龍軟鉆孔設(shè)計方法在鉆探生產(chǎn)中的應(yīng)用與研究

蓋曉松

0 引言

鉆探是煤礦地質(zhì)、探放水、救援等的重要手段。近年來隨著裝備更新對鉆孔設(shè)計提交的時效性和準(zhǔn)確度要求隨之提高。

目前同煤集團(tuán)已建立龍軟地測地理信息系統(tǒng)，其鉆孔資料數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了鉆孔資料的快速自動提取、計算，為鉆孔設(shè)計快速準(zhǔn)確完成提供了便捷。本文通過進(jìn)一步探索與龍軟圖形接口，改進(jìn)了算法，插入了采掘現(xiàn)狀、地形圖窗口，對鉆孔數(shù)據(jù)庫計算出的煤層數(shù)據(jù)通過插入圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、判比、修正，使鉆孔設(shè)計更加符合實(shí)際數(shù)據(jù)，能夠更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)鉆探施工。

1 研究內(nèi)容

1.1 鉆孔快算設(shè)計研究

1.1.1 傳統(tǒng)鉆孔設(shè)計原理

利用周邊已有的地質(zhì)探查鉆孔資料進(jìn)行地面鉆孔設(shè)計，根據(jù)三點(diǎn)式平面和兩點(diǎn)式直線獲取交點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)志層（包括煤層）的鉆探設(shè)計分兩個階段：第一階段是根據(jù)控制范圍獲取鉆孔與相應(yīng)標(biāo)志層頂板交點(diǎn)，第二階段通過各標(biāo)志層頂板及底板交點(diǎn)和鉆孔開孔點(diǎn)形成的直線獲取標(biāo)志層預(yù)見點(diǎn)及厚度，整個數(shù)據(jù)獲取過程結(jié)束，通過空間面與直線相交獲取交點(diǎn)并循環(huán)獲取另一點(diǎn)的方式獲取鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)[1-3]。

1.1.2 傳統(tǒng)鉆孔設(shè)計存在的問題

傳統(tǒng)法設(shè)計鉆孔時，由于工作量大，多數(shù)依靠周邊的3個鉆孔進(jìn)行線性插值，若周邊可參考多于3個時，可以將每3 個鉆孔作為一組進(jìn)行對比，此作法費(fèi)時費(fèi)力，且無有效的糾錯方法。另外，線性插值不參考區(qū)域地層發(fā)育特征，插值結(jié)果可能誤差較大。為了直觀起見，若參考的3個鉆孔分布構(gòu)成等邊三角形，而設(shè)計的鉆孔位于其中點(diǎn)，假設(shè)各鉆孔11#煤層底板標(biāo)高分別為1 040 m、1 060 m、1 080 m，則如圖1所示，依據(jù)線性插值原理，可計算出設(shè)計位置11#煤層預(yù)計標(biāo)高為1 060 m。而當(dāng)該區(qū)塊3#煤層底板等高線呈現(xiàn)如圖2所示時，設(shè)計位置的標(biāo)高誤差或達(dá)30 m。終上所述，已有的手工計算設(shè)計鉆孔存在的問題有：1）費(fèi)時費(fèi)力，設(shè)計鉆孔的時效性。2）采用線性插值，無法擬合地層發(fā)育特征，誤差相對較大。3）簡單采用線性平差，校正精度較差。

圖1 鉆孔線性插值示意

圖2 預(yù)想煤層底板等高線下的插值

1.1.3 算法改進(jìn)

基于以上傳統(tǒng)法手工計算設(shè)計鉆孔方法存在的問題，考慮引入空間數(shù)據(jù)插值方式進(jìn)行鉆孔標(biāo)志層標(biāo)高計算，可以有效解決鉆孔設(shè)計中算法單一，不能同時參考多個鉆孔數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，達(dá)到了周邊地層賦存條件一定程度的擬合，提高了鉆孔設(shè)計的精度?，F(xiàn)采用反距離加權(quán)法算法：

反距離加權(quán)法是假定原始數(shù)據(jù)點(diǎn)值對網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)值的影響與兩點(diǎn)間距離相關(guān)，確切地說當(dāng)前計算的格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)估計值與參考點(diǎn)特征值及的點(diǎn)間距n次冪倒數(shù)成一定的數(shù)量關(guān)系。即距離格網(wǎng)點(diǎn)越近的原始數(shù)據(jù)對該節(jié)點(diǎn)值影響越大，反之影響小。用來衡量影響大小的權(quán)重就是已知數(shù)據(jù)點(diǎn)到網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)距離的倒數(shù)或距離n次冪的倒數(shù)。進(jìn)而以空間位置的加權(quán)平均來計算。

設(shè)平面上已知一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，其坐標(biāo)和特征值為Pi（Xi,Yi,Zi）（i=1,2,…n），設(shè)當(dāng)前計算的格網(wǎng)點(diǎn)記錄為P（X,Y,Z），由于離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集中各點(diǎn)對P點(diǎn)特征值影響不同，設(shè)其權(quán)重函數(shù)為Wi.，如果在P 點(diǎn)周圍各個方向取點(diǎn)，這時網(wǎng)格點(diǎn)的屬性值計算公式為：

反距離加權(quán)法是最為常用插值算法之一，它較為簡單，代碼實(shí)現(xiàn)也非常容易。就算法設(shè)計而言，該插值方法得到的結(jié)果不具有外推性，即得到的估計值均在原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的最大值與最小值之間。這可能導(dǎo)致的缺點(diǎn)是當(dāng)取樣點(diǎn)分布不均時，因?yàn)椴蓸又形窗畲蠡蜃钚≈凳构乐到Y(jié)果產(chǎn)生偏差?？傮w而言，該插值方法計算效率較高，繪制的等值線平滑、美觀，但由于與實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)稍有偏差，而容易產(chǎn)生“牛眼”現(xiàn)象。

1.2 插入地形圖及采掘現(xiàn)狀校正

1.2.1 地形圖、采掘圖數(shù)據(jù)判比

孔口坐標(biāo)定位是施工鉆孔至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接決定著鉆孔施工的成敗，施工前往往反復(fù)測算，以盡可能減少誤差。放孔工作應(yīng)首著重考慮：1）已有的地面控制點(diǎn)施工時間，精度，以及是否受采動影響破壞。2）井上下坐標(biāo)系統(tǒng)是否統(tǒng)一。另外，放孔之后鉆場平整也會帶來人為孔口標(biāo)高誤差，因此放孔之后應(yīng)盡量保護(hù)好孔口處，場地平整之后，應(yīng)重新進(jìn)行高程聯(lián)測，保證孔口標(biāo)高精度。

孔口標(biāo)高的準(zhǔn)確是鉆孔設(shè)計精確可靠的基石，因此鉆孔標(biāo)高的精度評價顯得極為重要。本項(xiàng)目采用的方法是在鉆孔設(shè)計前從地形圖上自動讀取該坐標(biāo)點(diǎn)高程區(qū)間，與用戶提供的高程值進(jìn)行對比，若用戶提供等值線區(qū)間不能對應(yīng)，則認(rèn)為孔口標(biāo)高測算有誤，并進(jìn)行報錯。

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)計算出各煤層數(shù)據(jù)，通過已有采掘圖數(shù)據(jù)進(jìn)行判比校正，通過準(zhǔn)確采掘資料數(shù)據(jù)進(jìn)行自動修正，提高鉆孔設(shè)計精確度。

圖3 添加地形圖、采掘現(xiàn)狀修正

1.2.2 應(yīng)用要點(diǎn)注意

鉆孔設(shè)計時，根據(jù)采掘現(xiàn)狀終孔層位以上若有煤層采空時，應(yīng)特別提醒注意，以保證鉆探生產(chǎn)安全。上覆煤層若采掘情況清楚，自然能在鉆孔設(shè)計中明確體現(xiàn)為施工提供必要的指導(dǎo)。若采掘情況不詳，則需多方人工資料調(diào)研以獲取盡量準(zhǔn)確的資料。

1.2.3 龍軟鉆孔設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)

龍軟鉆孔設(shè)計基于集團(tuán)公司龍軟數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上改進(jìn)算法采用數(shù)據(jù)庫周邊鉆孔數(shù)據(jù)自動提取、計算施工鉆孔煤層數(shù)據(jù)。結(jié)合插入采掘、地形圖進(jìn)行判比、修正。所得設(shè)計煤層數(shù)據(jù)更加精確，節(jié)省時間，把人工計算變?yōu)檐浖詣佑嬎?，工作效率提升，?zhǔn)確率更高。

1.3 實(shí)例

1.3.1 實(shí)用鉆孔數(shù)據(jù)

自2014年至今通過實(shí)際施工200 多個各類鉆孔，其中地質(zhì)勘探鉆孔70多各、工程鉆孔130多個驗(yàn)證，經(jīng)多孔施工驗(yàn)證綜合得出鉆孔設(shè)計準(zhǔn)確率得到了很大提高、時效性更快。在地形地質(zhì)條件清楚的情況下結(jié)合采掘資料誤差范圍從1 m～10 m 的差距縮小到了1 m～5 m，在地質(zhì)地形條件不清的情況下誤差范圍從1 m～20 m的差距縮小到了1 m～10 m。

現(xiàn)以燕子山礦2018-2號地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔為例，該孔預(yù)計施工至本溪組K1灰?guī)r終孔，對周邊煤層賦存情況進(jìn)行勘探。侏羅系上覆2#、3#、7#、8#、9#、10#、11#賦存，石炭系主要煤層為2#、3#、5#、8#、9#賦存。鉆孔主要涉及地層為第四紀(jì)地層及侏羅紀(jì)大同組地層。第四紀(jì)地層主要為黃土松散層，侏羅紀(jì)地層由粉、細(xì)、中、粗粒砂巖組成，中夾泥巖、頁巖及煤層。鉆孔設(shè)計參考燕子山井田內(nèi)周邊的鉆孔及各層采掘圖、地形圖，參考鉆孔包括33322、Y205、Y206、Y305、DT10 共計5 個鉆孔，其中34333鉆孔資料見表1。

表1:34333鉆孔各煤層見煤深度及厚度

1.3.2 成果對比

依據(jù)Y205、Y206、Y305設(shè)計的傳統(tǒng)法設(shè)計以及應(yīng)用龍軟快速設(shè)計對比如圖4，對比圖中左側(cè)部分為傳統(tǒng)法設(shè)計，中間為龍軟多孔法及采掘圖修正后設(shè)計，右部分為鉆孔實(shí)際揭露。對比分析如表2所示，可見各層煤厚數(shù)據(jù)相對誤差也有一定程度減小。

表2 傳統(tǒng)法與龍軟多孔采掘修正鉆孔設(shè)計主要成果對比

圖4 燕子山礦2018-2#鉆孔傳統(tǒng)設(shè)計與龍軟快速設(shè)計對比

2 研究成果

采用空間數(shù)據(jù)插值原理擬合地層發(fā)育特征，實(shí)現(xiàn)了自動插值計算，取代了原有依賴于傳統(tǒng)手工的線性插值方式，提高了鉆孔設(shè)計精度；依托集團(tuán)公司龍軟系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)了鉆孔設(shè)計快速繪圖，從數(shù)值計算到成圖均實(shí)現(xiàn)自動化。建立了鉆孔設(shè)計評價機(jī)制，用采掘?qū)嶋H揭露的測點(diǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)計對比分析，給出了量化評價指標(biāo)。借鑒測繪平差原理進(jìn)行了鉆孔設(shè)計平差，改進(jìn)了傳統(tǒng)的線性平差方法，提高了平差精度。

3 結(jié)語

鉆孔設(shè)計是地質(zhì)鉆探施工的重要參考資料，需要及時、準(zhǔn)確、快速，原始設(shè)計方法，時效性差，準(zhǔn)確性相對不高，對于地層條件實(shí)際擬合效果相對較差；改進(jìn)后龍軟鉆孔設(shè)計通過算法改進(jìn)可以大范圍的提取鉆孔數(shù)據(jù)計算，有效的提高了設(shè)計精度，通過軟件實(shí)現(xiàn)了自動計算、判比、校正，減少了手工勞動。通過插入地形圖、采掘現(xiàn)狀二次判比修正更加提高了設(shè)計煤層數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對于鉆探生產(chǎn)具有實(shí)用且可操作的特點(diǎn)，可將推廣應(yīng)用到指導(dǎo)鉆探安全、高效生產(chǎn)的設(shè)計編制工作中。