CN105064982A - 煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法，包括导向测量探管、通缆钢丝绳、绞车、信号电缆、孔口信号处理器、强磁短节、连接杆、旋转给进机构和导轨，导向对接时，将地面孔分为套管孔段、定向孔段、纠斜孔段和对接孔段，利用常规随钻测斜定向钻具组合进行定向孔段钻进，确保钻孔轨迹按设计延伸；然后利用导向对接装备测量出地面孔和煤矿井下巷道内靶点之间的相对位置参量，并对随钻测斜数据进行修正；再下入随钻测斜定向钻具组合进行纠斜钻进；最后采用泥浆复合钻进或空气反循环冲击钻进实现对接中靶，本发明可以用于煤矿区救援钻孔、电缆孔和通风孔等对接工程施工，具有定位误差小、中靶率高等优点。

Description

煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法

技术领域

本发明涉及煤矿应用的技术领域，尤其涉及一种煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法。

背景技术

随着煤矿工业的发展，出现许多新的工程需要，如煤矿区救援钻孔、电缆孔和通风孔等工程施工需要，这类工程的特点是通过在地面施工定向孔向煤矿井下巷道内已知目标靶点钻进，需要实现精确中靶。

目前主要采用螺杆马达定向钻进和随钻测量实时轨迹测量相结合的钻进工艺，并辅以单多点仪进行轨迹复检，来保证钻孔中靶。但是由于随钻测量系统每个测点的空间位置参数计算时均需要使用到上一个测点的相应参数，因此具有误差累积的缺点，即孔口处累积误差最小，钻孔越深，累积误差越大。即使采用单多点测斜仪进行轨迹复检，由于是以同一种方法进行同一地点的轨迹复检，并不可靠。由于煤矿救援钻孔、电缆孔和通风孔等工程钻孔施工成本高，靶区范围较小，中靶精度要求很高，使用常规随钻测斜定向钻具组合很难保证精确中靶，存在很大施工风险。

此外，地面孔还存在一种利用旋转磁测距系统(RMRS)进行导向对接的技术，该技术目前已成功应用于地面石油、煤层气、地质勘探和固体水溶矿产开采等领域，使用的条件是具有两个钻孔，一个直孔和一个水平定向孔，其中直孔用于放置测量探管，水平定向孔内下入人造磁信标，利用钻机转动钻杆柱旋转人造磁信标营造交变磁场的方式检测钻头与靶点之间的方位和距离，引导水平定向孔向直孔靶点对接，该技术具有距离靶点越近、测量信号越强、解析精度越高的特点。但是对于煤矿救援钻孔、电缆孔和通风孔等钻孔施工时，目标靶点是煤矿井下巷道内已有的空间，且呈近水平布置，不可能在地面提前施工一个直孔至目标靶点以放置测量探管，因此不能直接采用现有地面孔和水平孔导向对接装备和方法。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，结合煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确对接的工程需要，针对目前常规随钻测斜定向钻进存在累积误差、对接精度不高等不足，设计了一种煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法，克服了上述缺陷。

发明内容

本发明目的是针对现有常规随钻测量定向钻进对接精度不高的不足及新型工程精确中靶的需要，提供一种定位误差小、中靶率高的煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法。

为解决上述问题，本发明公开了一种煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备，至少包含地面设备和地下设备，所述地面设备至少包含导向测量探管和孔口信号处理器，地下设备至少包含强磁短节、连接杆、旋转给进机构和导轨，其特征在于：

所述导向测量探管内包含探测范围≥40m的交变磁场传感器，以检测所述强磁短节的交变磁场参数，所述导向测量探管内还包含加速度传感器和磁通门传感器，以检测导向测量探管的位置状态参数，所述导向测量探管连接至孔口信号处理器，从而将数据传递给孔口信号处理器并计算出地面孔和井下巷道内靶点之间的相对位置参量；

所述强磁短节在旋转速度为200～400r/min时会产生磁场半径≥40m的动态磁场，所述连接杆的一端与强磁短节连接，另一端与旋转给进机构连接，所述旋转给进机构的旋转速度为200～400r/min，并可在高速旋转的同时在导轨上匀速运动，旋转速度和运动速度均可调；所述导轨平铺在井下巷道内平面上距靶点1～2m的空地处。

其中：所述地面设备还包含通缆钢丝绳、绞车和信号电缆，所述通缆钢丝绳的一端与导向测量探管连接，另一端固定在绞车上，其内可设有与绞车的通讯接口相连的双股通信电缆，所述信号电缆的一端与孔口信号处理器连接，另一端与绞车上的通讯接口相连，以有效传递数据。

其中：所述通缆钢丝绳的双股通信电缆周缘设置多股钢丝以进行保护。

其中：所述的井下巷道内靶点包括煤矿井下已掘巷道、硐室和采空区等井下技术人员能进入的空间内设置的靶点。

还公开了一种煤矿区地面井与井下巷道内靶点精确导向对接方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：确定靶区范围，对井下巷道内靶点进行定位；

步骤二：确定地面孔的开孔点、孔身结构和钻孔轨迹，所述地面孔分为套管孔段、定向孔段、纠斜孔段和对接孔段四部分；

步骤三：开孔钻进并完成地面孔的套管孔段和定向孔段的施工；

步骤四：导向对接装备安装，在定向孔段施工完成后，提出孔内钻具并安装导向对接装备；

步骤五：导向定位测量，将导向测量探管分别下入到距井下巷道内靶点40m、35m和30m处进行导向定位测量，并得到三个位置中导向测量探管的位置状态参数及其所在位置与靶点的相对位置参量和三维坐标值；

步骤六：修正数据，根据三次导向定位测量结果对定向孔段获得的随钻测斜数据进行修正；

步骤七：纠斜孔段钻进，根据修正后的数据进行纠斜孔段施工；

步骤八：对接孔段钻进并对接中靶。

其中：在步骤二中，根据地面孔与井下巷道内靶点对接后的用途和地面地形情况选择地面孔的开孔点，根据地面孔的开孔点和井下巷道内目标靶点的坐标值确定地面孔的孔身结构和钻孔轨迹。

其中：在步骤二中，从开孔点至套管下入深度为套管孔段，套管下入深度至距靶点30m时的钻孔为定向孔段；距靶点10～30m间的钻孔为纠斜孔段；距井下巷道内靶点10m至靶点的钻孔为对接孔段。

其中：在步骤五中，将导向测量探管先下入到距井下巷道内靶点40m处，强磁短节定位在井下巷道内剖面上与靶点重合处，在煤矿井下启动旋转给进机构带动强磁短节高速旋转并沿导轨行走，每行走0.2～0.5m进行孔深标记，直至一个测量区段结束，导向测量探管将测量到的数据发送给孔口信号处理器，得到导向测量探管位置状态参数及其所在位置与靶点的相对位置参量，每个测量区段测量6～10次完成40m的导向定位测量，再分别将导向测量探管下入到距井下巷道内靶点35m和30m处通过相同方法进行导向定位测量。

其中：在步骤八中，若允许地面孔钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则利用随钻测斜定向钻具采用复合钻进工艺钻进至井下巷道内靶点，实现对接中靶；若不允许地面孔钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则将地面孔内随钻测斜定向钻具组合取出，下入钎头、气动潜孔锤和双壁钻杆等组成的对接钻进钻具组合，采用空气反循环顶替技术将地面孔内泥浆排出孔外，然后采用空气反循环冲击钻进至井下巷道内靶点，实现对接中靶。

以上所述的井下巷道内靶点包括煤矿井下已掘巷道、硐室和采空区等井下技术人员可进入的空间内设置的靶点。

通过上述结构可知，本发明的煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备及方法具有如下效果：

1、操作方便，定位误差小、中靶率高；

2、实现了煤矿区地面孔与井下巷道内目标靶点精确对接，满足煤矿救援钻孔、电缆孔和通风孔等工程施工需要；

3、综合了螺杆马达轨迹调控、随钻测斜装置实时钻孔轨迹测绘和螺杆马达工具面测量、导向对接装备近距离精确定位导向、空气反循环钻进等技术，避免对接成功后巷道内涌入泥浆等功能。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备的结构示意图。

附图标记：

地面孔1、井下巷道内靶点2、导向测量探管3、通缆钢丝绳4、绞车5、信号电缆6、孔口信号处理器7、强磁短节8、连接杆9、旋转给进机构10、导轨11。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备。

所述煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备至少包含地面设备和地下设备，所述地面设备至少包含导向测量探管3和孔口信号处理器7，地下设备至少包含强磁短节8、连接杆9、旋转给进机构10和导轨11。

其中，所述导向测量探管3可为圆柱状，其内包含交变磁场传感器，其探测范围≥40m，以检测所述强磁短节8的交变磁场参数，所述导向测量探管3内还包含加速度传感器和磁通门传感器，以检测导向测量探管3的位置状态参数，所述导向测量探管3连接至孔口信号处理器7，从而将数据传递给孔口信号处理器7，所述孔口信号处理器7接收数据后，可计算出地面孔1和井下巷道内靶点2之间的相对位置参量(包含距离、顶角和方位角偏差等)。

其中，所述地面设备还可包含通缆钢丝绳4、绞车5和信号电缆6，所述通缆钢丝绳4的一端与导向测量探管3连接，另一端固定在绞车5上，其内可设有与绞车5的通讯接口相连的双股通信电缆，可选的是，所述通缆钢丝绳4的双股通信电缆周缘设置多股钢丝以进行保护；所述绞车5可安装在机动车上，以提高机动性和可操作性，所述绞车5包含缠绕通缆钢丝绳4来提升导向测量探管3的卷筒，并设置有通讯接口；所述信号电缆6的一端与孔口信号处理器7连接，另一端与绞车5上的通讯接口相连，以有效传递数据。

其中，所述强磁短节8可为圆柱状结构，其在旋转速度为200～400r/min时会产生磁场半径≥40m的动态磁场；所述连接杆9的一端与强磁短节8连接，另一端与旋转给进机构10连接；所述旋转给进机构10的旋转速度可为200～400r/min，并可在高速旋转的同时在导轨上匀速运动，旋转速度和运动速度均可调；所述导轨11平铺在井下巷道内平面上距靶点2约1～2m的空地处，并设置有长度标尺，其上可以运行旋转给进机构10。

通过上述设备的相互配合和设置，可在地面孔1中实时得到导向测量探管3和井下巷道内靶点2的相对位置参量，并便于实时的修正和导向。

其中，煤矿区地面井与井下巷道内靶点精确导向对接方法包含如下步骤：

步骤一：确定靶区范围，对井下巷道内靶点2进行精确定位，测量出三维坐标值；

步骤二：确定孔身结构和钻孔轨迹，既根据地面孔1与井下巷道内靶点2对接后的用途和地面地形情况，选择地面孔1的开孔点，并准备好钻场，根据地面孔1开孔点和井下巷道内目标靶点2的坐标值设计地面孔1的孔身结构和钻孔轨迹；

其中，可将地面孔1分为套管孔段、定向孔段、纠斜孔段和对接孔段四部分，其中从开孔点至套管下入深度为套管孔段，套管下入深度至距井下巷道内靶点230m时的钻孔为定向孔段；距井下巷道内靶点210～30m间的钻孔为纠斜孔段；距井下巷道内靶点210m至井下巷道内靶点2的钻孔为对接孔段。

步骤三：开孔钻进并完成地面孔1的套管孔段和定向孔段的施工，其中，所述定下孔段的施工可通过下入随钻测斜定向钻具组合进行钻入施工，并可实时测量出钻孔空间轨迹；

步骤四：导向对接装备安装，在定向孔段施工完成后，提出孔内钻具并安装导向对接装备，可利用绞车5使用通缆钢丝绳4将导向测量探管3下入地面孔1中，在煤矿井下将导轨11铺设在井下巷道内平面上距目标靶点2大致1～2m的空地处，将旋转给进机构10安装在导轨上，强磁短节8通过连接杆9与旋转给进机构10连接起来。

步骤五：导向定位测量，将导向测量探管3分别下入到距井下巷道内靶点2约40m、35m和30m处进行导向定位测量，并得到三个位置中导向测量探管的位置状态参数及其所在位置与井下巷道内靶点2的相对位置参量和三维坐标值；其中，将导向测量探管3先下入到距井下巷道内靶点2约40m处，强磁短节8定位在井下巷道内剖面上与靶点2重合处，在煤矿井下启动旋转给进机构10带动强磁短节8高速旋转并沿导轨行走，每行走0.2～0.5m井下技术人员利用已有的煤矿通讯系统向地面技术人员报告，地面技术人员进行孔深标记，直至一个测量区段结束；导向测量探管3将测量到的数据发送给孔口信号处理器7，地面技术人员利用孔口信号处理器7对测量数据进行处理和计算，得到导向测量探管3位置状态参数及其所在位置与井下巷道内靶点2的相对位置参量；每个测量区段测量6～10次，单次行走距离可根据井下巷道内靶点附近空间大小确定，采用同样方法，分别将导向测量探管3下入到距井下巷道内靶点2约35m和30m处，进行导向定位测量，并得到导向测量探管3位置状态参数及其所在位置与井下巷道内靶点2的相对位置参量和三维坐标值。

步骤六：修正数据，在导向定位测量结束后，将地面孔1和煤矿井下巷道内的导向对接装备撤离，根据三次导向定位测量结果对定向孔段获得的随钻测斜数据进行修正，确保修正后的地面孔1孔底与井下巷道内靶点2的相对位置参量应与导向测量结果相同。

步骤七：纠斜孔段钻进，根据修正后的数据进行纠斜孔段施工，可通过可从地面孔1下入随钻测斜定向钻具组合，根据导向定位测量获得的地面孔1与井下巷道内靶点2的相对位置参量及螺杆马达造斜规律调整螺杆马达工具面方向将地面孔1实钻轨迹向井下巷道内靶点2调整。

步骤八：对接孔段钻进并对接中靶，若允许地面孔1钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则利用随钻测斜定向钻具采用复合钻进工艺钻进至井下巷道内靶点2，实现对接中靶；若不允许地面孔1钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则将地面孔1内随钻测斜定向钻具组合取出；下入钎头、气动潜孔锤和双壁钻杆等组成的对接钻进钻具组合，采用空气反循环顶替技术将地面孔1内泥浆排出孔外，然后采用空气反循环冲击钻进至井下巷道内靶点2，实现对接中靶。

其中，本发明的井下巷道内靶点包括煤矿井下已掘巷道、硐室和采空区等井下技术人员可进入的空间内设置的靶点。

本发明利用常规随钻测斜定向钻具组合进行定向孔段钻进，确保钻孔轨迹按设计延伸；然后利用导向对接装备测量出地面孔和井下巷道内靶点之间的相对位置参量(距离、顶角和方位角偏差)，并对随钻测斜数据进行修正；再下入常规随钻测斜定向钻具组合进行纠斜钻进；最后采用泥浆复合钻进或空气反循环冲击钻进实现对接中靶。本装备及技术方法可以用于煤矿区救援钻孔、电缆孔和通风孔等对接工程施工，具有定位误差小、中靶率高等优点。

尽管本文较多地使用了地面孔1、井下巷道内靶点2、导向测量探管3、通缆钢丝绳4、绞车5、信号电缆6、孔口信号处理器7、强磁短节8、连接杆9、旋转给进机构10和导轨11，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (9)

1.一种煤矿区地面孔与井下巷道内靶点精确导向对接装备，至少包含地面设备和地下设备，所述地面设备至少包含导向测量探管和孔口信号处理器，地下设备至少包含强磁短节、连接杆、旋转给进机构和导轨，其特征在于：

所述导向测量探管内包含探测范围≥40m的交变磁场传感器，以检测所述强磁短节的交变磁场参数，所述导向测量探管内还包含加速度传感器和磁通门传感器，以检测导向测量探管的位置状态参数，所述导向测量探管连接至孔口信号处理器，从而将数据传递给孔口信号处理器并计算出地面孔和井下巷道内靶点之间的相对位置参量；

所述强磁短节在旋转速度为200～400r/min时会产生磁场半径≥40m的动态磁场，所述连接杆的一端与强磁短节连接，另一端与旋转给进机构连接，所述旋转给进机构的旋转速度为200～400r/min，并可在高速旋转的同时在导轨上匀速运动，旋转速度和运动速度均可调；所述导轨平铺在井下巷道内平面上距靶点1～2m的空地处。

2.如权利要求1所述的导向对接装备，其特征在于：所述地面设备还包含通缆钢丝绳、绞车和信号电缆，所述通缆钢丝绳的一端与导向测量探管连接，另一端固定在绞车上，其内可设有与绞车的通讯接口相连的双股通信电缆，所述信号电缆的一端与孔口信号处理器连接，另一端与绞车上的通讯接口相连，以有效传递数据。

3.如权利要求2所述的导向对接装备，其特征在于：所述通缆钢丝绳的双股通信电缆周缘设置多股钢丝以进行保护。

4.如权利1-3所述的导向对接装备，其特征在于，所述的井下巷道内靶点包括煤矿井下已掘巷道、硐室和采空区等井下技术人员能进入的空间内设置的靶点。

5.一种煤矿区地面井与井下巷道内靶点精确导向对接方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：确定靶区范围，对井下巷道内靶点进行定位；

步骤二：确定地面孔的开孔点、孔身结构和钻孔轨迹，所述地面孔分为套管孔段、定向孔段、纠斜孔段和对接孔段四部分；

步骤三：开孔钻进并完成地面孔的套管孔段和定向孔段的施工；

步骤四：导向对接装备安装，在定向孔段施工完成后，提出孔内钻具并安装权利要求1-4中任一所述的导向对接装备；

步骤五：导向定位测量，将导向测量探管分别下入到距井下巷道内靶点40m、35m和30m处进行导向定位测量，并得到三个位置中导向测量探管的位置状态参数及其所在位置与靶点的相对位置参量和三维坐标值；

步骤六：修正数据，根据三次导向定位测量结果对定向孔段获得的随钻测斜数据进行修正；

步骤七：纠斜孔段钻进，根据修正后的数据进行纠斜孔段施工；

步骤八：对接孔段钻进并对接中靶。

6.如权利要求5所述的导向对接方法，其特征在于：在步骤二中，根据地面孔与井下巷道内靶点对接后的用途和地面地形情况选择地面孔的开孔点，根据地面孔的开孔点和井下巷道内目标靶点的坐标值确定地面孔的孔身结构和钻孔轨迹。

7.如权利要求5所述的导向对接方法，其特征在于：在步骤二中，从开孔点至套管下入深度为套管孔段，套管下入深度至距靶点30m时的钻孔为定向孔段；距靶点10～30m间的钻孔为纠斜孔段；距井下巷道内靶点10m至靶点的钻孔为对接孔段。

8.如权利要求5所述的导向对接方法，其特征在于：在步骤五中，将导向测量探管先下入到距井下巷道内靶点40m处，强磁短节定位在井下巷道内剖面上与靶点重合处，在煤矿井下启动旋转给进机构带动强磁短节高速旋转并沿导轨行走，每行走0.2～0.5m进行孔深标记，直至一个测量区段结束，导向测量探管将测量到的数据发送给孔口信号处理器，得到导向测量探管位置状态参数及其所在位置与靶点的相对位置参量，每个测量区段测量6～10次完成40m的导向定位测量，再分别将导向测量探管下入到距井下巷道内靶点35m和30m处通过相同方法进行导向定位测量。

9.如权利要求5所述的导向对接方法，其特征在于：在步骤八中，若允许地面孔钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则利用随钻测斜定向钻具采用复合钻进工艺钻进至井下巷道内靶点，实现对接中靶；若不允许地面孔钻进用泥浆进入煤矿井下巷道，则将地面孔内随钻测斜定向钻具组合取出，下入钎头、气动潜孔锤和双壁钻杆等组成的对接钻进钻具组合，采用空气反循环顶替技术将地面孔内泥浆排出孔外，然后采用空气反循环冲击钻进至井下巷道内靶点，实现对接中靶。