長平礦瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)的開發(fā)與應用

王電青， 謝劍坤

（長平公司通風管理部， 山西 高平 048400）

引言

長平礦對礦井瓦斯抽采鉆孔以平面圖和剖面圖這種二維的表現(xiàn)方式為主，不能準確體現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔三維立體空間的關系，不符合人們的空間認知習慣，難以實現(xiàn)瓦斯抽采工程的精細化管理。因此提出了瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)，為礦井安全、高效生產保駕護航，從而提升礦井瓦斯抽采技術和管理水平。

1 瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)的開發(fā)

針對長平礦井下煤層瓦斯抽采鉆孔施工工藝和裝備，保證鉆孔軌跡測量裝置和系統(tǒng)的適用性與精度，通過現(xiàn)場實施和大量試驗，完成鉆孔軌跡測量分析技術的研究和開發(fā)工作，建立起集礦井瓦斯抽采鉆孔智能設計、規(guī)范管理、綜合評價一體化平臺，為礦井瓦斯抽采鉆孔工程質量監(jiān)督提供輔助手段。

1.1 系統(tǒng)結構設計

根據(jù)需求分析，設計瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)體系結構

1.2 數(shù)據(jù)庫建設

瓦斯抽采鉆孔管理與分析所涉及的對象主要包括定向鉆孔、普通鉆孔等，這些對象具有空間和屬性雙重特征，采用空間數(shù)據(jù)與關系數(shù)據(jù)混合模型進行瓦斯抽采鉆孔管理與分析信息數(shù)據(jù)庫設計。設計過程中，關系數(shù)據(jù)表采用實體-關系模型（E-R）設計，空間數(shù)據(jù)的要素類采用ArcGIS自帶的ModelBuilder工具進行建模。依據(jù)前期初始化數(shù)據(jù)量大小，以及數(shù)據(jù)庫運行期間數(shù)據(jù)增長速度，選擇Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

瓦斯抽采鉆孔管理與分析數(shù)據(jù)庫是基于GIS技術的海量空間數(shù)據(jù)庫，具有超大存儲能力（100 GB以上）和空間數(shù)據(jù)智能分析、數(shù)據(jù)完整性檢查、高容錯性和高穩(wěn)定性等功能，為瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)建設奠定基礎。

1.3 系統(tǒng)軟件主要功能

瓦斯抽采鉆孔管理與分析平臺集礦井瓦斯抽采鉆孔智能設計、規(guī)范管理、綜合評價一體化平臺，能夠實現(xiàn)礦井瓦斯抽采鉆孔智能設計、鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理、鉆孔竣工圖的自動繪制和鉆孔控制效果輔助分析，提升礦井的瓦斯抽采和瓦斯災害防治技術、管理水平，保障礦井安全生產。

1.3.1 瓦斯抽采鉆孔三維建模及可視化

針對長平礦綜合采用多種鉆孔進行立體瓦斯抽采的實際，系統(tǒng)開發(fā)了普通瓦斯抽采鉆孔的真三維自動建模功能，能夠實現(xiàn)各種瓦斯抽采鉆孔的三維可視化。

1.3.2 瓦斯抽采鉆孔智能設計及成圖

定向鉆孔的智能設計功能實現(xiàn)了包括澳大利亞鉆機、西安鉆機和重慶鉆機等在內的定向鉆孔的智能設計，能夠根據(jù)設計要求自動計算鉆孔參數(shù)，并繪制相應的鉆孔平、剖面總覽圖和分段圖。普通鉆孔智能設計功能可以實現(xiàn)順層或穿層瓦斯抽采鉆孔智能設計，并根據(jù)設置的瓦斯抽采半徑自動計算鉆孔設計參數(shù)，并生成對應的鉆孔設計圖和三維立體圖。

1.3.3 抽采鉆孔控制效果自動分析

通過系統(tǒng)的Auto CAD接口，用戶可以將CAD格式的鉆孔施工圖導入系統(tǒng)中，然后根據(jù)設置的不同瓦斯抽采半徑，系統(tǒng)將以云圖形式自動顯示預抽區(qū)域煤體中鉆孔均勻程度，確保瓦斯抽采部門準確分析瓦斯抽采空白帶，及時采取補充措施，確保區(qū)域瓦斯抽采效果。

2 現(xiàn)場應用

瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)在長平礦進行了現(xiàn)場應用。截止目前，應用該系統(tǒng)已累計進行了三個定向鉆孔和十余個普通鉆孔的設計和成圖，以及十余次的煤層地質輔助分析和鉆孔控制控制效果評判，提高了長平煤礦瓦斯抽采鉆孔的設計、成圖效率，為瓦斯抽采鉆孔工程質量監(jiān)督提供輔助手段，對礦井瓦斯災害防治起到了積極作用。

2.1 定向鉆孔智能設計應用

在長平礦4308綜采工作面13號橫川、4306綜采工作面17號聯(lián)絡橫川、43183巷口等地點，應用瓦斯抽采鉆孔管理與分析軟件進行了定向鉆孔輔助設計。

在4308綜采工作面13號橫川進行了瓦斯抽采鉆孔輔助設計分析軟件的高位定向鉆孔智能設計應用。該定向鉆孔主要是為了治理4308綜采工作面采空區(qū)瓦斯，最大限度降低工作面回采期間采空區(qū)瓦斯涌出，設計在4308工作面13號聯(lián)絡橫川鉆場硐室內向4308工作面施工采空區(qū)定向高位鉆孔。首先錄入設計基礎參數(shù)、鉆機類型、鉆場基本信息、測量間距、目標方位角、偏角率、最大彎曲強度等參數(shù)；然后設置鉆孔開孔、目標高度，導入相鄰的鉆孔施工數(shù)據(jù)作為參考鉆孔，錄入相鄰鉆孔的探頂、探底結果，導入定向鉆孔設計的底圖；最后，系統(tǒng)自動進行5號鉆孔的設計和成圖。

2.2 普通鉆孔智能設計應用

2.2.1 順層鉆孔設計

以典型的4310導硐迎頭抽采順層鉆孔設計為例，對順層鉆孔智能設計現(xiàn)場應用進行說明。首先，通過系統(tǒng)提供的新建設計工具，錄入設計的基本屬性信息。然后，錄入設計參數(shù)，包括開孔斷面、控制范圍、開孔高度等參數(shù)，系統(tǒng)將自動生成相應的平面圖、剖面圖、斷面圖和三維立體圖。最后，進入鉆孔設計打印輸出窗口，錄入鉆孔設計文字說明，將系統(tǒng)自動生成的平面、剖面和斷面圖調整到合適位置及大小，最終打印出可供現(xiàn)場直接使用的鉆孔設計文件。

2.2.2 穿層鉆孔設計

系統(tǒng)的穿層鉆孔智能設計應用主要集中在5302底抽2巷4-6單元、西翼膠帶機巷2-3單元等抽采鉆孔設計。以典型的5302底抽2巷4-6單元穿層鉆孔設計為例，對穿層鉆孔智能設計應用。與順層鉆孔設計相似，系統(tǒng)將根據(jù)設計參數(shù)自動生成了開孔布置圖和鉆孔參數(shù)。

2.3 鉆孔自動成圖及三維展示

對長平礦應用瓦斯抽采鉆孔輔助設計分析軟件進行了鉆孔施工圖的自動繪制，在生成鉆孔施工圖的過程中，系統(tǒng)還對鉆孔進行了三維展示，對現(xiàn)場鉆孔布置有了更加直觀、準確的把握，有助于瓦斯抽采鉆孔空白帶辨識和采取補充措施。以5302底抽2巷北段施工的穿層鉆孔為例，自動生成的鉆孔施工布置圖和三維立體圖。

2.4 鉆孔設計及成圖效率分析

抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)實現(xiàn)了定向鉆孔、普通順層鉆和穿層鉆孔的智能設計。根據(jù)對瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)智能設計功能的現(xiàn)場應用，單個定向鉆孔設計時間可控制在20 min，單組普通順層鉆孔或穿層鉆孔的設計時間可控制在10 min內。此外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)鉆孔施工參數(shù)自動生成鉆孔施工三視圖，并在三維場景下對鉆孔布置情況進行展示。根據(jù)現(xiàn)場應用分析，單組（約50個鉆孔）瓦斯抽采鉆孔的成圖時間不超過1 min，與人工成圖2 h相比，成圖效率和成圖效果得到了極大的提高。

2.5 鉆孔控制效果分析應用

瓦斯抽采鉆孔的合理布置，是保證瓦斯抽采效果，徹底消除煤層瓦斯危險性的前提?！锻咚钩椴蛇_標評判細則》將鉆孔布置評價作為預抽煤層瓦斯效果評判的一項重要內容。長平礦瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)現(xiàn)場應用過程中，對四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭抽采設計鉆孔布置效果采用密度分析方法進行了評判，評判結果如圖2所示。

圖2 四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭抽采鉆孔控制效果分析

基于抽采鉆孔布置效果評判模型，可對抽采鉆孔的控制效果進行分析。通過對四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭瓦斯抽采鉆孔的控制效果分析，可以發(fā)現(xiàn)該工作面得到了有效控制。

針對此類鉆孔控制效果分析，系統(tǒng)提供基于CAD格式的數(shù)據(jù)文件導入與分析，為抽放技術人員對抽采鉆孔控制范圍是否存在空白帶有了直觀的認識，并為其后續(xù)分析提供了輔助手段，為工作面瓦斯抽采達標和瓦斯災害危險的全面消除建立了基礎。

3 結論

1）通過本研究，建立了定向鉆孔、普通順層鉆孔、普通穿層鉆孔（含石門和立井揭煤）設計方法模型和抽采鉆孔控制效果評判方法模型；

2）研制了適合長平礦的鉆孔軌跡測量裝置，實現(xiàn)了井下施工鉆孔軌跡的自動成圖和精準測量；

3）研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔管理與分析軟件，實現(xiàn)了礦井瓦斯抽采鉆孔的智能化設計、管理和分析，為礦井瓦斯抽采鉆孔工程質量監(jiān)督提供輔助手段，提升礦井瓦斯抽采和瓦斯防治水平。