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第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 矿井上行钻孔深度高精度测量技术 张军， 王信文 （中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077） 摘要 针对现有钻孔随钻测量技术无法很好解决钻孔深度测量的问题， 提出了回转钻机随钻 测量深度高精度计算方法。该计算方法利用在随钻测量中的记录钻孔孔口静水压强及随钻测量 钻孔倾角及方位角来实现深度的计算， 无需其他专用深度测量装备， 在节约生产成本的基础上， 提高了钻孔深度计算的精度， 利于指导钻孔施工。通过试验计算结果表明， 该计算方法能在钻机 钻进过程中， 不影响钻进施工的前提下实现钻孔深度参数的准确测量， 钻孔深度的精确计算， 相 比传统钻孔深度计算方法更加可靠。 关键词 煤矿钻孔施工； 上行钻孔； 随钻测量； 钻孔深度； 静水压强 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0132-04 High Precision Measurement Technology of Upward Drilling Depth in Coal Mine ZHANG Jun, WANG Xinwen （China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract In view of the problem that the existing measurement technology while drilling cannot solve the borehole depth measurement well, a high precision calculation is proposed for the measurement depth while drilling of rotary drilling rig. This uses the hydrostatic pressure at the borehole orifice as well as the borehole inclination angle and azimuth angle while drilling to calculate the depth, and the does not need other special depth measurement equipment. On the basis of saving production cost, the improves the calculation accuracy of borehole depth and is conducive to guiding the drilling construction. The experimental results show that the can accurately measure the parameters of drilling depth without affecting the drilling operation, and accurately calculate the drilling depth in the process of drilling, which is more reliable than the traditional . Key words coal mine drilling construction; upward drilling; measurement while drilling; borehole depth; hydrostatic pressure 矿井钻探施工主要用于巷道掘进、 探放水、 地质 勘探、瓦斯抽采等方面，在瓦斯抽采中更是不可或 缺；煤矿井下钻孔布置方式多是上行或水平孔， 在 瓦斯抽采中主要以上行钻孔为主[1]。目前， 在钻孔施 工中没有有效的高精度钻孔深度测量方法。常用的 方法是在钻孔施工完成后，通过统计钻杆数量计算 后获取钻孔深度，这种常规的计算方式不但费力， 且常常存在人为干扰因素的影响；钻孔成像类方法 可根据放入钻孔中线缆的长度间接测量钻孔深度， 由于钻孔遇塌孔或钻孔轨迹弯曲时无法正常测量等 原因， 其也不适用于井下钻孔深度测量。 由于煤矿井下钻孔施工布置多为斜向上方、 水 平向前、 垂直向上方， 前述钻孔深度测量方法， 在井 下测量存在较大局限性。近年来，针对不同钻机或 不同的钻孔类型，科研人员提出了不同的钻孔深度 测量方法[2-4]， 研发了相关的仪器设备。 煤矿现场应用表明，目前钻孔深度测量仪器相 对较笨重，测量结果精度较低，在钻孔塌孔或孔径 变化等特殊情况下，会导致无法测量或存在较大测 量误差。为此， 从测量原理、 数据处理算法等角度， 结合钻孔施工应用成果，研究了矿井上行钻孔深度 高精度测量方法与技术[5-14]。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.028 张军， 王信文.矿井上行钻孔深度高精度测量技术 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 132-135. ZHANG Jun, WANG Xinwen. High Precision Measurement Technology of Upward Drilling Depth in Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 132-135. 移动扫码阅读 132 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 1数据测量 虽然矿井钻孔深度高精度测量较为困难，但是 在矿井上行钻孔施工中仍有可以解决钻孔深度测量 的方法。该钻孔深度测量方法主要原理是，随钻实 时监测打钻过程中钻杆中的静水压强及钻孔施工中 钻孔的轨迹参数，即在钻孔钻进过程中，实时记录 钻孔的静水压强值、 倾角、 方位角、 工具面向角等信 息，通过监测到的信息进行数据计算，通过计算得 到钻孔的深度变化及钻孔终孔深度值。 1.1静水压强监测 钻孔中的静水压强是指在钻机完成 1 根钻杆， 释放给进水压后，留置在钻杆中的水压力值，这时 的水压力值为静止状态，且为自然水压力值，即可 根据此时的孔口水压力值计算钻孔实时高程。在钻 孔静水压强测量中最重要的 2 点是能够实时精确 测量钻杆中静水压强值的传感器；能够准确判断静 水压强的方法。水压传感器的工作原理是将采集到 的模拟电压信号通过 A/D 转换为数字信号， 然后将 采集到的数据传输至计算机或其他设备进行存储与 显示处理。水压传感器数据采集系统结构如图 1。 由于钻孔静水压强测量的特殊性，采用的水压 传感器为扩散压力传感器， 最大量程为 2 MPa， 精度 为0.1FS，这样可以保证更加准确地测量钻杆中 静水压强的变化。 测量探管连接结构示意图如图 2。 由图 2 可以看出，钻孔测量系统主要由 2 部分 组成， 整体连接方式为 在钻头后方连接测量探管， 测量探管主要实时测量钻孔倾角、方位角以及工具 面向角等钻孔信息； 在测量探管后方连接常规钻杆； 在钻杆另一边连接的是水辫，水辫的主要作用是在 钻进施工中给钻孔持续提供水源，目的是降低钻头 及钻杆与岩层摩擦产生的热量，并把钻孔中的碎屑 冲出钻孔；在水辫的另一边连接测量钻杆水压的压 力传感器，该传感器使用外接电源供电，可以进行 持续的实时监测测量。 在钻孔施工的过程中，压力传感器可以监测到 钻机钻进全过程水力压力的变化过程，其中包括停 钻、 正常钻进、 更换钻杆、 退钻等， 通过持续的监测 测量可以提取到，钻机在更换钻杆过程钻杆中水压 的变化情况，这样就可以得到更换钻杆的停钻时刻 钻杆中的静水压强值。 钻机的钻井过程中，钻杆中的水压力是一个不 断变化的过程。在开始钻进时钻杆中的水压瞬间变 大，并很快达到最大值，在钻进过程中水压变化不 大。在单根钻杆完成钻进后， 钻机停止钻进， 这时在 没有给进水压的情况下， 钻杆水压迅速衰减， 但此时 钻杆中充满了水，这时的水头高度可认为钻孔的深 度位置， 记录此时的静水压强值， 计算钻孔深度需要 的就是这时的静水水压值。之后更换钻杆过程中， 钻杆水压持续减小，直至下一个钻杆钻进过程。对 全程监测到的钻杆水压值进行筛选，剔除掉钻机给 进及其他钻探过程中的水压力值，保留每根钻杆钻 进完成后的静水压强值，然后将监测到的数据整理 输出， 并进行下一步数据处理。 1.2钻孔轨迹测量 测量到的静水压强值是钻孔深度计算的 1 个重 要参数，另 1 个参数是钻孔的倾角及方位角数值。 因此，在钻孔钻进过程中需要同时记录钻孔的倾角 及方位角变化情况。由图 2 可以看出，随钻轨迹测 量系统测量探管位于钻头于钻杆之间，另外还包括 无磁钻杆、显示控制器等设备。无磁钻杆主要是为 测量探管提供无磁场环境，以此保证测量倾角及方 位角数据的准确性。测量探管是将三轴 MEMS 陀 螺、 加速度计和本安电池组集成到无磁管中组成， 测 量探管的外层为无磁钻杆。测量探管随钻完成钻孔 轨迹数据的测量与存储，在施工完成后将钻孔轨迹 数据输入显示控制器中进行存储并处理。 钻孔倾角、方位角的测量系统通过三轴 MEMS 陀螺和加速度计进行测量，然后通过测量得到的参 数计算出当前测点方位角、 倾角、 工具面向角。钻进 时显示控制器与测量探管分别独立测量，最后通过 图 2测量探管连接结构示意图 Fig.2Connection structure of measuring probe 图 1水压传感器数据采集系统结构 Fig.1Data acquisition system structure of water pressure sensor 133 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 计算得到实钻轨迹数据。 在钻孔数据计算中采用精度较高的曲率半径 法。在前、后 2 个测点倾角和方位角变化不大的情 况下，通过曲率半径法计算钻孔轨迹坐标，计算误 差很小。具体计算公式如下 xn n i 1 ∑△Licos （θi θi-1 2 ） cos （αi αi-1 2 ）（1） yn n i 1 ∑△Licos （θi θi-1 2 ） sin （αi αi-1 2 ）（2） zn n i 1 ∑△Lisin （θi θi-1 2 ）（3） 式中 xn、 yn为钻孔的水平方向的位移， m； zn为 测点上下位移， m； △Li为 2 个测点距离， m； θi、 θi-1 分别为当前测点及上 1 个测点的倾角，（） ； αi、 αi-1 分别为当前测点及上 1 个测点的方位角，（） 。 在测量得到钻孔倾角及方位角后，即可进行下 一步钻孔深度的计算。 2计算方法 上行钻孔深度测量计算主要是利用上行孔中静 水压强的实时监测数据及钻孔轨迹测量数据进行计 算。通过数据计算得到钻孔的真实深度值。 2.1数据计算方法 钻孔深度测量是通过钻杆中的静水压强与钻孔 深度之间的关系测量计算的。其基本理论依据是静 水水压与高程之间的关系。具体计算方法通过水压 与水密度、 重力加速度、 高程之间的关系进行计算。 即在打钻过程中，在无外加加压的情况下，钻杆中 的孔口和钻头之间存在静水水压，这个水压通过实 时监测传感器可以监测到。得到了钻杆中静水水压 也就相当于得到了钻孔的高程，这样就可以精确推 算钻孔的深度。 pρgh（4） 式中 p 为静水压强， Pa； ρ 为水的密度， kg/m3； g 为重力加速度， m/s2； h 为高程， m。 这里的高程 h 值， 在计算钻孔深度时需要进一 步进行换算， 设钻孔深度值为 H， 则钻孔高程与钻孔 深度之间的关系为 h H sinθi。因此， 由式 （4） 可以 推导得到钻孔深度计算公式 Hp/ （ρg sinθi）（5） 式中 H 为钻孔深度值， m； θ 为钻孔倾角，（） 。 钻孔深度计算是通过监测钻杆中静水压强及钻 孔的轨迹参数，主要采用静水压强值及钻孔轨迹参 数的钻孔倾角进行计算。钻孔轨迹计算原理示意图 如图 3。 由图 3 可以看出， 随着钻孔钻进， 钻孔倾角随着 钻孔的钻进不断的变化， 钻孔高程也在不断地变化， 在记录了钻孔中每节钻杆倾角的基础上，即可以计 算出该钻杆的长度。这样就可以通过式 （5） 计算钻 孔终孔位置的精确深度值。 2.2软件设计 根据钻孔深度精确计算方法，编制了基于 C 可视化编程语言的适用于 Windows 操作系统的数据 处理软件。基于钻孔静水压强及钻孔轨迹测量的计 算方法具有测量准确可靠、 计算精度高、 同时具有防 止人为造假等功能。煤矿管理人员可通过管理账户 登录该软件进行数据处理与分析。钻孔深度数据处 理软件主要界面如图 4。 钻孔深度数据处理的主要步骤是首先读入钻 孔静水压强数据及钻孔倾角数据；设置钻机供水密 图 4钻孔深度数据处理软件界面 Fig.4Interface of drilling depth data processing software 图 3钻孔轨迹计算原理示意图 Fig.3Schematic diagram of drilling track calculation 134 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 作者简介 张军 （1981） ， 陕西西安人， 硕士， 2009 年毕业于长安大学， 从事矿井钻孔测量技术研究工作。 （收稿日期 2019-10-12； 责任编辑 李力欣） 度值， 通常情况下， 钻机供水以清水为主， 此时， 钻 机供水密度值为 1； 根据式 （5 ） 计算钻孔深度值， 最 后可以得到钻孔开孔倾角、钻孔平均倾角、终孔深 度等数值，最后将计算到的钻孔深度信息进行输出 保存， 供矿井技术人员进一步分析。 3工程应用 安徽淮北某煤矿在巷道掘进前都需要预抽煤层 中的瓦斯，这样就需要进行大量的钻探施工，一般 采用在底抽巷道布置上行钻孔抽取瓦斯的方式， 由 于存在大量的钻孔施工任务，就需要及时掌握钻孔 的轨迹及钻孔深度数值。 通过数据的监测与测量，进行数据计算与实际 钻孔深度（实际钻孔深度通过钻杆计数现场完成） 的对比， 钻孔深度计数与计算对比图如图 5。 通过对实际钻孔深度与文中提出的计算方法的 结果对比可以看出，计算结果与实际数据相差非常 小， 可在上行钻孔深度测量计算中使用。 4结语 通过对钻孔钻进过程中相关参数的分析，总结 规律，分析了利用钻孔钻进时钻杆中的静水压强与 钻孔轨迹相关参数计算钻孔深度的方法。通过该方 法的计算，可以得到钻孔钻进任意时刻钻孔的深度 值。通过数据的监测与推导的精确计算公式，形成 了完整的井下钻孔深度高精度测量方法技术。 通过对钻孔深度测量计算方法的研究，从数据 监测、计算方法 2 方面实现了基于静水压强的井下 上行钻孔深度高精度测量技术。该技术数据实现实 时监测， 无需人工操作仪器， 使用方法快捷， 计算结 果精度高。 参考文献 ［1］ 杨锦舟.基于随钻自然伽马、 电阻率的地质导向系统 及应用 ［J］ .测井技术， 2005， 29 （4） 285-288. ［2］ 韩衍.瓦斯抽放钻孔深度快速检测技术研究 ［J］ .煤炭 技术， 2014， 33 （5） 289-291. ［3］ 尹宗保， 葛玉丽， 姜洪杰， 等.基于霍尔传感器的钻孔 深度测量仪 ［J］ .煤矿安全， 2014， 45 （2） 92-94. ［4］ 齐黎明， 程五一， 陈学习， 等.掘进头前方瓦斯压力测 定钻孔深度分析 ［J］ .煤矿安全， 2010， 41 （3） 86-88. ［5］ 郭爱煌.顺煤层钻进监测技术 ［J］ .煤炭科学技术， 2000， 28 （5） 1-4. ［6］ 陈跃， 汤达祯， 许浩， 等.应用测井资料识别煤体结构 及分层 ［J］ .煤田地质与勘探， 2014， 42 （1） 19-23. ［7］ 王盼， 王云宏， 张庆庆， 等.矿用本安钻孔深度探测仪 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （1） 145-147. ［8］ 王小龙.矿用随钻方位伽马测井仪的设计与试验 ［J］ . 煤炭科学技术， 2016， 44 （8） 161-167. ［9］ 王岚， 陈龙， 张鹏， 等.随钻测井钻孔深度测量装置的 设计 ［J］ .煤田地质与勘探， 2017， 45 （3） 144-146. ［10］ 于会军， 邹向炜， 董兆福， 等.优化钻孔参数提高采区 瓦斯抽放效果 ［J］ .煤炭工程， 2007， 39 （2） 52-54. ［11］ 袁凤培， 毛江.一种矿用本质安全型钻孔深度测量仪 的设计 ［J］ .煤矿机电， 2015， 36 （1） 41-42. ［12］ 路拓， 刘盛东， 王勃， 等.深孔钻孔深度的弹性波测量 方法 ［J］ .地球物理学进展， 2015， 30 （5） 2176-2180. ［13］ 李好， 胡运兵， 吴燕清， 等.井下钻孔深度高精度测量 技术研究 ［J］ .工程勘察， 2015， 43 （12） 80-86. ［14］ 李克松， 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