引言：煤矿井下钻孔施工中，在缺少控制钻孔轨迹偏移测量技术的情况下，施工钻孔轨迹与钻孔设计轨迹偏差较大，无法满足煤矿瓦斯抽采的设计需求。随钻孔三维轨迹测量技术的应用，通过对随钻三维轨迹测量技术的研究，精确控制瓦斯钻孔轨迹，解决瓦斯突出煤层快速掘进及安全高效回采问题。钻孔随钻三维轨迹测量技术是通过对钻机开孔角度和钻孔轨迹的精确测量，使用三维轨迹成图方法显示。通过大量的数据采集与施工验证证明，该方法成为预抽钻孔煤层保安全，避免了钻孔设计及施工的盲目性，提高了抽采钻孔的利用率及施工速度。
1. 三维轨迹测量技术概述
在煤炭生产中，煤与瓦斯突出一直是煤矿安全生产的最大隐患，一直威胁着煤矿工人的人身安全和井田安全。为了提高井下作业安全系数，各个煤矿尝试通过各种不同的措施来解决这一安全隐患。国内外相关技术专家进行了多方面的研究，也采取了多项措施。目前，瓦斯预防最常使用的方法是利用采前钻孔预抽放瓦斯，以降低煤岩层中瓦斯压力的方式来消除这一隐患。钻孔测斜仪的研制是为解决监测钻孔钻进过程是否沿预先设计方向钻进，达到预期的抽放目的的难题而提出来的。随着科学技术的发展，受控定向钻进技术的日益成熟，矿井超前探测以及精确的工程钻探的广泛开展，也迫切需要精度高、能全方位测量钻孔轨迹的仪器，为此经过长期不断研究，研制随钻测量钻孔倾角和方位角技术与装备，实现了真正的全方位测量，解决了钻孔轨迹测量技术难题。
2. 钻孔开孔精确监控技术
井下钻孔施工在地质超前探测、瓦斯治理和水害防治等多个领域作用突出。煤矿井下的瓦斯抽采、探放水等效果却直接受到钻孔成孔质量的影响。钻进施工的第一步就应该是钻机开孔角度的精确测量，因钻孔成孔的质量首先受钻孔开孔精度的影响。因此，钻孔开孔精度在钻探作为煤矿瓦斯、水害等灾害预防的手段中尤为重要。目前，大多数煤矿仍然采用传统的简单测量工具结合人工测量的方法测定开孔方位角和倾斜角，其操作程序繁琐，停钻时间长，精度极低，测量误差常常较多。这给井下防治水、瓦斯抽采等工程的施工和验收带来诸多不便，实践中巳不能满足煤矿安全高效开采的需要，有可能造成极为严重的后果。为解决此问题，需要使用矿用开孔定向装置，精确控制钻孔开孔角度。煤井开孔定向监控装备主要由惯导测量部分、电源部分、显示部分等组成。惯导测量部分完成钻机姿态倾角与方位角的测量；电源部分主要实现测量单元和显示模块的供电；显示部分完成数字化显示，指导钻机姿态调整观测位置与速度两种参数，然后进行求解完成滤波，抑制误差，实现开孔定向技术精确定向。开孔定向装置根据显示角度调整钻机倾角和方位角，实现调整钻机与开孔测量同步工作。相比原始的角度测量方法，大大提升了现有测量方法的准确性和便携程度，提高了煤矿井下定向钻进的施工效率。
3. 钻孔随钻三维轨迹测量技术的应用
3.1钻孔轨迹数据三维可视化技术
钻孔轨迹的三维可视化技术是利用专用的三维可视化软件完成钻孔轨迹的绘制，尤其是在钻孔数量较多且钻孔较为密集的情况，三维可视化技术的 优点更加明显。在绘制三维轨迹图前，首先需要对钻孔轨迹数据进行整理，把每个钻孔坐标数据整理为钻孔的标准属性值，由于钻孔轨迹数据的特殊性，情况一般为常数。将整理好的一个或多个钻孔轨迹数据整理为一个文件，这样就完成了钻孔轨迹绘图所需要的数据准备。数据准备完成后，将数据导入绘图软件，在绘制三维图前，首先要进行数据的插值网格化计算，这里选用的差值网格化计算方法为克里金插值计算法。通过插值计算后的数据体就可以进行三维可视化显示，钻孔轨迹数据三维可视化显示效果。经过数据处理后，并经过三维可视化显示的钻孔轨迹数据，显示效果较常规钻孔轨迹数据显示效果有了非常大的提高，该三维可视化显示效果可以在三维空间不同角度观察，分析钻孔在空间的分布及钻孔延伸情况，实现了真正意义上的三维显示效果。通过钻孔轨迹数据的准备、整理、插值计算以及三维可视化显示，钻孔轨迹的三维显示效果图清晰直观地呈现了钻孔在三维空间的分布情况，该三维可视化显示技术为不同钻场的钻孔设计及相关地质带来了好处。
3.2钻孔轨迹精确测量技术
轨迹仪由控制器与探管组成。控制器与探管连接，实现控制器与探管之间的时间同步和数据传输。 探管安装在钻头后的无磁钻铤中，探管主要完成对钻孔的轨迹参数的测量，方位测量根据大地磁场确定探管的方向姿态；倾角测量采用加速度传感器，根据重力加速度确定探管的俯仰角度。控制器在孔口与探管同步工作并记录钻孔深度，控制器主要用于煤矿井下监测和测量数据采集、通信、处理及存储，可实时显示数据及钻孔三维轨迹图。钻孔轨迹精确测量系统包括数据精确计算过程，同时钻孔轨迹数据的采集更为重要。在钻孔施工中主要由等待准备、钻进施工和退钻几个部分组成。在钻进施工过程间隙进行轨迹测量，钻机停止 钻进时曲线变为水平稳定状态。测量完成后继续进行钻进。通过对钻孔信息的有效监测，可以精确监控钻孔施工的整个过程，同时保障钻孔轨迹测量的有效性和可靠性，避免了因操作有误导致的钻孔信息不准确的现象发生。
3.3三维轨迹测量技术研究
在常规的钻孔轨迹测量中使用的是测量倾角和方位角，然后在二维空间显示测量曲线，这种方法虽然能够看出钻孔在二维空间的展布，但是很难在三维空间里看出整个钻孔的分布规律和分布形态，这样的结果既不利于钻孔设计，也不利于钻孔瓦斯抽放，会为煤矿安全生产埋下隐患。在钻孔轨迹测量中最常用的有3种方式：一种是打完钻孔进行测量，一种是随钻钻孔轨迹测量，还有一种是随钻轨迹测量并实时显示与控制轨迹的方法。第一种测量方法需要在钻孔形成后进行，这样就影响了钻孔施工进度，降低了钻孔施工效率；第三种测量方法方便快捷，并且能够实时显示钻孔轨迹，指导打钻，但是这种测量装备成本昂贵，难以在煤矿普遍使用；在这种情况下，第二种测量方法称为煤矿能够普遍使用的钻孔轨迹测量方式。
结语：通过在煤矿针对钻孔开孔精确监控技术、随钻轨迹精确测量及三维显示技术的使用，证明了该测控方法在煤矿钻孔施工中具有数据精确，施工效率高，显示效果好的突出特点。开孔精确监控技术在提高施工效率的同时，大大提高了测量精度；钻孔轨迹精确测量技术不但测量得到了钻孔准确空间位置信息，同时可以监测钻孔施工全过程，避免了人为误操作造成的误差；三维显示技术改变了以往二维条件下钻孔显示不直观引起的问题。总之，矿井钻孔随钻三维轨迹测量技术为煤矿钻孔的高效使用提供了强有力的技术设备支撑。
【参考文献】
[1]张珂琪.浅谈矿井钻孔随钻三维轨迹测量技术[J].机械工程，2013（24）
[2]毕叶姚.现代矿井钻孔随钻三维轨迹测量技术[J].中国建筑，2018（35）
