CN111485825B - 采煤工作面煤岩界面探测定向孔设计施工与数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工与数据处理方法。本发明以“曲线造斜”与“直线稳斜”交互方式定向钻进波纹型的定向钻孔；将探测定向孔实钻数据经过处理，由正‑反双向计算出两条带有上下位置偏差的实钻轨迹剖面曲线处理得到一条衍生轨迹，用于获取界面点的空间相对位置数据，在随钻测量仪器精度、轨迹算法相同的条件下，界面点的空间相对位置数据累计误差可减小50％～100％，有助于大幅度提高采煤工作面三维地质模型的精度。

Description

采煤工作面煤岩界面探测定向孔设计施工与数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种定向孔施工与数据处理方法，属于煤矿开采技术领域，具体是涉及一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔设计施工与数据处理方法。

背景技术

长期以来，煤炭一直是我国的主体能源——其产量与消费量分别占我国一次能源生产和消费的70％和60％左右，而我国化石能源资源“相对富煤、缺油、少气”的禀赋特点决定未来相当长时间内，煤炭仍将是我国的主体基础能源，难以被替代。

我国煤炭以井工开采为主，经过多年发展，煤炭工业全面发展以综采机械化为标志的现代开采技术，实现了由炮采、普采、高档普采到综合机械化开采、自动化开采的跨越，并在煤层赋存条件较优越的矿区探索实践了智能化、无人化开采技术。通过科技进步实现煤炭安全、高效、智能、绿色开采和清洁高效利用是我国煤炭工业高质量发展的方向，目前，智能化开采是煤炭综采技术发展的新阶段，煤炭开采向少人化、无人化方向发展将有助于解决煤矿安全高效生产难题。

现阶段，煤矿井下无人化工作面基于“采煤机记忆割煤、支架自动跟机拉架、远程干预”自动化模式，结合自主智能割煤技术、轨道巡检机器人、电缆自动拖拽装置等实现割煤过程的高效自主运行。无人化工作面生产过程中最核心的自主割煤作业有赖于采煤工作面精确三维地质模型的建立，提供煤层变化趋势、工作面平直度等信息，结合割顶底情况、采煤机运行等数据，进而通过优化算法制定后续割煤策略。

随钻测量定向钻孔是辅助建立工作面精确三维地质模型的重要技术手段，具有数据真实度高、可用性好等潜在优势，然而，目前尚无针对采煤工作面煤岩界面探测定向孔相应的设计施工与数据处理方法，很大程度上限制了随钻测量定向钻孔在智能化、无人化采煤中的应用和潜在技术优势的发挥。

为此，本发明的设计者有鉴于上述需求，通过潜心研究和设计，综合长期从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下采煤工作面煤岩界面探测定向孔设计施工与数据处理方法，以满足上述需求并克服现有技术方法的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下采煤工作面煤岩(顶板或底板)界面探测定向孔的轨迹设计、钻进施工及数据处理方法，以满足建立采煤工作面精确三维地质模型的需求，克服现有施工工艺及数据处理方法的缺陷和不足，包括：定向孔轨迹起伏波动大、无效进尺多、钻进效率低、钻出的煤岩界面探测点少、数据处理方法单一、计算轨迹累积误差大、煤岩分界点空间位置数据精度低等。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工方法，所述探测定向孔为波纹型轨迹探测孔，所述波纹型探测孔包括交替分布于煤岩界面两侧的煤层中孔段和岩层中孔段。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工方法，所述波纹型轨迹探测孔以曲线造斜、直线稳斜交互式调控轨迹定向钻进生成，其中，圆弧曲线的两个端点处斜切线与水平面之间的倾角不大于预设值。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工方法，所述波纹型轨迹探测孔施工时，若在弧形轨迹倾角达到极大值前穿越煤岩界面则改变造斜方向、以曲线造斜方式施工反向弧形轨迹，同时标记煤岩界面点孔深；若在弧形轨迹倾角达到极大值时未穿越煤岩界面则改用直线稳斜方式以近似直线轨迹钻进、直至穿越煤岩界面，标记界面点孔深，再改变钻头延伸方向以曲线造斜方式施工弧形轨迹。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工方法，在探测煤层顶板界面时，岩层中孔段为上凸形定倾角圆弧曲线、煤层中孔段为下凹形定倾角圆弧曲线；在探测煤层底板界面时，岩层中孔段为下凹形定倾角圆弧曲线、煤层中孔段为上凸形定倾角圆弧曲线。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工方法，所述波纹型轨迹探测孔中，相邻两个圆弧曲线倾角极大值端点间采用斜切线段连接。

一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，包括：

以开孔点和贯通点为起点、利用随钻测量数据计算出正-反两条实钻轨迹剖面曲线；

基于预设的比例权重将以开孔点为起点的正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点和以贯通点为起点的反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点进行加权计算以得到衍生轨迹，其中正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点权重与所述反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点的权重反相关；

基于所述衍生轨迹曲线数据获取界面点的空间相对位置数据。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，所述衍生轨迹的生成包括：

以正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线的中间测点为中心，向两侧分别分配等比例权重插值数列；

将所述等比例权重插值数列分别按照不同的排列趋势分配给正向实钻轨迹剖面曲线上的测点和反向实钻轨迹剖面曲线上的测点，再将正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线对应测点的位移与权重插值数列加权后生成所述衍生轨迹。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，所述预设方向上所述正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点权重与所述反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点的权重反相关具体为：

以正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线的中间测点为中心，向两侧分别分配等比例权重插值数列；

在从所述开孔点至贯通点的方向上，将所述等比例权重插值数列以递减方式排序后分配至所述正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点；

在从所述开孔点至贯通点的方向上，将所述等比例权重插值数列以递增方式排序后分配至所述反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点。

优选的，上述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，利用探测定向孔实钻测点数量N确定中间测点，当N为奇数时取1个测点为中间测点，当N为偶数时取2个测点为中间测点。

一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔施工与数据处理方法，包括：

步骤一：轨迹设计，基于工作面两侧巷道煤层顶板/底板相对高低、起伏情况，设计横穿工作面的探测定向孔，在平面上采用直线设计轨迹，在剖面上采用“波纹型”设计轨迹，即在预计的煤岩界面两侧交替布设上凸、下凹“定倾角圆弧曲线”，必要时辅以斜切直线过渡连接；

步骤二：定向钻进，以“曲线造斜”与“直线稳斜”相结合方式控制实钻轨迹、定向钻进，在煤岩界面两侧交替穿行、钻出“波纹型”轨迹，直至贯穿工作面；

步骤三：坐标测量，利用全站仪对开孔点、贯通点的三维坐标进行准确实测，获取坐标数据(X、Y、Z)；

步骤四：计算轨迹，基于开孔点和贯通点三维实测坐标数据，利用随钻测量数据(即系列测点对应的孔深、倾角和方位角)分别以开孔点(Xo、Yo、Zo)和贯通点(Xc、Yc、Zc)为起点、正-反双向计算探测孔实钻轨迹参数，绘制剖面正向轨迹曲线LF、反向轨迹曲线LB；

步骤五：数据处理，利用探测定向孔实钻测点数量N确定中间测点——N为奇数时中间测点取1个，N为偶数时中间测点取2个；对实钻轨迹曲线LF、LB，从中间测点向两侧分配等比例权重插值数列，其中左侧LF分配(1～0.5)、LB分配(0～0.5)等比例权重值，右侧LF分配(0.5～0)、LB分配(0.5～1)等比例权重值；

步骤六：生成辅助轨迹，将步骤五中的两组等比例权重数列与LF、LB两条曲线对应测点的“上下位移”参数相乘、再相加，处理得到一条新的、以开孔点和贯通点为端点的衍生轨迹；

步骤七：获取数据，根据步骤二定向钻进过程中标记的煤岩界面点对应孔深参数，由衍生轨迹曲线数据识别、获取界面点空间位置参数，辅助建立采煤工作面三维地质模型。

因此，通过以上描述可知，本发明的采煤工作面煤岩界面探测定向孔的轨迹设计、钻进施工及数据处理方法具有如下效果：

1、基于“波纹型”设计轨迹的定向钻孔探测煤岩界面能够大幅增加钻孔揭露的界面点数量，对于倾向宽度为240m至320m的工作面，对穿孔揭露的煤岩界面点数量可增加35％以上。

2、以“曲线造斜”与“直线稳斜”交互方式定向钻进，使上凸曲线轨迹与下凹曲线轨迹平缓过渡，能够避免实钻轨迹大倾角(一般指倾角值大于7°)进出顶、底板岩层，缩短煤、岩层内孔段拐弯长度，可提高综合钻效20％以上；可将实钻轨迹偏离煤岩界面的最大距离(即钻孔“侵入”煤岩层的深度)控制在0.5m左右，单次进出顶、底板岩层的平均速度可提高1倍以上。

3、探测孔轨迹调控不以“符合”为原则(即不以实钻与设计轨迹相吻合为原则)，根据煤岩界面起伏变化情况，以上凸和下凹曲线改变钻头前进方向，在界面两侧重复交替“穿行”，因此，揭露的煤岩界面点容易识别、计数准确，准确率可达到95％以上。

4、探测定向孔实钻数据经过处理，由正-反双向计算出两条带有上下位置偏差的实钻轨迹剖面曲线处理得到一条衍生轨迹，用于获取界面点的空间相对位置数据，在随钻测量仪器精度、轨迹算法相同的条件下，界面点的空间相对位置数据累计误差可减小50％～100％，有助于大幅度提高采煤工作面三维地质模型的精度。

附图说明

图1显示了本发明的采煤工作面煤岩界面探测定向孔“波纹型”设计轨迹示意图。

图2煤岩界面点探测定向钻进方法示意图。

图3探测孔定向钻进控制流程图。

图4探测定向孔轨迹数据处理原理示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

参见图1，显示了本发明的采煤工作面煤岩界面探测定向孔的“波纹型”设计轨迹。

其中，所述采煤工作面煤岩界面探测定向孔横穿采煤工作面(即垂直回采工作面长度方向)，开孔点2布设在进风巷1(或回风巷8)内，横穿工作面后与回风巷8(或进风巷1)贯通——贯通点7。在工作面内，定向孔的剖面轨迹设计成“波纹型”曲线，煤层中孔段3与岩层中孔段6交替分布在煤岩界面5两侧，这种“波纹型”曲线在煤岩中穿行钻出一系列煤岩界面探测点4。所述煤层中孔段3和岩层中孔段6轨迹设计成“定倾角圆弧曲线”——即圆弧曲线的两个端点处斜切线与水平面之间的倾角不大于规定值，二者之间必要时利用公切斜直线过渡连接。所述煤岩界面5可以是顶板界面、也可是底板界面；在探测顶板界面时，岩层中孔段6为上凸形“定倾角圆弧曲线”、煤层中孔段3为下凹形“定倾角圆弧曲线”；在探测底板界面时，岩层中孔段6为下凹形“定倾角圆弧曲线”、煤层中孔段3为上凸形“定倾角圆弧曲线”。

参见图2，显示了煤岩界面点探测定向钻进方法。向下探测曲线轨迹孔段9和向上探测曲线轨迹孔段13采用“曲线造斜”方式施工，即钻进过程中钻杆柱轴向滑动给进、周向制动，连续造斜钻出弧形轨迹；近直线轨迹孔段12采用“直线稳斜”方式施工，即钻进过程中钻杆柱“周向回转+轴向滑动”给进，稳斜钻出近直线轨迹；极限倾角端点10是改变定向方式的节点；曲线轨迹界面点11和直线轨迹界面点14是改变钻进方向的节点。

参见图3，显示了本发明的采煤工作面煤岩界面探测定向孔钻进施工过程轨迹控制的基本流程。所述煤岩界面探测定向孔钻进的核心任务是轨迹控制，即基于“波纹型”设计轨迹，采用“曲线造斜”与“直线稳斜”相结合方式定向钻进。以“曲线造斜”方式施工上凸、下凹弧形轨迹，其极限倾角不大于规定值(±5°)，在此过程中结合实钻数据信息、基于是否“穿越煤岩界面”的判识、做出轨迹控制决策：在弧形轨迹倾角达到极大值前穿越煤岩界面则改变造斜方向、以“曲线造斜”方式施工反向弧形轨迹，同时标记煤岩界面点孔深；在弧形轨迹倾角达到极大值时未穿越煤岩界面则改用“直线稳斜”方式以近似直线轨迹钻进、直至穿越煤岩界面，标记界面点孔深，改变钻头延伸方向以“曲线造斜”方式施工弧形轨迹。循环重复上述流程。

参见图4，显示了本发明的探测定向孔轨迹数据处理原理。在剖面上分别以开孔点2和贯通点7为起点正-反双向计算探测定向孔实钻轨迹参数、绘制正向轨迹曲线L_F15和反向轨迹曲线L_B16；基于双向轨迹曲线中间测点18向两侧分配等比例权重插值数列、进行数据处理生成衍生轨迹曲线L_Y17；根据煤岩界面点钻孔深度标记在衍生轨迹曲线L_Y17上获取界面点19、20的空间位置数据。

具体而言，本发明的煤矿井下采煤工作面煤岩界面探测定向孔轨迹设计、钻进施工与测量数据处理的方法包含如下步骤：

步骤一：轨迹设计根据井下现场客观施工条件灵活布设探测定向孔的钻场，既可在进风巷道1内、也可在回风巷道8内，如果具备条件还可同时在两侧巷道内施工探测定向孔。设计探测定向孔前先收集目标工作面基本地质资料、两侧巷道掘进数据资料，再基于工作面区域等高线信息和两侧巷道揭露的煤层顶板或底板起伏变化情况设计横穿工作面的探测定向孔剖面轨迹，在预计的目标煤岩界面两侧交替布设上凸、下凹“定倾角圆弧曲线”，其两端点处切线与水平面之间的夹角不大于5°，圆弧曲线的半径为

(说明：预测煤岩界面起伏变化较剧烈时取小值、起伏较平缓时取大值；煤岩界面钻进可辨识性高时取小值，可辨识性低时取大值)，必要时辅以斜切直线过渡，形成“波纹型”设计轨迹。

步骤二：定向钻进基于探测定向孔“波纹型”设计轨迹，以“曲线造斜”与“直线稳斜”相结合方式定向钻进。参见图2、图3，在剖面上，以“曲线造斜”(即钻杆柱轴向滑动给进使孔底造斜工具连续造斜)方式改变钻孔延伸方向，对于向下探测曲线轨迹9，孔底造斜工具面向角保持在180°左右(

范围内)；对于向上探测曲线轨迹13，孔底造斜工具面向角保持在0°左右(

范围内)。以“直线稳斜”(即钻杆柱周向回转与轴向滑动同步给进使孔底造斜工具连续造斜功能失效)方式施工近直线轨迹12。定向钻进的流程为：“曲线造斜”方式向下/向上探测、施工形成曲线轨迹9/13，改变钻头前进方向、探测界面；是否“穿越煤岩界面”工况判别，如果在曲线造斜倾角未到达极大值(∠θ＝±5°)之前钻遇煤岩分界面，则标记曲线轨迹界面点11对应孔深数据、并改变定向方向，以“曲线造斜”方式施工反向曲线轨迹，改变钻头前进方向、探测界面；如果在曲线造斜倾角达到极大值(∠θ＝±5°)后未钻遇煤岩分界面，则改用“直线稳斜”方式钻进、施工近直线轨迹12(与水平面夹角控制在

之间)直至钻穿煤岩分界面，标记直线轨迹界面点14对应孔深数据，随后改变定向方向、以“曲线造斜”方式施工反向曲线轨迹，改变钻头前进方向、探测界面；重复上述操作。

步骤三：坐标测量在探测定向孔贯穿工作面后，在进风巷1、回风巷8内利用全站仪对开孔点2、贯通点7的三维坐标进行准确实测，获取坐标数据(X_o、Y_O、Z_O)、(X_C、Y_C、Z_C)。

步骤四：计算轨迹基于全站仪三维实测坐标数据，利用随钻测量数据(即系列测点对应的孔深、倾角和方位角)分别以开孔点(X_O、Y_O、Z_O)和贯通点(X_C、Y_C、Z_C)为起点、正-反双向计算探测定向孔实钻轨迹参数——上下位移，绘制剖面正向轨迹曲线L_F 15、反向轨迹曲线L_B16。

步骤五：数据处理利用探查定向孔实钻测点数量N确定中间测点——N为奇数时取1个测点、N为偶数时取2个测点；对于实钻轨迹曲线，以剖面上L_F、L_B的中间测点为中心，根据测量数量向两侧分配等比例权重插值数列，其中左侧L_F分配(1～0.5)、L_B分配(0～0.5)等比例权重值，右侧L_F分配(0.5～0)、L_B分配(0.5～1)等比例权重值。

N为奇数的，相邻权重差值为

即正向(从小到大)等比例权重值系列为

N为偶数的，相邻权重差值为

即正向(从小到大)等比例权重值系列为

步骤六：生成辅助轨迹曲线将步骤五中的两组等比例权重数列按正向(从小到大)分配给L_B对应数值、按反向(从大到小)分配给L_F对应数值，再将L_B、L_F两条曲线对应测点的“上下位移”乘以权重系数后相加，得到一组新的“上下位移”序列，利用该数列处理得到一条新的、以开孔点和贯通点为端点的衍生轨迹——对应曲线为L_Y17。

步骤七：根据步骤二定向钻进过程中标记的煤岩界面点对应孔深在衍生轨迹曲线L_Y上识别、获取界面点19和20的空间位置数据(其中煤岩界面点19的空间位置数据精度依附开孔点2、煤岩界面点20的空间位置数据精度依附贯通点7)，辅助用于建立采煤工作面精确三维地质模型。

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 (5)

1.一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，其特征在于，包括：

以开孔点和贯通点为起点、利用随钻测量数据计算出正、反两条实钻轨迹剖面曲线；

基于预设的比例权重将以开孔点为起点的正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点和以贯通点为起点的反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点进行加权计算以得到衍生轨迹，其中正向实钻轨迹剖面曲线上的各测点权重与所述反向实钻轨迹剖面曲线上的各测点的权重反相关；

基于所述衍生轨迹曲线数据获取界面点的空间相对位置数据。

2.根据权利要求1所述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，其特征在于，所述衍生轨迹的生成包括：

以正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线的中间测点为中心，向两侧分别分配等比例权重插值数列；

将所述等比例权重插值数列分别按照不同的排列趋势分配给正向实钻轨迹剖面曲线上对应的测点和反向实钻轨迹剖面曲线上对应的测点，再将正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线对应测点的位移与权重插值数列加权后生成所述衍生轨迹。

3.根据权利要求1所述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，其特征在于，预设方向上所述正向实钻轨迹剖面曲线的各测点权重与所述反向实钻轨迹剖面曲线的各测点的权重反相关具体为：

以正向实钻轨迹剖面曲线和反向实钻轨迹剖面曲线的中间测点为中心，向两侧分别分配等比例权重插值数列；

在从所述开孔点至贯通点的方向上，将所述等比例权重插值数列以递减方式排序后分配至所述正向实钻轨迹剖面曲线的各测点；

在从所述开孔点至贯通点的方向上，将所述等比例权重插值数列以递增方式排序后分配至所述反向实钻轨迹剖面曲线的各测点。

4.根据权利要求2或3所述的一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔数据处理方法，其特征在于，利用探测定向孔实钻测点数量N确定中间测点，当N为奇数时取1个测点为中间测点，当N为偶数时取2个测点为中间测点。

5.一种采煤工作面煤岩界面探测定向孔设计施工与数据处理方法，其特征在于，包括：

步骤一：轨迹设计，基于工作面两侧巷道煤层顶板/底板相对高低、起伏情况，设计横穿工作面的探测定向孔，在平面上采用直线设计轨迹，在剖面上采用“波纹型”设计轨迹，即在预计的煤岩界面两侧交替布设上凸、下凹“定倾角圆弧曲线”，必要时辅以斜切直线过渡连接；

步骤二：定向钻进，以“曲线造斜”与“直线稳斜”相结合方式控制实钻轨迹、定向钻进，在煤岩界面两侧交替穿行、钻出“波纹型”轨迹，直至贯穿工作面；

步骤三：坐标测量，利用全站仪对开孔点、贯通点的三维坐标进行准确实测，获取坐标数据（X、Y、Z）；

步骤四：计算轨迹，基于开孔点和贯通点三维实测坐标数据，利用随钻测量数据（即系列测点对应的孔深、倾角和方位角）分别以开孔点（Xo、Yo、Zo）和贯通点（Xc、Yc、Zc）为起点、正-反双向计算探测孔实钻轨迹参数，绘制剖面正向轨迹曲线LF、反向轨迹曲线LB；

步骤五：数据处理，利用探测定向孔实钻测点数量N确定中间测点——N为奇数时中间测点取1个，N为偶数时中间测点取2个；对实钻轨迹曲线LF、LB，从中间测点向两侧分配等比例权重插值数列，其中左侧LF分配（1～0.5）、LB分配（0～0.5）等比例权重值，右侧LF分配（0.5～0）、LB分配（0.5～1）等比例权重值；

步骤六：生成辅助轨迹，将步骤五中的两组等比例权重数列与LF、LB两条曲线对应测点的“上下位移”参数相乘、再相加，处理得到一条新的、以开孔点和贯通点为端点的衍生轨迹；

步骤七：获取数据，根据步骤二定向钻进过程中标记的煤岩界面点对应孔深参数，由衍生轨迹曲线数据识别、获取界面点空间位置参数，辅助建立采煤工作面三维地质模型。

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