钻孔快速开孔技术

钻孔快速开孔技术

周韬

淮南矿业集团通防地质部

摘要：井下钻孔施工一般采用方位尺、度尺配合基准线进行钻孔倾角、方位角等参数确定，操作繁琐，且人工测量误差较大，影响钻孔施工精度。采用基于陀螺仪技术的姿态仪，通过感应地球的自转来寻北并测量方位角，加速度计通过感应重力加速度来测量倾角，实现实时测量及显示当前钻机的方位角和倾角，大大提高了钻孔定位精度和施工效率。

关键词：钻孔定位；姿态仪；

1问题提出

钻孔开孔参数的确定，直接影响钻孔的终孔落点位置。对于穿层钻孔而言，终孔位置变化直接影响抽采控制范围；对于顺层钻孔而言，终孔位置变化可能造成钻孔提前见岩，降低钻孔的见煤率，出现抽采“空白带”。

传统钻孔开孔参数的确定方法是利用方位尺、度尺来确定钻孔的方位和倾角，但均存在一定的误差影响。

1.1在方位确定上，传统量方位方法虽然确定方法有很多，但是都需要借助两条及以上的辅助线。首先要确定基准线并做垂线；其次通过基准线垂线使用“平行四边形法”或“垂线法”将基准线引至钻上方，手持方位尺来放方位。由于辅助线较多，并受井下风流影响，造成较大的度量误差。

1.2在确定倾角上，传统量倾角方法则是通过度尺来确定的，是将度尺靠在平行于钻杆的滑道上，由于基准面着力点高低不平或度尺本身形变，从而导致度量的倾角为“伪倾角”。此种方法受客观因素影响，常常使所量角度与设计值产生偏差（度尺最小刻度标为0.333··°），不能够非常准确的确定钻孔参数。

2解决方案

从设备上进行改变，摒弃老式的度量工具方位尺、度尺，引入新式测量装备，减少个人操作因素和其他客观因素的影响，提高钻孔参数在现场确立实施的可靠性、准确性。为此采用姿态仪来确定钻孔的施工参数，即准确又快速，减少了职工的误操作影响，操作简单，方便。

3原理与结构

3.1工作原理

姿态仪是基于陀螺仪技术的仪器，陀螺仪通过感应地球的自转来寻北并测量方位角，加速度计通过感应重力加速度来测量倾角。在静止状态下，姿态仪通过陀螺仪进行寻北，寻北时间为3min左右，寻北完成后显示姿态仪当前的方位角和倾角。当其方位和倾角发生变化时，姿态仪能实时测量及在其显示屏上显示出当前的方位角和倾角。

图1姿态仪原理框图

3.3主要结构及技术特点

姿态仪主要由测量部分、显示部分和电池组组成，为整体结构（电池可拆卸，连续工作时间达36h），重量约为4kg，携带方便，能够满足井下使用需要。

3.4使用方法

电源按钮开关控制姿态仪的通断电，指示灯显示电源通断状态；数码管分别显示方位角、倾斜角值，五个电量指示灯显示当前电池电量情况。

操作使用时按以下步骤进行：

3.4.1将姿态仪水平放置（用肉眼观察大致水平即可）；

3.4.2按下电源按钮，数码管上出现从199到0的倒计时，姿态仪开始寻北，在寻北过程中，姿态仪应保持静止状态。

3.4.3当倒计时结束后，即寻北完成，数码管上显示姿态仪当前的方位角和倾角值。

3.4.4将姿态仪固定在钻机机架导轨上进行测量，此时在钻机机架导轨方位角和倾角变化过程中，姿态仪能实时测出方位角和倾角的值。

4现场应用

集团公司地质勘探工程处在顾桥矿南三矸石胶带机石门揭煤期间试用了此装备。该处打钻地点巷道方位为方位281°。钻孔设计均为上向穿层卸压钻孔，11-2煤层厚度约2.70m，瓦斯压力0.4MPa，瓦斯含量5.10m3/t；11-3煤层厚度小于0.3m，瓦斯压力0.26MPa，瓦斯含量3.79m3/t。

设计钻孔共11排，160个穿层钻孔，总钻孔量6175m。钻孔方位以巷道掘进中线为准，偏左为“-”，偏右为“+”，方位角范围为-58°～58°。倾角以水平面为准，往上为“+”，往下为“-”，倾角范围为8.5°～52.5°。下图为钻孔施工平面图如图2所示，剖面图如图3所示。

图2钻孔施工平面图

图3钻孔施工剖面图

2016年7月18日中班～8月3日夜班期间，共试验钻孔130多个，钻孔方位平均误差0.18°，钻孔倾角平均误差0.09°。

5取得效果

5.1精确度高。采用姿态仪测量数据误差小，单孔最大方位误差0.3°，倾角最大误差0.2°，能够满足钻孔施工需要。

5.2测量效率高。姿态仪整个测量辅助时间短，约2min完成。传统测量方法需要30min，使用，效率提高了15倍。钻孔数量越多，测量时间余越短。

5.3受外界干扰少，操作简单。采用陀螺仪测方位，不受磁场干扰；姿态仪为便携式测量设备，重量轻，易携带，可直接读取数据。

6结语

通过姿态仪进行钻孔定位，能保证钻机定位精度，从而提高钻孔施工准确性，保证钻孔能够施工到位，并大幅节省操作时间，提高打钻效率，有了的保障了井下防突、瓦斯抽采钻孔施工质量，是一项值得推广应用的技术。

参考文献：

[1]马继扬.光纤陀螺仪在井下钻孔定位中的应用研究[D].安徽理工大学，2014.

[2]刘兰芳，陈刚，金国良.光纤陀螺仪基本原理与分类[J].现代防御技术，2007（02）：59-64.