煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術(shù)

黃 炳，李榮欣，周松元

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙410151；2.長沙煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心，湖南 長沙410151）

煤炭開采過程中的瓦斯問題是大部分礦井實現(xiàn)安全生產(chǎn)必須解決的首要問題，解決該問題的關(guān)鍵是通過鉆孔對瓦斯進(jìn)行抽排[1]。標(biāo)定鉆孔必須確定開孔位置、傾角和方位角等幾個基本參數(shù)，其中方位角的確定尤為困難。能否準(zhǔn)確標(biāo)定鉆孔對抽放設(shè)計能否落實、瓦斯抽放是否充分、開采危險是否解除等起到至關(guān)重要的作用。目前，傳統(tǒng)鉆孔定位方法主要有地質(zhì)羅盤-坡度規(guī)法、全站儀定向法、幾何量角器法、混合法等，這幾種方法在鉆孔標(biāo)定上均存在低效、低精度等方面的問題，嚴(yán)重影響瓦斯抽排的效率以及瓦斯防治的效果[2-5]。

1 傳統(tǒng)鉆孔定位方法及存在問題

1）地質(zhì)羅盤-坡度規(guī)法。①準(zhǔn)確度不高：操作人員用手穩(wěn)定地質(zhì)羅盤、坡度規(guī)，容易產(chǎn)生偏差，受井下場地和光線的影響，不同的人測定的數(shù)值偏差較大；②抗干擾性不強：地質(zhì)羅盤主要是靠地磁場對指北針的磁感應(yīng)使得指北針指向地球的正北方向（存在一定的磁偏角）；而在井下施工現(xiàn)場存在很多鐵質(zhì)材料和帶電設(shè)備，都會對地磁場產(chǎn)生干擾，使得地質(zhì)羅盤指北針發(fā)生偏斜，這對方位角的標(biāo)定產(chǎn)生了較大影響[6]。

2）全站儀定向法。①操作復(fù)雜，標(biāo)定時間長：全站儀是一種精密儀器，操作起來比較精細(xì)復(fù)雜；②占用人員與設(shè)備：全站儀是專業(yè)測量人員使用的精密儀器，非測量人員很少有人會用，井下打鉆作業(yè)地點多、成孔快，需要占用大量測量技術(shù)人員和設(shè)備，也給礦井正常測量作業(yè)帶來很大的影響[6]；③全站儀標(biāo)定鉆孔開孔位置時，需移開鉆機或鉆機未進(jìn)入操作前完成，如因特殊情況，需打孔中途補充標(biāo)定鉆孔開孔時，靈活性差，操作不方便。

3）幾何量角器法。①操作復(fù)雜：幾何量角器法利用三角形、平行四邊形等幾何原理，再加上量角器，在空間上對鉆孔進(jìn)行定位，操作上比較復(fù)雜；②誤差較大：在操作上需要拉線形成平行四邊形或者直角三角形等幾何圖形，量角器在空間上的使用在角度上有一定的度數(shù)偏差，這些因素會導(dǎo)致最終的結(jié)果誤差比較大[7]。

4）混合法?；旌戏ň褪菐追N方法的疊加，比如先用全站儀對巷道進(jìn)行基準(zhǔn)線標(biāo)定，然后根據(jù)基準(zhǔn)線利用幾何量角器法進(jìn)行鉆場基準(zhǔn)線的標(biāo)定。這種方法結(jié)合多種方法的特點，有一定的復(fù)雜性，也存在多種方法都具有的問題。

另外，在進(jìn)行鉆孔設(shè)計的時候，通過電腦制成的設(shè)計圖或施工圖多數(shù)以平面圖的形式體現(xiàn)，對于立體空間的細(xì)微差異不予考慮，在設(shè)計上就形成了較為明顯的系統(tǒng)性誤差。這樣的鉆孔施工在空間上會形成一些抽放無法控制帶，即抽放盲區(qū)，導(dǎo)致抽放不充分，給采煤工作帶來很多潛在的危險，極有可能引發(fā)瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故。

2 煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術(shù)

煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術(shù)研究是基于空間射線投射技術(shù)，以固定點位為基點來模擬鉆機位置，向巷道、石門、垱頭空間的抽放鉆孔控制區(qū)域投射不同方位、傾角的紅外可見光射線，根據(jù)射線投射的位置，在煤（巖）面上進(jìn)行標(biāo)定。在施工鉆孔時，只需要將鉆機的轉(zhuǎn)動中心點與基點相重合，調(diào)整鉆桿長度，將鉆頭對準(zhǔn)已標(biāo)定的點位鉆進(jìn)即可。

2.1 技術(shù)原理

根據(jù)鉆探、采掘工程圖數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)煤層的傾角、走向以及與抽排鉆場的空間關(guān)系，按照不同類型的區(qū)域防突措施規(guī)定的要求，確定空間上預(yù)抽區(qū)域的范圍。根據(jù)抽放半徑，通過最優(yōu)算法，即以最少的鉆孔數(shù)對預(yù)抽區(qū)域進(jìn)行鉆孔布置，實現(xiàn)對該區(qū)域的全面控制。以投射點位為基點，通過預(yù)抽區(qū)域鉆孔的空間坐標(biāo)形成1 個空間向量，以此確定投射線，從而實現(xiàn)對鉆孔的精確定位。石門或鉆場鉆孔投射定位如圖1。

圖1 石門或鉆場鉆孔投射定位Fig.1 Projection positioning of cross-cut or drill site

2.2 算法研究

按照煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)規(guī)定，如《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第60 條，區(qū)域防突措施預(yù)抽煤層瓦斯可采用的方式中，需要對鉆孔進(jìn)行精準(zhǔn)定位的包括：穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯等4 大類[8]，下面針對穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域煤層瓦斯模式和穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯模式分別進(jìn)行算法研究。

2.2.1 穿層鉆孔預(yù)抽石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯模式

穿層鉆孔預(yù)抽石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯鉆孔坐標(biāo)計算示意圖如圖2[8]。假設(shè)巷道斷面寬為a，高為b，垱頭距離煤層的最小法向距離為e，煤層傾角為α，以及鉆機高度h，煤層抽采半徑為r。根據(jù)《煤與瓦斯突出細(xì)則》鉆孔的最小控制范圍為石門揭煤處巷道輪廓線外12 m。

那么，鉆孔終孔控制區(qū)域的大小寬為A=a+24，高為H=b/sinα+24。為了便于計算，以巷道中線距離垱頭d 處為基準(zhǔn)點O，以基準(zhǔn)點建立三維空間坐標(biāo)xyz，其坐標(biāo)為（0，0，0）。假設(shè)垱頭距離煤層的最小法向距離為e，煤層傾角為α。在空間上可以計算控制區(qū)域右下角P 點的坐標(biāo)：

圖2 穿層鉆孔預(yù)抽石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯鉆孔坐標(biāo)計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation of coal seam gas borehole coordinates in coal seam uncovering area with pre-drainage crosscut

以P 點為計算點，向左、向上按抽采半徑r 進(jìn)行網(wǎng)格布點，則控制范圍為：

那么，需要布置的鉆孔數(shù)在縱向上為（h/sinα+12）/2r=i+m（其中，i 為整數(shù)部分，m 為小數(shù)部分，如果m＜0.5，則鉆孔數(shù)為i，m≥0.5，則鉆孔數(shù)為i+1）；在橫向上（a+24）/2r=j+n（其中，j 為整數(shù)部分，n 為小數(shù)部分，如果n＜0.5，則鉆孔數(shù)為j，n≥0.5，則鉆孔數(shù)為j+1）。控制區(qū)域總的鉆孔數(shù)即為i（i+1）和j（j+1）的乘積。

對于任何1 個鉆孔Pi，j，可以得出其Pi，j（x，y，z）坐標(biāo)為：

2.2.2 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯模式

穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯是針對已布置好的巷道對煤巷條帶區(qū)域進(jìn)行抽放，在空間上可以看做為2 條直線之間的關(guān)系，在施工中一般直接在巷道內(nèi)進(jìn)行打鉆，不另外布置鉆場，但在巷道空間會形成一定間隔距離的打鉆點。在設(shè)計上必須分2 步進(jìn)行考慮：合理確定打鉆點的數(shù)量及確定每個打鉆點的鉆孔數(shù)量[9-10]。

鉆孔投射技術(shù)只針對單個打鉆點進(jìn)行鉆孔的準(zhǔn)確定位，一般而言，可以選取1 個點作為基點，距底高度為c，距幫為b，將其坐標(biāo)定為（0，0，0）。以緩傾斜煤層為例，對于單個打鉆點需要控制的區(qū)域為煤巷空間上下15 m 區(qū)域，假設(shè)煤巷空間跨度為a，則控制的條帶范圍為a+30，在設(shè)計上確定的寬度為d，再假設(shè)煤層傾角為α。預(yù)抽巷道與已布置巷道之間的空間關(guān)系用距離e 和傾角β 進(jìn)行確定，穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯模式空間示意圖如圖3[11-12]。

圖3 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯模式空間示意圖Fig.3 Sketch map of gas pattern space of strip coal seam in pre-drainage roadway by through-layer drilling

在系統(tǒng)模式中定義鉆孔排數(shù)，分別為：…、左2、左1、正中、右1、右2、…，那么對于其中的任何1 排可以通過計算確定，以正中的1 排為例，第i 個鉆孔坐標(biāo)可以確定為：

對于空間任意1 排鉆孔n，任意第i 個鉆孔，可以計算出其Pi，j（x，y，z）的坐標(biāo)為：

那么根據(jù)坐標(biāo)原點O 和目標(biāo)鉆孔點P 可以形成1 個空間向量，實現(xiàn)在空間上鉆孔的定位。

2.3 技術(shù)特點

空間可視化鉆孔投射定位技術(shù)能實現(xiàn)對石門揭煤、底板穿層鉆孔施工區(qū)域防突鉆孔定位的精確控制，具有如下特點：

1）空間可視化。通過對鉆場空間投射紅外可見光射線，射線依據(jù)每個鉆孔坐標(biāo)與定位點形成的空間向量進(jìn)行投射，能實現(xiàn)對單個鉆孔定位的空間可視化標(biāo)定[13]。

2）高效快捷。操作時，只需要將巷道、煤層參數(shù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動計算垱頭需要布置的鉆孔數(shù)量，并確定每一個鉆孔的參數(shù)。對任意1 個鉆孔的施工時，可以實時調(diào)出該鉆孔的參數(shù)，并以射線投射的方式，從鉆機位置投射到巖石壁上，然后通過標(biāo)識，直接確定鉆孔開鉆的位置，調(diào)整鉆機進(jìn)行施鉆。可以實現(xiàn)對控制區(qū)域的一次投射，全部標(biāo)定，標(biāo)定1 個鉆場的時間一般不超過30 min，比傳統(tǒng)方法在時效上提高80%以上。

3）精確全面。鉆孔的設(shè)計充分考慮各項數(shù)據(jù)，包括巷道的大小，鉆機的高度和位置，煤層賦存狀態(tài)等。通過對不同傾角煤層的計算，能精確得出每個鉆孔的參數(shù)，從而保證對預(yù)抽區(qū)域的全面控制，不留抽排空白帶，使得瓦斯抽排精準(zhǔn)充分[14]。

4）經(jīng)濟節(jié)約。以往的鉆孔設(shè)計只注重平面化，忽視空間布局，容易出現(xiàn)抽排無法控制帶，導(dǎo)致抽排不充分，引發(fā)瓦斯突出、爆炸事故?；蛘咦非蟪浞殖榕牛芗贾勉@孔不留死角，這樣的鉆孔工程量巨大，造成經(jīng)濟上浪費，時間上耗費。通過空間可視化鉆孔設(shè)計，能對預(yù)抽區(qū)域的空間上全面控制，充分考慮了鉆孔施工的空間性，避免了密排鉆孔導(dǎo)致的浪費，起到了經(jīng)濟節(jié)約的效果。

2.4 技術(shù)創(chuàng)新

1）可以解決井下鉆孔施工定位不準(zhǔn)、定位時間過長的問題。通過分析以往定位方法存在的缺點，通過從空間上的控制，以立體幾何算法代替人工控制，有效的解決羅盤、量角器等方法誤差較大的問題，通過一次投射、全面標(biāo)定，大大縮短傳統(tǒng)鉆孔定位的時間。

2）能實現(xiàn)對預(yù)抽區(qū)域的立體空間控制。針對以往鉆孔設(shè)計平面化的缺點，考慮預(yù)抽區(qū)域的立體空間性。通過巷道、煤層等數(shù)據(jù)的輸入，自動形成鉆孔參數(shù)，并以紅外可見光射線的形式體現(xiàn)，能有效對預(yù)抽區(qū)域的立體空間控制。

3 結(jié) 語

煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術(shù)適用于區(qū)域防突措施預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔施工，它在操作上高效快捷、簡單便利，能解決當(dāng)前煤礦井下鉆孔定位困難的問題，還可以應(yīng)用于探放水、地質(zhì)鉆探等礦山超前鉆探工作之中。在具體施工過程中應(yīng)注意，在基點確定之后，鉆機要盡可能地減少移動，這對復(fù)雜地質(zhì)條件施工鉆孔時要求較高?？臻g可視化鉆孔投射技術(shù)與有關(guān)學(xué)者提出的“三維可視化體系構(gòu)建”并不相同，兩者的主要區(qū)別在于：前者注重于鉆孔施工實踐，后者注重于設(shè)計成圖，側(cè)重點不一樣。下一步工作的重點是將研究付諸實踐，通過試制投射器，不斷改進(jìn)，使其利于現(xiàn)場施工，確保鉆孔施工到位，提高瓦斯防治、地質(zhì)鉆探工作的有效性。