王軍鋒，張 軍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

近年來(lái)，部分地區(qū)由于瓦斯抽放技術(shù)與裝備落后，鉆孔施工很難按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，導(dǎo)致煤層出現(xiàn)瓦斯抽放盲區(qū)而引發(fā)的煤與瓦斯突出事故時(shí)有發(fā)生。嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，可能摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，使巷道充滿瓦斯與粉塵，造成煤塵和瓦斯爆炸等嚴(yán)重后果。

煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生嚴(yán)重制約了礦井的健康發(fā)展。煤層瓦斯預(yù)抽是防治煤與瓦斯突出的主要措施，煤層瓦斯預(yù)抽主要方法是打鉆孔預(yù)抽煤層中的瓦斯。影響煤層瓦斯預(yù)抽效果的因素主要有鉆孔設(shè)計(jì)的合理性、鉆孔成孔情況、鉆孔分布、封孔效果等，其中因?yàn)殂@孔施工不到位而留有空白帶會(huì)給煤層瓦斯消突工作帶來(lái)重大隱患。

針對(duì)以上問(wèn)題，程建圣[1]研究了穿層鉆孔全程篩管下放瓦斯抽采技術(shù)原理及工藝。劉軍[2]等研究了抽采時(shí)間、鉆孔間距和瓦斯抽采有效影響半徑的關(guān)系。徐青偉[3]等研究利用“三花眼”布孔方式與縮短抽采鉆孔間距布孔方式。李鵬[4]測(cè)定預(yù)抽鉆孔的成孔軌跡，確定鉆孔在不同方向上的偏斜量。董洪凱[5]建立了煤層流—固耦合模擬方程，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析確定了抽采空白帶范圍。李克松[6]等研制了回轉(zhuǎn)鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際鉆孔軌跡。向真才[7]對(duì)鉆孔隨鉆軌跡進(jìn)行分析，分析順層抽采鉆孔空白帶情況，陳睿[8]研發(fā)了對(duì)抽采鉆孔布孔合理性進(jìn)行智能評(píng)判的系統(tǒng)。黃麟森[9]提出了適合于煤礦井下鉆孔測(cè)量系統(tǒng)藍(lán)牙無(wú)線傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了同步機(jī)和測(cè)斜儀之間的數(shù)據(jù)傳輸。秦怡[10]提出適用于同步機(jī)和測(cè)斜儀之間的無(wú)線通訊策略，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確傳輸。王鵬[11]對(duì)比分析了綜放工作面空白帶施工釋放孔與煤層注水孔后對(duì)工作面回采時(shí)瓦斯涌出的影響。張軍[12-13]研究了鉆孔深度測(cè)量計(jì)算方法，隨鉆鉆孔三維軌跡測(cè)量技術(shù)。

通過(guò)鉆孔軌跡測(cè)量設(shè)備的使用，掌握鉆孔施工中的軌跡參數(shù)，包括鉆孔開孔傾角、方位角，鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆孔軌跡。通過(guò)對(duì)穿層鉆孔的軌跡測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)透明掘進(jìn)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。通過(guò)對(duì)鉆孔參數(shù)的測(cè)量，分析鉆孔覆蓋區(qū)域與范圍，減小鉆孔覆蓋空白帶，提高鉆場(chǎng)后續(xù)施工設(shè)計(jì)效果，提高瓦斯預(yù)抽效果。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鉆孔軌跡，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，利用鉆孔軌跡，分析鉆孔軌跡數(shù)據(jù)及鉆孔偏移規(guī)律。依據(jù)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)鉆場(chǎng)、巷道、煤層、預(yù)掘巷道、鉆孔軌跡進(jìn)行三維顯示，提高鉆孔施工效果，減少鉆孔覆蓋空白帶。

1 礦井地質(zhì)概況

煤礦位于貴州省盤縣東北部，煤層細(xì)—中條帶狀,見(jiàn)少量寬條帶；玻璃光澤和瀝青光澤為主；斷口主要為貝殼狀，見(jiàn)少量參差狀；質(zhì)松軟、性脆，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育。局部煤巖中含少量星點(diǎn)狀、蠕蟲狀黃鐵礦，發(fā)育內(nèi)生裂隙，宏觀煤巖類型為光亮型、暗淡型為主，半暗型次之，微觀煤巖類型為微鏡惰煤，煤質(zhì)為低灰—中高灰、特低硫、高揮發(fā)份、低磷、低固定碳、高發(fā)熱量，其工業(yè)用途可作動(dòng)力用煤和民用煤。

含煤地層賦存于上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，全區(qū)可采煤層8層。各煤層均以亮煤和暗煤為主，含鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。鉆孔勘探施工運(yùn)輸大巷為直墻半圓拱形斷面，采用錨網(wǎng)、錨索、噴漿聯(lián)合支護(hù)，巷道規(guī)格為下凈寬中高，巷道工作面標(biāo)高1300m，工作面埋深550m，周邊鄰近不受其它采掘影響。

2 技術(shù)措施

煤礦在井下進(jìn)行瓦斯抽放鉆孔施工中，由于受到煤層賦存條件、鉆桿鉆具的磨損、操作鉆機(jī)人員等因素的影響，很難保證鉆孔的實(shí)鉆軌跡能按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。導(dǎo)致瓦斯抽放空白帶的存在，增加瓦斯局部突出和超限的危險(xiǎn)，導(dǎo)致瓦斯抽放不充分。

利用隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鉆孔施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)鉆頭的軌跡，確保鉆孔按照設(shè)計(jì)角度進(jìn)行鉆進(jìn)。在監(jiān)測(cè)鉆孔走向的同時(shí)，采集鉆孔各位置的傾角、方位角、深度等參數(shù)，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，分析鉆孔軌跡數(shù)據(jù)及鉆孔偏移規(guī)律。

礦井在運(yùn)輸大巷側(cè)幫設(shè)計(jì)穿層抽采鉆孔預(yù)抽運(yùn)輸巷條帶煤層瓦斯，鉆孔分組布孔，組與組間距為4m，每組分兩豎排，每一豎排為4個(gè)鉆孔（鉆孔布置在同一垂直線上），豎排與豎排間距為2m。每組鉆孔平均長(zhǎng)度為105m，鉆孔終孔控制到煤層層面方向往上20m，往下15m范圍。其中，煤層厚度平均為2.0m，該標(biāo)高煤層平均傾角為20°。

依據(jù)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)鉆場(chǎng)、巷道、煤層、預(yù)掘巷道、鉆孔軌跡進(jìn)行三維顯示，顯示鉆孔軌跡與煤層的三維空間位置關(guān)系。分析鉆孔覆蓋區(qū)域，減小瓦斯抽放空白帶，減少瓦斯突出的危險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鉆孔軌跡儀可對(duì)已經(jīng)下過(guò)篩管的瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行測(cè)量，該設(shè)備具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、施工方便、便攜可靠等特點(diǎn)，鉆孔軌跡儀如圖1所示。

圖1 鉆孔軌跡儀

鉆場(chǎng)的鉆孔設(shè)計(jì)控制到22#煤層層位方向向上22m，向下14m。在巷道橫向方向每2m一組鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)縱向布置8個(gè)鉆孔，鉆孔平均深度100～130m。鉆孔設(shè)計(jì)開孔傾角在-2.5°～12°，鉆孔設(shè)計(jì)方位角為135°，設(shè)計(jì)鉆孔布置方式如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)鉆孔剖面圖

通過(guò)對(duì)巷道的鉆孔進(jìn)行隨鉆鉆孔軌跡測(cè)量，得到對(duì)應(yīng)的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出鉆場(chǎng)中每個(gè)鉆孔的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的剖面圖與水平面圖，如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與實(shí)際鉆孔軌跡剖面圖

圖4 設(shè)計(jì)鉆孔軌跡與實(shí)際鉆孔軌跡平面圖

由圖3、圖4可以看出，鉆孔實(shí)鉆軌跡傾角會(huì)隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，測(cè)量鉆孔100m深度平均向上偏差10m左右。方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，測(cè)量鉆孔100m 深度平均向右偏差5m 左右。實(shí)際測(cè)量鉆孔開孔傾角在-3.1°～12.3°之間，測(cè)量鉆孔開孔方位角在131.45°～140.95°之間，實(shí)際測(cè)量開孔方位角平均較設(shè)計(jì)開孔方位角大2°，測(cè)量開孔傾角與設(shè)計(jì)傾角偏差較小，開孔方位角與設(shè)計(jì)偏差較大。

通過(guò)對(duì)鉆場(chǎng)每個(gè)鉆孔軌跡的隨鉆測(cè)量，可以掌握每個(gè)鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，利用鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理及三維顯示，可以在三維空間中直觀地展示出每個(gè)鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差，顯示每個(gè)鉆孔軌跡與不同煤層之間的位置關(guān)系。

圖5中，實(shí)線為設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，點(diǎn)畫線為實(shí)測(cè)鉆孔軌跡，層狀體為設(shè)計(jì)煤層，框體為巷道。由圖5（a）可以看出，鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實(shí)鉆軌跡相對(duì)于設(shè)計(jì)軌跡普遍呈向右偏移趨勢(shì)。由圖5（b）可以看出，測(cè)量鉆孔軌跡隨著鉆孔深度的深入，鉆孔的實(shí)鉆軌跡相對(duì)于設(shè)計(jì)軌跡普遍呈現(xiàn)向上偏移趨勢(shì)。由圖5（c）可以看出，測(cè)量鉆孔軌跡沒(méi)有穿過(guò)預(yù)掘巷道位置，鉆孔的實(shí)鉆軌跡均偏離鉆孔設(shè)計(jì)，這為瓦斯與抽采效果及煤層巷道的掘進(jìn)埋下了隱患。

圖5 鉆孔軌跡三維成果圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉆孔實(shí)鉆軌跡傾角會(huì)隨著鉆孔深度的增大而向上偏移，方位角度隨著鉆孔深度的增大而向右偏移，偏移距離均隨著鉆孔深度增大而增大。鉆孔軌跡儀在現(xiàn)場(chǎng)使用適應(yīng)性較好，穿層鉆孔測(cè)量孔深在100～110m左右，鉆孔軌跡測(cè)量時(shí)間較短，儀器操作簡(jiǎn)單、可靠，滿足了煤礦的使用要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理與三維顯示，分析了鉆孔數(shù)據(jù)處理、三維顯示、鉆孔偏移規(guī)律，分析了鉆孔軌跡數(shù)據(jù)、鉆孔偏移特性。

通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡偏移規(guī)律的分析，可以提前對(duì)進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)修改或采取補(bǔ)孔措施?？捎行岣咩@孔施工效果，減少鉆孔施工空白帶的影響。

為保證瓦斯抽采鉆孔群的抽采效果，建議在鉆孔施工過(guò)程中使用鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)，對(duì)鉆孔進(jìn)行開孔及鉆孔軌跡測(cè)量。為鉆孔瓦斯抽采空白帶的定量評(píng)價(jià)提供方法與指標(biāo)，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與施工。