普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張士嶺

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤礦抽采部門(mén)設(shè)計(jì)軟件大多數(shù)使用AutoCAD，其效率低、工作量大，對(duì)于復(fù)雜的抽采設(shè)計(jì)，則不能很好反映設(shè)計(jì)思想和清楚表達(dá)鉆孔工程與巖層之間的相互關(guān)系[1-4]。在進(jìn)行抽采設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先選用設(shè)計(jì)模版或者慣用的設(shè)計(jì)參數(shù)，而這種選擇不一定是當(dāng)前條件下的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，甚至不符合煤礦井下復(fù)雜變化的賦存條件，導(dǎo)致產(chǎn)生空白帶、不符合規(guī)程等不良后果[5，6]。目前我國(guó)煤礦抽采鉆孔設(shè)計(jì)仍主要依靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)的背景下，研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)科學(xué)地進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)是十分有必要的。因此，基于主流GIS平臺(tái)，在符合煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工工藝和裝備的基礎(chǔ)下，開(kāi)發(fā)煤礦順層鉆孔和穿層鉆孔人工智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔的智能化設(shè)計(jì)。

1 普通鉆孔設(shè)計(jì)影響因素分析

1)鉆孔布置方式。普通鉆機(jī)施工的鉆孔布置方式多種多樣，各種類型的鉆孔可概括為兩種最基本形式：一是平行鉆孔，一般垂直于巷道煤壁布置；二是發(fā)散鉆孔，以煤巷條帶預(yù)抽鉆孔或者穿層鉆孔為原型。以常見(jiàn)的雙巷掘進(jìn)工作面的順層瓦斯抽采鉆孔為例，由兩側(cè)鉆場(chǎng)施工的發(fā)散鉆孔和巷道迎頭及聯(lián)絡(luò)巷施工的平行鉆孔構(gòu)成。

2)開(kāi)孔方式。普通鉆孔開(kāi)孔方式靈活多樣，含單排開(kāi)孔、多排交錯(cuò)開(kāi)孔和多排對(duì)齊多種開(kāi)孔方式[7，8]。

3)孔底間距計(jì)算。鉆孔孔底間距計(jì)算方式一般分為兩種：垂距式和直線式。直線式孔底間距為相鄰兩個(gè)鉆孔孔底的直線距離，垂距式為過(guò)較短鉆孔孔底向相鄰較長(zhǎng)鉆孔做垂線，將垂線長(zhǎng)度作為孔底間距。我國(guó)煤礦用的較多的是直線式的孔底間距計(jì)算方式。

4)鉆孔“孔底”和“見(jiàn)煤點(diǎn)”邊界。穿層鉆孔的控制范圍有“孔底”和“見(jiàn)煤點(diǎn)”兩種計(jì)算模式。對(duì)于某一組鉆孔而言，孔底的控制范圍和見(jiàn)煤點(diǎn)的控制范圍并不相同，甚至?xí)嗖詈艽?，這主要與煤層厚度、鉆孔與煤層的夾角等有關(guān)。在煤礦實(shí)際應(yīng)用中，通常取二者中的較小者作為該組鉆孔的控制范圍，但是在鉆孔的計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)中需要將兩者進(jìn)行轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一按照其中的一個(gè)模式進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)不同的煤層-巷道空間位置關(guān)系，建立鉆孔控制范圍邊界對(duì)應(yīng)的前方、后方、左幫和右?guī)偷目椎缀鸵?jiàn)煤點(diǎn)邊界計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 鉆孔控制邊界圖

5)鉆孔施工偏差。受到煤層地質(zhì)因素、施工工藝以及施工鉆機(jī)鉆具、人員操作技術(shù)等因素影響，鉆孔的成孔軌跡往往與設(shè)計(jì)位置存在一定的偏移[9，10]。針對(duì)常見(jiàn)的施鉆“沉頭”導(dǎo)致的鉆孔上下位移偏差，根據(jù)施鉆設(shè)備及鉆孔長(zhǎng)度，通過(guò)設(shè)置施鉆下沉角對(duì)設(shè)計(jì)中的鉆孔上下偏移進(jìn)行修正，使設(shè)計(jì)出的鉆孔參數(shù)更符合實(shí)際。

2 普通順層鉆孔智能設(shè)計(jì)方法

普通鉆孔智能設(shè)計(jì)方法整體采用發(fā)散鉆孔和平行鉆孔兩種最基本的鉆孔布置方式的組合模式。將設(shè)計(jì)斷面作為一個(gè)基本設(shè)計(jì)單位，每個(gè)設(shè)計(jì)基本單位只允許一種鉆孔布置方式存在。各種類型的設(shè)計(jì)由兩種基本鉆孔布置方式靈活構(gòu)成。雙巷掘進(jìn)順層鉆孔設(shè)計(jì)可由左側(cè)鉆場(chǎng)發(fā)散鉆孔、左側(cè)巷道迎頭平行鉆孔、橫穿平行鉆孔、右側(cè)巷道迎頭平行鉆孔、右側(cè)鉆場(chǎng)發(fā)散鉆孔等五個(gè)單元組合而成，如圖2所示。由于平行鉆孔的布置十分簡(jiǎn)單，因此重點(diǎn)研究適用于計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)的發(fā)散鉆孔設(shè)計(jì)方法。

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)組合模式

2.1 開(kāi)孔位置確定

開(kāi)孔位置主要確定鉆孔與兩幫及頂?shù)装宓淖钚【嚯x，考慮到施鉆過(guò)程中能夠放置鉆機(jī)和便于操作，在允許布孔的區(qū)域均勻分布鉆孔。開(kāi)孔位置確定的傳統(tǒng)方式需要用戶手動(dòng)選擇，降低了設(shè)計(jì)部門(mén)的效率[11]。運(yùn)用人工智能技術(shù)，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用專家?guī)旌桶咐龓?kù)，學(xué)習(xí)用戶的操作行為和設(shè)計(jì)習(xí)慣，逐漸了解用戶的真實(shí)設(shè)計(jì)意圖，主動(dòng)向用戶提供符合要求的開(kāi)孔位置信息。

2.2 終孔位置確定

鉆孔設(shè)計(jì)包括按鉆孔個(gè)數(shù)與按鉆孔間距兩種類型設(shè)計(jì)。

1)按鉆孔個(gè)數(shù)模式。采用基于嘗試逼近原理的布孔方法：先任取一值作為鉆孔間距進(jìn)行布孔，當(dāng)達(dá)到給定的固定鉆孔個(gè)數(shù)時(shí)，若鉆孔不能完全覆蓋控制區(qū)域，應(yīng)增大鉆孔間距；相反，說(shuō)明所取的鉆孔間距太大，應(yīng)縮小鉆孔間距。按照此方法，直到固定個(gè)數(shù)的鉆孔正好覆蓋控制區(qū)域，這時(shí)的鉆孔間距即為合理的鉆孔間距，對(duì)應(yīng)的各鉆孔與控制范圍邊界交點(diǎn)的坐標(biāo)即為鉆孔的終孔坐標(biāo)。最后，基于空間幾何計(jì)算鉆孔的偏角、傾角和孔深。

2)按鉆孔間距模式。普通鉆孔設(shè)計(jì)使用最多的是按鉆孔間距模式，在固定的鉆孔間距條件下，用最少的鉆孔覆蓋所要求的控制范圍。按鉆孔間距模式鉆孔智能設(shè)計(jì)的具體方法如下：首先，以用戶給定的鉆孔間距進(jìn)行鉆孔布置，直到設(shè)計(jì)鉆孔的控制范圍全部覆蓋預(yù)期要求控制的范圍，這時(shí)的鉆孔數(shù)量即為最少的鉆孔數(shù)量；然后，按照固定鉆孔個(gè)數(shù)的布孔方式進(jìn)行布孔，最終獲得各個(gè)鉆孔的參數(shù)。

3 普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 系統(tǒng)環(huán)境

普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立在SuperMap Object 5.0平臺(tái)，使用.NET2003的Visual C#.NET語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)SuperMap的SDX+for SQL Server引擎來(lái)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)既可將AutoCAD格式的文件導(dǎo)入作為設(shè)計(jì)底圖，又可將設(shè)計(jì)成果輸出AutoCAD格式的平面三視圖，還可導(dǎo)出Excel格式的鉆孔參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)功能，普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體采用C/S的四層體系結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)展示層[12]，如圖3所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要保存設(shè)計(jì)斷面參數(shù)、煤層參數(shù)、用戶信息、鉆孔類型等信息。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層通過(guò)SQL Server服務(wù)和空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的查詢、更新、刪除等管理。業(yè)務(wù)邏輯層包含眾多業(yè)務(wù)邏輯組件，用來(lái)進(jìn)行專業(yè)業(yè)務(wù)邏輯處理，實(shí)現(xiàn)專業(yè)功能。操作顯示層主要是通過(guò)構(gòu)建Windows風(fēng)格用戶界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的交互，展現(xiàn)系統(tǒng)自身的信息和功能。

3.3 系統(tǒng)界面及功能實(shí)現(xiàn)

普通鉆孔智能設(shè)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下多變抽放條件下的順層或穿層鉆孔設(shè)計(jì)，在滿足無(wú)抽放盲區(qū)及覆蓋給定控制范圍的前提下，同時(shí)保證鉆孔工程量最小，根據(jù)自動(dòng)計(jì)算的鉆孔參數(shù)自動(dòng)生成鉆孔設(shè)計(jì)平面圖及三維立體圖。系統(tǒng)主界面包括平面視圖操作區(qū)、鉆孔組操作區(qū)、設(shè)計(jì)參數(shù)輸入?yún)^(qū)、開(kāi)孔布置圖、鉆孔剖面圖、鉆孔參數(shù)表區(qū)域。普通鉆孔智能設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)流程如下：

1)添加鉆孔組。將單個(gè)鉆場(chǎng)或一個(gè)設(shè)計(jì)基本單位看作一個(gè)鉆孔組，通過(guò)多個(gè)鉆孔組組合完成一條巷道的鉆孔設(shè)計(jì)。鉆孔組管理包括鉆孔組名稱、孔徑、進(jìn)巖層深度等參數(shù)。

2)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入。設(shè)計(jì)參數(shù)包括開(kāi)孔斷面參數(shù)和鉆孔組設(shè)計(jì)參數(shù)。系統(tǒng)通過(guò)給定開(kāi)孔高度、鉆孔左右?guī)妥钚【嚯x、控制范圍、抽采半徑、煤層參數(shù)、施工地點(diǎn)與煤層相對(duì)位置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)設(shè)計(jì)信息輸出。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件自動(dòng)計(jì)算符合要求的鉆孔個(gè)數(shù)、鉆孔長(zhǎng)度、傾角、方位角等鉆孔信息，并以Excel格式將參數(shù)輸出。同時(shí)生成可導(dǎo)出AutoCAD格式的鉆孔設(shè)計(jì)的平面圖、剖面圖、主視圖和三維立體圖。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)在七臺(tái)河新建礦得到成功應(yīng)用。七臺(tái)河新建礦三水平三采區(qū)所屬90#層煤為突出煤層，瓦斯壓力2.1～4.0MPa，煤層傾角17°。為采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施，在90#煤層下10～15m布置一條三水平三采左一片巖抽巷，通過(guò)鉆場(chǎng)向90#煤層打穿層鉆孔，掩護(hù)巷道掘進(jìn)[13]。設(shè)計(jì)每隔30m左右布置一個(gè)鉆場(chǎng)，通過(guò)鉆場(chǎng)施工一組鉆孔對(duì)左一片上巷附近煤體進(jìn)行預(yù)抽，施工鉆場(chǎng)寬度4m，高度2.2m。

抽采設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1，根據(jù)表1輸入?yún)?shù)，利用普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行三水平三采左一片巖抽巷抽采鉆孔設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用施工區(qū)域井巷工程平面圖為底圖，設(shè)計(jì)鉆孔自動(dòng)添加到相應(yīng)的鉆場(chǎng)與巷道底圖上，每個(gè)鉆孔組表示一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工36個(gè)鉆孔，共6排6列，累計(jì)設(shè)計(jì)16個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)設(shè)計(jì)576個(gè)鉆孔。

根據(jù)生成的抽采鉆孔平面布置圖，沿煤層走向，每個(gè)鉆場(chǎng)的左右控制范圍12.8m，相鄰兩個(gè)鉆場(chǎng)左右控制范圍邊界距離為2.3m，處于抽采半徑范圍內(nèi)，確保了無(wú)抽放空白帶。沿煤層傾向，鉆孔的上部控制范圍20.6m，下部控制范圍11m，符合設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于新建礦抽采部門(mén)慣用設(shè)計(jì)參數(shù)，平均每個(gè)鉆場(chǎng)減少6個(gè)鉆孔，工程量減少285.2m，在滿足無(wú)抽放盲區(qū)、全覆蓋控制范圍的前提下，實(shí)現(xiàn)了鉆孔工程量的最小。

表1 抽采設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)生成鉆孔三視圖和三維立體圖，在小三維場(chǎng)景下清楚地展示出鉆孔組的三維空間分布，有利于對(duì)鉆孔施工方位、控制范圍有更直觀了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的不足，改進(jìn)現(xiàn)有抽采設(shè)計(jì)及井下施工鉆孔，提升瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)水平，1#鉆場(chǎng)鉆孔三維立體圖如圖4所示。

圖4 三水平三采左一片巖抽巷1#鉆場(chǎng)鉆孔三維立體圖

5 結(jié) 論

1)分析了煤礦普通鉆孔設(shè)計(jì)影響因素，根據(jù)這些因素建立抽采鉆孔設(shè)計(jì)模型，通過(guò)提供的開(kāi)孔斷面參數(shù)、煤層賦存情況、抽采半徑、控制范圍、開(kāi)孔高度、開(kāi)孔方式等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)信息，計(jì)算出孔長(zhǎng)、開(kāi)孔位置、傾角、方位角等鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)及鉆孔個(gè)數(shù)。

2)普通鉆孔智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)煤層復(fù)雜賦存條件下的的穿層或順層瓦斯抽采鉆孔的科學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算，生成對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)平面圖和三維立體圖，同時(shí)滿足無(wú)抽放盲區(qū)及覆蓋控制范圍要求下實(shí)現(xiàn)鉆孔工程量最小。