順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陳 睿

（1.四川煤礦安全監(jiān)察局 安全技術(shù)中心，四川 成都610041；2.四川鑄創(chuàng)安全科技有限公司，四川 成都610041）

順層抽采也叫本煤層抽采，是煤礦最常用的瓦斯預(yù)抽方式之一[1-4]，具有鉆孔投抽速度快，工藝簡單，有效抽采距離長等優(yōu)勢[5]。目前，判斷順層鉆孔布置的合理性主要從鉆孔有效控制范圍、布孔均勻程度2 個方面考察，考察方法主要依據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2011 年10 月印發(fā)的《瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》中的第二十四條規(guī)定[6-7]。然而在實踐中，基于平面圖紙的傳統(tǒng)順層鉆孔布孔審查方式是不可靠的，特別是對于煤層賦存不穩(wěn)定區(qū)域或開采薄煤層的工作面，這種審查方式容易忽略瓦斯抽采空白帶，造成采掘過程中瓦斯超限甚至引發(fā)煤與瓦斯突出事故[8]。針對抽采達(dá)標(biāo)評判過程中這一不足之處，順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)在平面圖紙的基礎(chǔ)上自動建立工作面立體抽采模型，通過智能反算分析本煤層抽采方式下空白帶分布情況，并通過實際工程案例檢驗了該系統(tǒng)的合理性。未來，系統(tǒng)可與鉆孔軌跡跟蹤系統(tǒng)、瓦斯抽采在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對接，進(jìn)一步提高鉆孔施鉆精度并實現(xiàn)工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的動態(tài)評價，利用智能化、信息化手段推動煤礦科技治災(zāi)[9-10]。

1 系統(tǒng)研發(fā)背景及目的

圖1 2 種地質(zhì)條件下鉆孔布置平面示意圖Fig.1 Layout plane of boreholes based on two geological conditions

圖2 2 種地質(zhì)條件下鉆孔布置剖面示意圖Fig.2 Layout profile of boreholes based on two geological conditions

在實際生產(chǎn)過程中，大多數(shù)的煤層頂?shù)装宓雀呔€均不會呈平行直線分布，而煤層賦存也不會如“豆腐塊”一樣平整順滑，煤層局部強(qiáng)烈的高低起伏勢必會造成順層鉆孔的抽采盲區(qū)。如何利用已知的頂（底）板等高線預(yù)測實際煤層產(chǎn)狀，同時分析順層鉆孔空白帶并提出補(bǔ)孔方案顯得尤為重要，也是研發(fā)順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)的主要目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計要點

順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)基于Microsoft Direct XSDK開發(fā)，通過導(dǎo)入DXF 格式的抽采平面圖，用戶僅輸入鉆孔傾角，開孔位置等信息，系統(tǒng)即可自動生成工作面抽采場景模型，并結(jié)合鉆孔有效抽采半徑反算出各鉆孔的實際有效控制長度，以及抽采區(qū)域內(nèi)空白帶的分布、面積等信息，最后提出鉆孔補(bǔ)充設(shè)計方案。順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖3。

其具體的設(shè)計要點為：

1）導(dǎo)入抽采工程平面圖，通過DXF 文件組碼篩選出等高線、工作面巷道以及順層鉆孔對應(yīng)圖層。

2）提取各段等高線所包含端點的x、y 軸坐標(biāo)值，讀取每段等高線對應(yīng)的標(biāo)高作為端點的z 軸坐標(biāo)，選擇標(biāo)高相同的端點組成多段線，以單位長度進(jìn)行細(xì)分，形成三維散點集合。

圖3 順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig.3 Design flowchart of examination system of gas drainage hole along coal seam

3）圈定工作面抽采區(qū)域并進(jìn)行網(wǎng)格化處理，根據(jù)已知的三維散點集合，利用Kriging 法對抽采區(qū)域進(jìn)行插值運(yùn)算，再通過Delaunay 三角剖分法處理網(wǎng)格頂點，生成TIN 網(wǎng)，TIN 網(wǎng)中的小三角形稱為面元[12]。在建立好煤層頂?shù)装錞IN 網(wǎng)的基礎(chǔ)上，按煤厚將煤層模型等分成若干固定高度的單元體，稱之為體元。面元和體元示意圖如圖4。

圖4 面元和體元示意圖Fig.4 Schematic diagram of bin and voxel

4）讀取對應(yīng)圖層上工作面巷道的位置及高程信息，結(jié)合用戶輸入的巷道斷面參數(shù)建立煤巷模型。

5）讀取圖層上順層鉆孔平面起點、終點位置，結(jié)合鉆孔開孔位置、傾角等施鉆參數(shù)建立順層鉆孔模型。針對單個抽采鉆孔模型，可通過檢測其與煤層模型頂?shù)装甯髅嬖嬖诮稽c的數(shù)量來計算鉆孔的有效抽采段長度（即順層鉆孔在煤層內(nèi)的長度）。

6）在建好的每個鉆孔模型有效抽采段外部，加上以抽采有效半徑為半徑，鉆孔深度為高的圓柱形包圍盒，然后逐一提取煤層模型中的體元，判斷其是否包含于鉆孔包圍盒之內(nèi)，如該體元獨立于所有鉆孔包圍盒之外，則可認(rèn)為該體元處于抽采空白帶之內(nèi)。體元與鉆孔包圍盒碰撞檢測示意圖如圖5。

圖5 體元與鉆孔包圍盒碰撞檢測示意圖Fig.5 Schematic drawing of collision detection based on voxel and ambient box

7）由于體元的上（下）底面積、體積已知，根據(jù)組成空白帶的體元數(shù)量可準(zhǔn)確的計算出空白帶內(nèi)煤體面積、體積等數(shù)據(jù)。

8）結(jié)合以上計算出的抽采空白帶范圍及位置，用戶只需輸入鉆孔有效有效抽采半徑，系統(tǒng)即可根據(jù)空白帶內(nèi)的體元數(shù)量對補(bǔ)充抽采鉆孔進(jìn)行輔助設(shè)計，以確保工作面回采范圍內(nèi)無抽采盲區(qū)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實例

3.1 試驗區(qū)域概況

興文縣建設(shè)煤礦位于四川省宜賓市興文縣，為煤與瓦斯突出礦井，準(zhǔn)采11#煤層。11#煤層為水平煤層，平均傾角0°，平均煤厚1.2 m。受地質(zhì)條件影響，井田范圍內(nèi)煤層起伏變化較為強(qiáng)烈。由于不具備保護(hù)層開采條件且未布置頂?shù)装逑锏溃试摰V布置的1511 采煤工作面以順層鉆孔為主要區(qū)域防突措施，該工作面為走向長壁式開采，走向長度為800 m，傾斜長度為150 m，分別在工作面機(jī)巷、風(fēng)巷施工順層鉆孔，長度90 m，孔間距5 m（鉆孔有效控制范圍3.5 m），鉆孔傾角在0°～3°間，1511 采面抽采鉆孔布置圖如圖6。

圖6 1511 采面抽采鉆孔布置圖Fig.6 Layout plane of boreholes in 1511 mining face

3.2 系統(tǒng)部署與分析過程

鑒于1511 工作面順層預(yù)抽效果較差，部分鉆孔瓦斯抽采量低、衰減快，故采用系統(tǒng)進(jìn)行順層鉆孔布置審查。通過導(dǎo)入鉆孔布置平面圖（圖6），系統(tǒng)進(jìn)行插值及渲染后，生成1511 采煤工作面煤層模型。根據(jù)系統(tǒng)模擬的煤層效果圖發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域地層有較為強(qiáng)烈的起伏變化，造成部分順層鉆孔暴露于待抽煤層之外，從而導(dǎo)致鉆孔實際控制長度小于設(shè)計長度，嚴(yán)重制約了工作面瓦斯預(yù)抽效果。

回采區(qū)域抽采空白帶分析界面如圖7。通過對順層抽采鉆孔進(jìn)行布孔審查，得出圖7 右側(cè)視窗中煤層模型表面的紅色區(qū)域即為1511 采煤工作面的抽采空白帶，根據(jù)審查結(jié)論該抽采區(qū)域共布置有273 個順層鉆孔，其中有32 個鉆孔審查不合格，空白帶總面積為1 143.9 m2，總體積為1 473.4 m3。圖7 抽采空白帶分析界面左下方綠色區(qū)域為抽采空白帶的平面分布圖，結(jié)合系統(tǒng)生成的不合格鉆孔列表可知機(jī)巷60#～66#、133#～137#抽采鉆孔，風(fēng)巷6#～15#、51#～56#抽采鉆孔控制范圍內(nèi)均存在較明顯的空白帶，究其原因是以上區(qū)域為小型向斜底部，順層鉆孔無法覆蓋導(dǎo)致的抽采盲區(qū)，該部分煤層厚度變化較大且應(yīng)力較為集中，是瓦斯防治的關(guān)鍵區(qū)域，因此必須進(jìn)行補(bǔ)孔。系統(tǒng)的補(bǔ)充鉆孔設(shè)計與審查界面如圖8。

圖7 回采區(qū)域抽采空白帶分析界面Fig.7 Analysis interface of gas drainage blank zone in mining area

圖8 補(bǔ)充鉆孔設(shè)計與審查界面Fig.8 Design and examination interface of supplementary boreholes

由于1511 采面的抽采空白帶處于向斜底部，補(bǔ)充鉆孔無法采用順層布孔，故系統(tǒng)設(shè)計采用短距離的俯偽斜穿層鉆孔（系統(tǒng)中用綠色鉆孔模型表示補(bǔ)充鉆孔，紅色鉆孔模型表示原有抽采鉆孔），開孔位置為工作面機(jī)巷或風(fēng)巷，終孔位置為抽采空白帶內(nèi)，根據(jù)1511 采煤工作面實際情況共設(shè)計了47 個鉆孔，由圖8 中平面分析視圖可知，系統(tǒng)經(jīng)過再次審查后得出所有抽采空白帶均已處于補(bǔ)孔的有效控制范圍之內(nèi)。

3.3 應(yīng)用效果驗證

為驗證本系統(tǒng)分析結(jié)論的準(zhǔn)確程度，特在該工作面預(yù)抽前、預(yù)抽3 個月后以及按系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)孔3 個月后，分別在鉆孔有效控制帶與抽采空白帶內(nèi)各施工2 個觀測鉆孔并進(jìn)行封孔測壓，鉆孔有效控制帶內(nèi)瓦斯壓力測定結(jié)果見表1，抽采空白帶內(nèi)瓦斯壓力測定結(jié)果見表2，1#～4#測孔相對瓦斯壓力變化曲線如圖9。

表1 鉆孔有效控制帶內(nèi)瓦斯壓力測定結(jié)果Table 1 Results of pressure measurement in boreholes effective control zone

表2 抽采空白帶內(nèi)瓦斯壓力測定結(jié)果Table 2 Results of pressure measurement in gas drainage blank zone

圖9 1#～4#測孔相對瓦斯壓力變化曲線Fig.9 Variation curves of relative pressure of 1#～4#boreholes

根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果，1#、2#測孔位于抽采鉆孔有效覆蓋區(qū)域內(nèi)，3#、4#測孔位于抽采空白帶內(nèi)。由圖9 可知，對比1#、2#測孔的觀測數(shù)據(jù)，3#、4#測孔在補(bǔ)孔前瓦斯壓力下降緩慢，預(yù)抽3 個月后仍在1.3 MPa 以上，故可認(rèn)為該系統(tǒng)對工作面抽采空白帶的定位是準(zhǔn)確的。在按照系統(tǒng)生成的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)孔后，瓦斯相對壓力呈明顯下降趨勢，90 d 內(nèi)均已下降至0.74 MPa 以下，可以判定系統(tǒng)設(shè)計的補(bǔ)孔方案也是合理的。通過對建設(shè)煤礦1511 工作面殘余瓦斯壓力衰減情況的對比考察，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的瓦斯治理效果，保證了工作面實現(xiàn)真正意義上的抽采達(dá)標(biāo)。

4 結(jié) 語

1）分析了順層鉆孔人工審查工作中存在的難點，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對采煤工作面的布孔合理性進(jìn)行智能評價，并根據(jù)評價結(jié)果提出對應(yīng)補(bǔ)孔方案，使瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判體系中的薄弱環(huán)節(jié)得到了鞏固。

2）闡述了順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)的設(shè)計思路與關(guān)鍵算法，通過將煤層模型細(xì)分為若干體元并逐一與鉆孔模型進(jìn)行碰撞檢測來分析空白帶，具有精度高速度快等優(yōu)勢，為科學(xué)規(guī)范的開展工作面抽采達(dá)標(biāo)評判工作提供了新思路。

3）將順層抽采鉆孔審查系統(tǒng)應(yīng)用于興文縣建設(shè)煤礦1511 采面本煤層瓦斯治理工程后，準(zhǔn)確演算出了回采區(qū)域內(nèi)的抽采空白帶分布情況，并結(jié)合煤層實際產(chǎn)狀設(shè)計了合理的補(bǔ)充鉆孔施工參數(shù)，使工作面瓦斯預(yù)抽效果得到了顯著提升。

4）作為下一步發(fā)展，系統(tǒng)可與鉆孔軌跡跟蹤系統(tǒng)、瓦斯抽采在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對接，以進(jìn)一步提高鉆孔施鉆精度并實現(xiàn)工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的動態(tài)評價，利用智能化、信息化手段推動煤礦科技治災(zāi)。