矿用随钻轨迹测量仪井下使用过程中测量磁方位角的干扰因素分析
随着全国煤炭安全生产的任务要求越来越严格，煤矿对安全的重视程度逐年增强，煤矿井下钻探的作用也凸显的越来越重要，煤矿井下钻探的作用主要有：用来探明前方是否有矿井水(老窑水、裂隙水、岩溶水)，压力大小，用于煤层中瓦斯气体的抽放，用来探明地质构造，用来探煤厚，利用钻孔进行井下注浆等。根据《煤矿防治水细则》中规定“探放水钻孔的布置和超前距、帮距，应当根据水头值高低、煤(岩)层厚度、强度及安全技术措施等确定，明确测斜钻孔及要求。”《防治煤与瓦斯突出细则》更是对钻孔轨迹测量提出了明确要求。为了查明井下钻孔的实际轨迹，以确保各类钻孔的成孔率、达标率。对煤矿防治水工作、煤矿瓦斯抽采工作具有重大意义。由于目前市场上绝大多数的的测斜仪测量的均为磁方位角，但是磁方位角可能受到众多因素干扰，因此研究随钻测斜仪磁方位角的干扰因素可以提高钻孔的真实偏斜规律精度。
关键词：随钻测斜；磁方位角；磁偏角；磁干扰
一、随钻测斜仪的基本原理
随钻测斜系统主要由随钻测量探管、无磁(隔磁)钻杆、打点计数器、上位机软件等组成，将随钻测量探管安装在无磁钻铤内，在钻进过程中，随钻测量探管自动采集钻孔倾角、方位角、工具面向角等数据，存储在探管中，与此同时，打点计数器接受操作工人的按键操作，进行有效测点数据采集，并存储。经过上位机软件对探管和打点计数器数据的分析处理，绘制钻孔的空间轨迹曲线。
YZG6.4(A)矿用随钻轨迹测量仪是福州华虹智能科技股份有限公司采用军工级高端运动感测追踪组件，利用捷联惯导(SINS)系统原理进行自主研发的一款新型多功能钻孔轨迹测量仪。可应用于煤矿井下各类钻孔的轨迹测量，可通过不同配置实现钻孔的随钻或尾钻测量。专业化的处理软件，满足钻孔平面图、剖面图、偏差图、三维图、多种数据混合列表的输出。适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸性混合物的场所。适用钻杆φ42mm(钻孔孔径60mm)及以上的钻孔随钻轨迹测量。如：煤矿井下地质勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注浆加固等钻孔轨迹的测量。
二、随钻测斜仪使用过程可能存在的干扰因素
(一)磁偏角的干扰因素
(1)磁偏角概念：地球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹角。因指南针、磁罗盘是测定磁偏角最简单的装置，所以磁偏角的发现和测定的历史也很早。1702年，英国埃德蒙多·哈雷发表了第一幅大西洋磁偏角等值线图。根据规定，磁针指北极N向东偏则磁偏角为正，向西偏则磁偏角为负。磁偏角是指磁针静止时，所指的北方与真正北方的夹角。
图2-1：地磁偏角示意图
其次，磁场强度有稳定的衰减，近百年来，基本磁场强度衰减了5%。如果照此速度继续衰减下去,那么基本磁场将会在2千年后消失。
磁偏角变化与太阳黑子、天气变化过程、磁暴等因素关系密切。
(2)磁偏角的测定
由于磁偏角的变化还是存在一定的规律，主要以经纬度有关，且虽然磁偏角和先关因素很多，但是在短时间内一个地区的磁偏角变化数据不会很大。因此如何标定一个地区的磁偏角读数是非常关键的。
磁偏角是磁场强度矢量的水平投影与正北方向之间的夹角，变即磁子午线与地理子午线之间的夹角。如果磁场强度矢量的指向偏向正北方向以东称东偏，偏向正北方向以西称西偏。磁偏角可以用磁偏测量仪测出来。磁偏角的度数是测量出来的，不是计算出来的。
目前来说磁偏角都可以通过网络查询得知。但是特殊的情况下磁偏角也会发生一定的变化，但是变化的幅度不会很大，对煤矿使用随钻测斜仪来说干扰相对较小，可以忽略不计。
(二)电磁的干扰因素
(1)导线通电后，不仅线路两端之间会产生电位差，而且导体两端内任何前后间隔位置之间都存在着相对而言的电位差。这里的电位差应该是导体前后位置上的电荷量不均衡所带来的趋势力差，趋势力再去诱发电流中一部分电子在导体外部空间构成磁力线回路，以解决电位差带来的电荷力不平衡问题。于是导体周围就形成了由磁力线组成的回路场，并且回路磁场的正极与电流方向一致。
因此在煤矿井下存在电缆的时候，是存在大量的电磁干扰的，会对磁方位角的测定产生大量的影响，一般的罗盘、电子罗盘都要求在没有电干扰的环境中使用也是同样的道理。
(2)电磁干扰的排除
由于随钻测斜仪最终是测定钻孔孔内的偏差的，因此仅仅是在刚开始打钻的时候会暴露在电磁干扰环境中，在随着钻进随钻测斜仪距离带电单位体、有电磁干扰的环境越来越远，那么自然就消除了电磁干扰。
具体的远离电磁环境多远就不会产生电磁干扰，需要根据实际情况基本判断，一般在煤矿井下巷道中打钻，钻进6米以后电磁干扰就基本不存在了。
(三)打钻周边环境中的铁器干扰
(1)铁器产生磁性的原因。
磁铁吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。磁铁两端磁性强的区域称为磁极，一端为北极(N极)，一端为南极(S极)。实验证明，同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。
铁中有许多具有两个异性磁极的原磁体，在无外磁场作用时，这些原磁体排列紊乱，它们的磁性相互抵消，对外不显示磁性。当把铁靠近磁铁时，这些原磁体在磁铁的作用下，整齐地排列起来，使靠近磁铁的一端具有与磁铁极性相反的极性而相互吸引。这说明铁中由于原磁体的存在能够被磁铁所磁化。
在煤矿井下是存在大量的铁器的，并且铁器很容易被磁化，其本身也带有一定的弱磁性，因此煤矿井下的金属锚杆、锚网、锚索、风水管路、钻机、铁轨、皮带架等等铁器均会对周边的磁场产生影响，
(2)铁器干扰排除
由于井下的铁器设备类干扰源基本都是属于固定不可以移动的，因此只能远离才能消除干扰，和电磁干扰一样，在钻杆将随钻轨迹测量仪送入孔内一定距离以后，铁器干扰就会消失。
通过大量的实际实验证明，钻进6米以后基本上没有铁器干扰。
如果施工的探放水孔一般都会止水套管，那么在超出止水套管2米后，铁器干扰就会消失，同时根据此原理，可以反向判断止水套管的长度。
(四)钻杆对随钻测斜仪产生的干扰。
目前国内煤矿用钻杆材质不同的型号生产的材料不一样的，φ34-50mm的，采用DZ50(45Mn2四五锰二)，φ60-89mm的钻杆采用R780(36Mn2v三六锰二钒)、R780(42Mnmo7四二锰钼七)为钻杆杆体材料。
钻杆设计的初衷是没有磁性的。但是实际情况中，煤矿井下在使用的钻杆通常是带有磁性的。之所以带磁性，是因为加工的时候接触磁的物质，或者是在运输途中互相摩擦，打钻的时候也会导致磁性增强。毕竟设计的时候不是无磁的。就比如你拿个铁块在石头上磨半天也会有磁性。
由于在井下环境中钻杆属于可以移动的铁器，因此可以做相关的距离实验，即钻杆距离随钻测斜仪多远就不会影响到磁场。
实验一：首先将探管放置在井下一处相对无干扰的位置然后读数，使用定向钻机钻杆(长度3米，φ70)放置到距离探管电磁尾端不同距离分别观察探管方位角读数。得到一下结果。
其他实验：根据煤矿可能上使用的钻杆不同型号，分别做了φ42、φ50，φ6.5钻杆，长度分别是1米、1.5米的不同类型的钻杆的距离实验，通过大量的数据表明，正常的矿用普通钻杆磁干扰强度最强的还是长度1米、φ73的钻杆。这样也符合磁性物质的体积决定了磁性强度大小的原理。
另外做了正在使用中的钻杆和长期放置不用的同种类型钻杆的磁性干扰分析。发现长期放置不用的钻杆的磁性干扰强度远远小于正在使用中的钻杆。
根据以上实验，可以表明只要隔磁钻杆的长度不小于1米，基本上可以排除矿用普通钻机钻杆对随钻测斜仪的干扰。
(五)其他干扰因素分析
(1)钻孔孔径的原因
在使用随钻测斜仪进行复测钻孔轨迹时候，即首先矿方正常打钻，待钻孔成型以后，在将随钻测斜仪安装好以后推送至孔底进行复测。
由于钻孔的直径一般大于钻杆直径15mm以上，钻孔孔径大于钻杆的直径，在没有安装钻头的时候使用测斜仪复测钻孔，会导致钻杆不在孔内处于居中位置，因此导致了方位角存在一定偏差。并且复测孔内、尤其是在有地质因素明显发生方位角和倾角变化的位置，孔内的孔径、方位角、倾角等发生了较大变化，在复测的时候不接钻头就会钻杆不能完全的居中，就会导致此时测量会发生更大的变化。
因此矿方在普通钻机上使用随钻测斜仪复测钻孔轨迹的时候一定要安装好钻头，尽量使钻杆保持在钻孔的中心位置。
(2)天气原因
由于磁偏角也随时受天气的影响，因此在使用磁方位角测量设备时，天气发生了较大变化时候对磁偏角产生较大的影响。从而导致随钻测斜仪的磁偏角发生变化，也会最终导致轨迹测量存在一定的偏差。
(3)地质原因
很多煤矿的煤层中含有硫铁矿成分，硫铁矿本身是带有磁性的，因此在随钻轨迹测斜仪的时候，如果钻杆进入到含有大量硫铁矿的位置的时候，磁方位角肯定会发生较大变化，此时可以查看YZG6.4(A)矿用随钻轨迹测量仪中的地磁倾角的测量模块数值，如果地磁倾角的数值发生了较大变化且其他参数没有变化，那么基本可以证明此处为矿物集聚带。
三、总结
为了排除磁方位角的干扰，得到准确的方位角测量值，形成最终较为准确的钻孔轨迹图。通过分析了各种干扰因素以后，得出以下结论：
1、在矿方使用随钻轨迹测量仪时，首先要保证无磁钻杆和隔磁钻杆的正确安装，且隔磁钻杆的长度在普通钻机上使用时候时长度不小于1米。
2、钻孔开口前6米的数据很可能受到干扰导致磁方位角的偏差较大，建议从孔内6米处开始测量或者适当校正前6米的磁方位角数据。
3、在孔内如果发生了磁方位角偏差较大的数据，可以通过查看原始数据中的其他参数来共同确定原因，比如查看加速度值可判断钻杆是否处于静止状态、查看地磁倾角数值判断孔内是否存在其他磁性干扰物质。
4、其他干扰因素如天气原因对磁方位角干扰是临时性的，并且干扰的幅度不是很大，在实际测量中可以忽略不计。
5、配置不受地磁干扰带自寻北功能的开孔定向仪，首先确定了真实的开孔方位角以后，通过随钻轨迹测量仪前10米的数据综合判断真实的开孔方位角以后在选择适当的磁偏角来计算。