张 军，雷晓荣，王信文

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

近年来，随钻测量技术[1-3]逐渐成为煤矿井下钻孔施工的有效技术手段，并应用于煤矿探放水、瓦斯治理、地质勘探等领域[4-7]。随着钻进技术的发展，矿井钻孔施工对随钻测量系统提出越来越高的要求[8-9]，但煤矿井下钻探领域现有的测量显示软件或监控软件仍存在以下几点主要问题。轨迹数据和工况参数都不能及时传输到地面，人工携带数据的方式导致施工效率低；目前的区域钻孔空间布置效果评价只是针对单孔采集的数据上图到CAD平面图和剖面图后通过人工分析的方法评价，做不到三维显示煤层走势和空间孔群分布直观显示；未见有效的钻孔施工质量综合评价方法；计算机辅助设计定向钻孔等技术手段覆盖面小，使得复杂地层钻探和深部钻探钻孔轨迹监控优化设计涉及到巨量计算，使设计过程更加繁琐，导致设计效率低、精度差。目前随钻测量系统存在的主要问题是，数据处理方式简单，数据处理的过程主要是将深度、倾角、方位角数据通过计算转换为钻孔二维轨迹数据，绘制简单的钻孔二维偏差图，这样的数据处理结果及成果显示方式很难直观再现钻孔在三维空间的分布情况。在数据计算中也没有对原始数据校正的模块，导致计算误差较大。数据处理中也没有能够与其他成图显示软件进行结合的模块，不利于煤矿有效的利用数据处理成果。因此，需要针对以上问题提供能够预测与控制轨迹；能够快速地传输与处理钻孔数据；能够在三维空间展示钻孔的孔群分布并实现煤层顶底板起伏变化趋势并预警错误数据；实现钻头姿态参数、钻孔深度和工况参数的准确监测和甄别；全数据分析法实现钻孔施工质量评价；实现区域钻孔空间布置效果评价，指导钻孔施工的科学事实；能够进行多数据信息融合[10-12]的技术方法。

根据钻孔测量数据处理的需求设计了软件功能模块[13]，基于C#语言与SQL Server数据库开发平台设计数据处理软件[14-16]，软件可以实现钻孔轨迹数据的实时传输、数据处理成图、数据CAD成图、钻孔质量评价、钻孔轨迹三维显示等功能。目前，煤矿井下的随钻测量软件数据处理功能简单，不具备数据的实时传输、钻孔质量评价、钻孔轨迹三维显示等功能，无法实现钻孔施工信息与钻机相关参数信息的融合。开发出的随钻测量数据处理软件具有操作简便、功能全面、显示效果好等特点，可完成实时传输与处理钻孔数据，数据处理成图、数据CAD成图、钻孔质量评价、钻孔轨迹三维显示、钻孔群数据库管理等，为优化钻孔施工提供技术支撑。

1 数据处理系统设计

1.1 软件整体设计

矿井随钻测量系统主要由钻机、测量探管、显示监视器等组成[17-20]，鉴于钻孔钻探的需求，随钻测量数据处理软件设计研发了3个主要功能模块：数据传输模块、数据处理模块和三维显示模块，如图1所示。其中随钻测量模块包含钻孔轨迹设计、数据管理及操作、数据实时传输、钻孔测量数据处理、钻孔轨迹数据质量评价、钻孔深度计算、钻孔测量数据管理、钻孔轨迹三维数据显示、钻场孔群数据三维显示，重点是数据实时传输、钻孔深度计算及钻场孔群数据的三维显示[21-23]。

图1 矿井随钻测量数据处理系统示意

钻孔数据的处理是对钻孔轨迹进行深层次的数据挖掘，将抽象的钻孔施工进行形象化的实体呈现，便于钻孔现场施工，在钻孔数据处理中主要包括钻孔轨迹设计与预测、钻孔数据库管理、孔群三维显示等功能。

1.2 钻井随钻测量关键技术

1)实时数据通信技术。通常随钻测量数据只有在钻孔钻进完成后，数据在地面进行处理并成图，这样降低了钻孔数据为钻孔施工的服务效率，如果可以在钻进完成后第一时间了解钻孔轨迹情况，便可有效地为钻孔提供有效的设计数据。针对这样的问题，研究了钻孔数据实时传输方法，可以实现钻孔数据实时传输至地面并进行成图分析，提供下一步钻探建议。

2)钻孔综合参数监测。在定向钻进的施工过程中，为获取有效的钻孔数据，需要对钻孔数据进行全面的掌握与分析，不仅对钻孔轨迹数据需要掌握，同时需要了解钻机给进压力、钻进与退钻状态等，这样才可以全面掌握钻机施工状态及钻孔质量。将钻探人工的经验数据化、信息化，分析钻机施工全程参数与钻孔轨迹、钻孔深度、钻孔分析等之间的关系显得尤为重要。

3)钻孔轨迹三维显示。目前的随钻测量软件主要关注钻孔数据，但是在钻孔轨迹三维可视化显示中的研究稍显不足。在钻进施工完成后，只有将钻孔轨迹及钻孔群数据有效、直观的显示，才能达到钻探施工的目的，才能更好地指导施工。

2 数据处理软件功能

2.1 钻孔轨迹坐标计算方法

以开孔数据作为起点，以第一组钻孔轨迹测量数据为当前组，计算出当前组与起点数据的倾角平均值、倾角差、坐标方位角平均值、坐标方位角差和孔深差，并依据最小曲率法计算出当前组相对于起点的东西偏差、南北偏差和垂直偏差，最终得出当前组的东西坐标、南北坐标和垂直标高，以当前组为起点，以下一组钻孔轨迹测量数据为当前组，依次计算出所有测量数据对应的东西坐标、南北坐标和垂直标高。

2.2 基于蓝牙与WIFI的数据传输

蓝牙与WIFI是数据交互的主要接口，被广泛应用于工业仪器监测中。由于考虑到不同矿井钻场数据信号接入方式不同，采用蓝牙与WIFI相结合的方式进行数据传输，保证数据能够及时进行实时传输。钻孔数据在测量完成后通过网络实时传输至地面数据处理中心，随钻测量数据处理软件通过网络接收来自井下的钻孔测量数据。结合随钻测量产品的特点，设置专用的通信方式，其数据通信软件界面如图2所示。

图2 钻孔测量数据实时传输模块

钻孔测量数据与网络通信过程如下：①确认探管、显示控制器、网络信号连接均正常；②新建钻场及钻孔信息；③输入钻孔开孔信息；④设置钻进参数；⑤在钻孔测量完成之后将钻孔数据通过蓝牙或WIFI信号实时传输至地面，地面通过数据处理软件进行数据的接收机后续的处理。钻孔测量及数据通信流程，如图3所示。

图3 随钻测量操作流程

软件中数据处理模块接收井下采集的原始数据，并将接收的原始数据帧自动解析为十进制数字，并保存为XML或TXT格式的中间数据。在钻孔数据传输完成后，可使用该数据处理软件进行数据的进一步处理与成图。数据信号通信的启动与关闭以软件系统的命令为准。

2.3 数据处理模块

数据处理模块。在测量数据传输至地面处理中心后，对获取的数据进行处理，按照施工要求建立巷道、钻场、钻孔等相关信息。并对钻孔轨迹等相关参数进行图形显示与数据管理。在钻孔轨迹数据处理中，首先要进行数据的预处理，数据预处理界面如图4所示。数据预处理主要是将在测量中，由于误操作产生的原始数据奇异点进行修改与校正。

图4 钻孔测量数据预处理

数据预处理中的原始数据奇异点校正首先需要根据原始数据的具体数值进行分析。在原始数据不存在测量错误，只存在测量误差的情况下进行奇异点的数据校正。数据校正方法可以通过对原始数据的倾角、方位角与工具面向角之间的关系的分析。使用相关性分析的方法分别分析倾角数据与工具面向角数据，方位角数据与工具面向角数据之间的相关性，经过曲线数据相关性分析后进行倾角数据曲线与工具面向角曲线排齐，方位角数据曲线与工具面向角曲线排齐，给定校正系数，进行曲线校正。

1)数据处理模块。数据处理主要是利用钻孔测量的倾角、方位角、钻孔深度以及工具面向角等参数进行钻孔轨迹的计算，计算完成后可以得到钻孔的上下、左右位移偏差值，钻孔轨迹在地理坐标系中的地理坐标值以及在三维空间的坐标值等。

2)图形显示及处理。针对钻孔实钻数据，需要在二维坐标内显示钻孔轨迹“水平-左右”和“水平-上下”的位移投影，可在仿三维空间中显示钻孔轨迹开孔及轨迹与空间位置的相对关系。可对二维及三维图形进行缩小、放大、空间移动的操作，可保存视图中的二维及三维图形。

3)CAD绘图坐标计算与绘制。在数据处理中，在计算钻孔轨迹的同时生成钻孔轨迹地理坐标数据，生成的地理坐标数据可直接用于在CAD图形中绘图，这改变以往钻孔数据无法与CAD地质图有效结合的弊端，为钻孔在矿井的应用以及钻孔设计提供便利。

4)钻孔深度计算。采用二分查找法从大量数据中筛选出特征数据并自动甄别出压力值和静水压力值，通过专用的监测算法计算钻孔终孔深度值。计算钻孔深度主要目的是检验钻孔终孔位置在岩层中的分布状况，判断是否达到钻孔设计的标准。

通过以上主要模块对钻孔数据的处理，可以更加有效地利用钻孔数据，有助于相关部门部署针对性的决策，更好地为煤矿安全服务。钻孔轨迹数据处理过程，如图5所示。

图5 随钻测量数据处理

2.4 钻孔数据管理模块

钻场数据库管理是对钻孔数据的深层次处理，主要作用是对矿井巷道、钻场、钻孔群、钻孔等的精确控制与管理，从钻孔数据测量开始，可选择模块中各功能操作，功能有打开巷道数据、新建巷道、新建钻场、新建钻孔以及数据的保存和输出等。

数据库的管理及操作可以对钻场、钻孔等不同类型的数据进行添加、修改、删除操作。可对矿井全部巷道、单条巷道、单个钻场、单个钻孔等数据进行编辑以及输入与输出，确保数据的可操作性。通过钻孔数据库管理，可以将矿井所有钻孔数据进行有机管理，避免了以往数据易丢失以及钻孔数据利用率较低的情况。

2.5 钻孔轨迹质量评价模块

采集钻场内全部钻孔的设计、实钻的进煤点、出煤点坐标参数转化为边界文件格式，通过绘制地图的方式转化为基面图显示。钻孔质量评价过程如图6所示。

图6 钻孔质量评价过程

对孔号、高度等参数的不同标识可直观的显示钻场区域内钻孔的覆盖面图，从覆盖面图可以看出该区域钻孔分布是否均匀、是否存在空白带，对区域空白带通过覆盖面图采集的坐标自动计算补充钻孔的开孔角度，设计科学的钻孔施工顺序，从而更好地指导后续钻孔施工。

该模块从钻孔深度的计量情况、钻进过程中的水力或风力推进情况、正常钻进或提钻退钻情况、测量数据的可靠性、钻机钻进效率等方面对钻孔施工质量进行综合评价。钻孔施工质量进行综合评价界面，如图7所示。

图7 钻孔质量评价模块

采集全数据分析法需要的巷道、钻场参数，设计、实钻钻孔参数，设计、实钻进煤点、出煤点参数，压力和静水压力，探管采集的参数深度、倾角、方位角、测量时间等参数，经过转化和计算以图形的方式显示出来。

钻孔质量评价主要是通过全程测量的钻孔深度、倾角、方位角、钻孔水压等参数。通过计算与图形绘制，评价钻孔施工质量、施工效率以及施工钻孔的有效性。

2.6 钻孔数据三维显示模块

计算机三维成图技术实现巷道、钻场、钻孔轨迹数据(设计数据与实际数据)的三维立体展示，设计钻孔通过煤层的进煤点坐标、出煤点坐标与实际钻孔轨迹通过煤层的进煤点坐标、出煤点坐标经过离散数据点网格化后生成进煤点曲面和出煤点曲面，结合实际的煤层厚度生成煤层实体的空间模型，这里实际煤层厚度是通过实钻轨迹与见煤点、出煤点的空间坐标位置关系确定的，然后修正设计的(其他方式测量的)煤层厚度参数。根据揭露的煤层顶底板起伏变化趋势在后续的钻孔施工中甄别错误数据，减少空白带。钻孔坐标转换计算可转换为钻孔相对坐标，也可转换为钻孔的地理坐标。

首先对钻孔轨迹所处的坐标系在水平面按照原点进行顺时针旋转，旋转角度为钻孔设计轨迹的设计坐标方位角，在形成的新坐标系中，横坐标值即为钻孔轨迹各有效测量点的左右偏差值；将新的坐标系在铅垂面按照原点进行逆时针旋转，旋转角度为钻孔设计轨迹的设计倾角，纵坐标值即为钻孔轨迹各有效测量点的左右偏差值。

x′=xcosθ-ysinθ+Δx

(1)

y′=ycosθ-xsinθ+Δy

(2)

z′=z+Δz

(3)

式中：x′为转换后三维坐标系x坐标，m；x为转换前钻孔轨迹x坐标，m；θ为三维坐标旋转角度，(°)；Δx为三维坐标系与钻孔轨迹二维坐标差值；y′为转换后三维坐标系y坐标值，m；y为转换前钻孔轨迹y坐标，m；Δy为三维坐标系与钻孔轨迹二维坐标差值；z′为转换后三维坐标系z坐标，m；z为转换前钻孔轨迹z坐标，m；Δz为三维坐标系与钻孔轨迹二维坐标差值。

经过坐标转换后的三维数据体可在三维空间进行成图。成图时需要首先建立巷道坐标数据、钻场坐标数据、钻孔坐标数据以及其他相应目的煤层及其他坐标数据。在坐标数据建立完成后，可绘制巷道钻孔三维轨迹设计图与实钻钻孔轨迹图。钻孔数据三维效果如图8所示。

建立基于面积的直角三角覆盖面积法，扩展了覆盖面积的概念，不再严格要求覆盖体具体的形式，而是以面积为覆盖单元，可以灵活组合运用计算，针对空间分形曲线具有更强的适用性。能够较好地反映钻孔在见煤点与出煤点的空间性，覆盖面积法是一种研究钻孔三维轨迹以及煤(岩)层三维空间赋存情况的新方法。

3 现场试验

在淮北某煤矿进行现场试验，试验的主要目的是在底抽巷道进行钻探，设计仰角孔向上钻进深度不等的钻孔，使所有钻孔整体穿越煤层，从而抽取煤层中的瓦斯气体，为下一步在煤层中施工巷道提供安全保障。试验设备为：YZG7随钻测量探管、显示控制器、73 mm通缆钻杆、73 mm无磁钻杆等。在该钻场进行了63个孔的钻孔施工，横向一条线9个钻孔，共7条线，其中钻孔开孔间距0.5 m。因此，最下面一条线定义为1号线，最左边钻孔定义为1号钻孔，则最下角钻孔为1-1号钻孔，这里转换为相对钻场的相对坐标，则其孔口相对坐标为(0，0，0)，最右上角钻孔为7-9号钻孔，孔口相对坐标为(4，3.5，0)。钻孔测量数据在完成每个孔测量后，通过在线数据传输系统传输至地面进行数据处理、录入数据库、绘图等操作。钻孔的空间分布及钻孔终孔见煤位置分布，如图9、图10所示，可真实反映出钻孔的轨迹趋势与空间分布。在钻探施工中主要针对随钻测量数据实时传输与钻孔数据处理模块中的三维显示部分进行测试，结果表明软件运行稳定、操作简单，易于现场使用。

图9 钻孔轨迹三维空间分布

图10 施工钻孔见煤点分布

图9中蓝色线条为钻场实钻轨迹，彩色曲面图为根据见煤位置绘制的煤层基面图，根据钻孔轨迹的控制以及实际见煤点的计算和处理，可以比较清楚的了解钻探区域钻孔轨迹情况以及钻孔中煤层赋存情况。

图10a中黑色圆圈表示设计见煤点位置、红色圆点表示实际见煤点位置，蓝色矩形为设计巷道位置。通过对设计与实钻见煤点的对比可以看出：设计见煤点为等间距分布，实际见煤点为不等间距、无规则分布，这是由于钻孔在钻进过程中随着轨迹的变化，见煤点没有按照设计见煤点位置分布。通过对比主要得到实钻见煤点位置，为下一步钻孔设计提供依据。

图10b为钻孔见煤点分布，图中黄色长方体为巷道及钻场位置，橙色线条为设计钻孔轨迹，橙色圆柱体为设计见煤点位置；蓝色线条为实钻钻孔轨迹，黑色圆柱体为实际见煤位置。从该钻场钻孔轨迹整体情况看，通过对实钻钻孔轨迹的测量以及补孔，补孔后钻孔覆盖情况相对较好，钻孔见煤点较为均匀，能够更好地达到钻孔抽放瓦斯的要求。

4 结 论

1)当前随钻测量系统存在的主要问题是数据处理方式简单，数据处理主要是将钻孔轨迹测量得到的数据参数转换为钻孔二维轨迹数据，绘制钻孔二维偏差图，很难直观再现钻孔在三维空间的分布情况。通常的数据处理功能中也没有能够与AutoCAD进行有机结合的模块，不利于煤矿有效地利用数据处理成果，数据处理软件的有效性较低。

2)通过对钻孔测量数据的研究与分析，发现该矿井随钻测量数据处理软件的使用可以很好地解决目前在钻孔数据利用中的诸多难题，软件可以实现钻头姿态参数、钻孔深度和工况参数的准确监测和甄别；三维成图技术实现煤层顶底板起伏变化趋势并预警错误数据；覆盖面积法实现区域钻孔空间布置效果评价，指导钻孔施工的科学实施；全数据分析法实现钻孔施工质量评价等科学难题。

3)系统以可扩展标记语言作为数据介质，兼容存储式随钻测斜、全方位测斜仪和手持式测斜仪等系列化产品，提高客户体验。现场试验证明，随钻测量及钻孔数据处理软件通信稳定、测量准确、功能全面、操作简单，可使钻孔施工人员全面掌握施工信息，提高施工效率。