深、角度偏差越大的钻孔偏移规律。（2）根据角度补偿原理，提出了后续钻孔或补打钻孔的纠偏方法。通过现场实践验证了角度补偿纠偏技术操作便捷、可行可靠，具有一定的普适性。（3）提出了提高钻孔施工精度的措施，包括采用精度更高的开孔定位装置、安设视频监控系统、使用与钻杆直径相匹配的钻头、合理利用钻杆扶正器、做好钻机稳固等措施。参考文献：1 杨建中.煤矿井下钻孔轨迹测量技术的研究机械管理开发 J.机械管理开发，2021，219（7）：137-138.YANG J Z.Research on the measurement technology of borehole track in a coal mine J.Mechanical Management and Development，2021，219（7）：137-138.2 张军，王信文，张鹏.矿井随钻三维轨迹监测技术研究 J.能源与环保，2020，42（7）：110-114，119.ZHANG J，WANG X W，ZHANG P.Research on 3D trajectory monitoring technology while boreholeJ.China Energy and Environmental 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