一种适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法与流程

1.本发明属于钻孔开采技术领域，涉及一种适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法。


背景技术：

2.目前，矿钻孔瓦斯治理是我国煤矿面临的严峻课题，随着矿钻孔开采逐步向深部延伸，我国大部分矿钻孔煤层愈发显现“高压力、高瓦斯压力、低渗透性”的赋存特点，亟需强化抽采措施保障矿钻孔生产安全、顺利进行。针对煤体透气性弱的矿区，需采用普通钻进工艺施工的穿层钻孔时，孔内煤体暴露面较小，影响瓦斯抽采效果，当工作进度紧张，人员更替频繁时，无法充分的释放瓦斯。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：1.煤体透气性弱的矿区采用普通钻进工艺施工的穿层钻孔时，孔内煤体暴露面较小，影响瓦斯抽采效果；2.高压泵产生高压后，处理不到容易产生危险，同时，频繁使用时，反复的卸压和升压浪费时间；3.工程的质量度由于人工的素质参差不齐而达不到标准。
4.针对上述缺陷，申请号为2017106189519的中国专利文件中公开了一种穿层钻孔水力割缝装置及水力割缝方法，其利用高压水射流的切割作用，对钻孔煤段进行扩孔，增加孔内煤体暴露面积，制造裂隙，提高煤层透气性，从而提高瓦斯抽采效果。但是，在该方法的第一步钻孔步骤中，无法预判钻孔位置中地质突变的位置和类型，且无法对实时钻孔方位和深度进行判断，从而无法避开钻孔位置中的地质突变区域，具有较大的安全隐患。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明为了解决现有技术中采用水力割缝装置进行钻进时，由于煤穿层钻孔位置中存在地质突变区域，现有技术无法实时对钻孔方位和深度进行判断，会降低钻孔作业的工作效率且存在安全隐患的问题，提出一种适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法，包括以下步骤：
8.s1、根据目标钻孔在水平钻孔段的地质突变位置及类型实时计算钻孔方位和深度，钻孔至设计深度后将水力割缝钻头伸入钻孔中；
9.s2、启动水泵，待压力稳定后进行水力割缝；
10.s3、分析钻孔孔口出煤情况，直至孔口无煤屑涌出后继续深入，完成钻孔煤段的水力割缝后关闭水泵。
11.本基础方案的有益效果在于：钻孔过程中对实时钻孔方位和深度进行判断，从而可避开钻孔位置中的地质突变区域，且减少了灾害的发生，大大提升了钻孔作业的安全性能，利用高压水射流的切割作用，对钻孔煤段进行扩孔，增加孔内煤体暴露面积，制造裂隙，提高煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。
12.进一步：步骤s1计算钻孔方位和深度具体步骤为：
13.s11、确定目标钻孔在水平钻孔段的地质突变位置及类型，结合钻孔坐标与地质突变类型，进行建模，生成地面模型及钻孔轨道模型；
14.s12、建立靶平面方程以及靶点坐标系与钻孔口坐标系之间的坐标转换关系；
15.s13、基于钻孔的底点轨迹参数和钻孔段长度，采用深度学习方法，预测入靶方向并校核是否满足工程要求；
16.s14、进行轨道碰撞扫描，得到碰撞结果；
17.s15、根据入靶方向和所述碰撞结果进行钻孔，抓拍获取钻孔原始图像，并进行色度补偿以得到补偿后图像；
18.s16、对补偿后图像的数据进行数据处理；
19.s17、基于实钻轨迹最后两测点的测斜数据，计算末测段的轨迹特征参数，用于表征末测段的轨迹形状；
20.s18、将补偿后图像与所述轨迹特征参数进行拼接后，进行图像编辑处理，以得变换图像；
21.s19、利用去噪处理后的多层小波系数重构对应的变换图像，并根据所述钻孔轨道模型和变换图像计算出实时钻孔方位和深度。
22.进一步：步骤s11确定目标钻孔在水平钻孔段的地质突变位置及类型的具体步骤为：
23.s111、根据目标钻孔的煤层材料的分析处理结果，确定目标钻孔的水平钻孔段中地质突变的预测区域；
24.s112、当水平钻孔段中的钻头到达预测区域时，根据获取的随钻煤层材料，确定地质突变在预测区域中的位置和地质突变的类型。
25.进一步：步骤s13使用已知的数据相关参数进行训练，并进行测试达到深度学习的目的，最终使用本数据预测入靶方向并校核是否满足工程要求，其中入靶方向包括入靶钻孔斜角和方位角。
26.进一步：步骤s14进行轨道碰撞扫描，得到碰撞结果的具体步骤为：使用最小法面距离方法进行轨道碰撞扫描，根据多次的碰撞扫描结果，去除最高价值结果与最低价值结果，以稳定的碰撞扫描结果为准，得到碰撞结果。
27.进一步：步骤s15根据入靶方向和碰撞结果进行钻孔，抓拍获取钻孔原始图像，并进行色度补偿以得到补偿后图像的具体步骤为：
28.s151、在钻孔过程中，获取钻孔原始图像和降质图像，其中降质图像为原始图像加入环境光底色后的图像；
29.s152、获取原始图像与降质图像的色度差异，利用色度差异对所述原始图像进行色度补偿以得到所述补偿后图像。
30.进一步：步骤s16中数据处理依次包括校正、除燥、重排和卷积。
31.进一步：步骤s17中测斜数据为钻孔深、钻孔斜角、方位角。
32.进一步：步骤s18将补偿后图像与所述轨迹特征参数进行拼接后，进行图像编辑处理，以得变换图像具体步骤为：从多个拼接图像中定义供处理的一组图像，使该组图像内的一个或多个成分对齐，通过对一个或者多个图像进行剪裁、调整大小和旋转，来变换经过对齐的该组图像中的一个或者多个，以产生一系列经过变换的图像。
33.进一步：步骤s19利用基于多层小波系数对应的多个噪声阈值的小波阈值去噪函数，对多层小波系数进行去噪处理，根据如下公式确定每层小波系数对应的噪声阈值：
[0034][0035]
其中，g为含噪图像的小波系数的总数，k为对应的分解层序数，λk为对含噪图像进行g层小波分解后第k层的噪声阈值，(w
pq
)k表示小波分解后第k层的水平、垂直、对角线方向上的高频系数。
[0036]
本发明的有益效果在于：
[0037]
1、本发明所公开的适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法，通过生成地面模型及钻孔轨道模型与建立靶点与钻孔口坐标转换关系，经过深度学习模型预先对钻孔位置中地质突变的类型和位置进行判断，从而可避开钻孔位置中的地质突变区域，可以提升钻孔作业的工作性能以及安全性能。
[0038]
2、本发明所公开的适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法，通过钻孔轨道模型和变换图像计算出实时钻孔方位和深度，实现深度精确的实时监测，避免测量距离与实际距离误差过大而产生工程的严重损失。
[0039]
3、本发明所公开的适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法，利用高压水射流的切割作用，对钻孔煤段进行扩孔，增加孔内煤体暴露面积，制造裂隙，提高煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。
[0040]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0042]
图1为本发明适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法流程图；
[0043]
图2为本发明适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法中水力切割装置结构示意图；
[0044]
图3为图2中水力割缝钻头的结构示意图。
[0045]
附图标记：1水箱；2进水管；3水泵；4出水管；5旋转水尾；6钻机；7钻杆；8水力割缝钻头；8-1主体；8-2高压喷嘴；8-3卡槽；9压力表；10调压阀；11卸压管；12卸压阀；13三通；14储压泵。
具体实施方式
[0046]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0047]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0048]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0049]
如图2～3所示的水力割缝装置，包括水箱1、进水管2、水泵3、出水管4、旋转水尾5、钻机6、钻杆7、水力割缝钻头8、卸压管11、卸压阀12、储压泵14，进水管2的一端通入水箱1中，另一端连接水泵3的进水口，出水管4的一端连接水泵3的出水口，另一端通过旋转水尾5连接钻杆7的一端，钻杆7的另一端连接水力割缝钻头8，钻杆7设在钻机6上，通过钻机6带动旋转，出水管4上设有压力表9，压力表9与水泵3的出水口之间的出水管4上设有调压阀10，带卸压阀12的卸压管11的一端通入水箱1中，另一端通过三通13连接在调压阀10与旋转水尾5之间的出水管4上，压力表9设在三通13与旋转水尾5之间，储压泵14设在三通13与压力表9之间。
[0050]
水力割缝钻头8包括主体8-1、高压喷嘴8-2及卡槽8-3，主体8-1为空心圆柱形，圆柱形的一端封闭，另一端通过螺纹连接钻杆7，高压喷嘴8-2设在主体8-1的侧面，卡槽8-3设在主体8-1的侧面，卡槽8-3为适合压钳形状的长方形凹槽，利用高压水射流的切割作用，对钻孔煤段进行扩孔，增加孔内煤体暴露面积，制造裂隙，提高煤层透气性，提高瓦斯抽采效果。通过储压泵14储存未释放掉的水压。工作结束通过调压阀10阀门完全释放压力。当喷水孔发生堵塞时，水压会首先储存在储压罐中，这样可以给予操作人员充分的反应时间，同时当压力达到一定数值就可以通过卸压阀12将压力排除。
[0051]
如图1所示的适用于穿层钻孔水力割缝的钻进方法，包括以下步骤：
[0052]
s1、根据目标钻孔在水平钻孔段的地质突变位置及类型实时计算钻孔方位和深度，钻孔至设计深度后将水力割缝钻头8伸入钻孔中。具体步骤为：
[0053]
s11、确定目标钻孔在水平钻孔段的地质突变位置及类型，结合钻孔坐标与地质突变类型，进行建模，生成地面模型及钻孔轨道模型。具体步骤为：
[0054]
s111、根据目标钻孔的煤层材料的分析处理结果，确定目标钻孔的水平钻孔段中地质突变的预测区域；
[0055]
s112、当水平钻孔段中的钻头到达预测区域时，根据获取的随钻煤层材料，确定地质突变在预测区域中的位置和地质突变的类型；
[0056]
s113、将相关坐标以及地质突变的类型进行整理并结合，根据其特点辅助matlab建模软件以及建模方法生成具有约束条件的地面模型及钻孔轨道模型。
[0057]
s12、为了更好的明确靶平面、靶点与钻孔口之间的位置关系，建立靶平面方程以及靶点坐标系与钻孔口坐标系之间的坐标转换关系。
[0058]
s13、基于钻孔的底点轨迹参数和钻孔段长度，使用已知的数据相关参数进行训练，并进行测试达到深度学习的目的，最终使用本数据预测入靶方向并校核是否满足工程要求，其中入靶方向包括入靶钻孔斜角和方位角，通过生成地面模型及钻孔轨道模型与建立靶点与钻孔口坐标转换关系，经过深度学习模型预先对钻孔位置中地质突变的类型和位置进行判断，从而可避开钻孔位置中的地质突变区域。
[0059]
s14、进行轨道碰撞扫描，得到碰撞结果。具体步骤为：使用最小法面距离方法进行轨道碰撞扫描，根据多次的碰撞扫描结果，去除最高价值结果与最低价值结果，以稳定的碰撞扫描结果为准，得到碰撞结果。
[0060]
s15、根据入靶方向和碰撞结果进行钻孔，抓拍获取钻孔原始图像，并进行色度补偿以得到补偿后图像。具体步骤为：
[0061]
s151、在钻孔过程中，获取钻孔原始图像和降质图像，其中降质图像为原始图像加入环境光底色后的图像；
[0062]
s152、获取原始图像与降质图像的色度差异，利用色度差异对所述原始图像进行色度补偿以得到所述补偿后图像。
[0063]
s16、对补偿后图像的数据进行数据处理，数据处理依次包括校正、除燥、重排和卷积。
[0064]
s17、基于实钻轨迹最后两测点的测斜数据，计算末测段的轨迹特征参数，用于表征末测段的轨迹形状，测斜数据为钻孔深、钻孔斜角、方位角。
[0065]
s18、将补偿后图像与轨迹特征参数进行拼接后，进行图像编辑处理，以得变换图像。具体步骤为：从多个拼接图像中定义供处理的一组图像，使该组图像内的一个或多个成分对齐，通过对一个或者多个图像进行剪裁、调整大小和旋转，来变换经过对齐的该组图像中的一个或者多个，以产生一系列经过变换的图像。
[0066]
s19、利用去噪处理后的多层小波系数重构对应的变换图像，并根据钻孔轨道模型和变换图像计算出实时钻孔方位和深度。
[0067]
确定每层小波系数对应的噪声阈值公式如下：
[0068][0069]
其中，g为含噪图像的小波系数的总数，k为对应的分解层序数，λk为对含噪图像进行g层小波分解后第k层的噪声阈值，(w
pq
)k表示小波分解后第k层的水平、垂直、对角线方向上的高频系数，过钻孔轨道模型和变换图像计算出实时钻孔方位和深度，实现深度精确的实时监测，避免测量距离与实际距离误差过大而产生工程的严重损失，保证人员安全，且可以提升钻孔作业的工作性能以及安全性能。
[0070]
s2、启动水泵3，待压力稳定后进行水力割缝；具体过程为：启动水泵3，控制调压阀10调节水压至8～12mpa，待压力稳定后，再调节水压至15～20mpa，待压力稳定后，来回拉动钻杆7进行水力割缝，每次拉动行程为500～700mm。
[0071]
s3、分析钻孔孔口出煤情况，直至孔口无煤屑涌出后继续深入，完成钻孔煤段的水力割缝后关闭水泵3。
[0072]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。