基于Surfer的礦井瓦斯地質(zhì)編圖技術(shù)研究與應(yīng)用

李凱

【摘? 要】針對(duì)礦井瓦斯地質(zhì)圖傳統(tǒng)繪制方法效率和準(zhǔn)確率低，難以動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)煤層瓦斯賦存和分布情況，論文提出了基于Surfer軟件的礦井瓦斯地質(zhì)編圖方法，闡述了繪制礦井瓦斯地質(zhì)圖中瓦斯含量等值線(xiàn)的過(guò)程。通過(guò)在鶴煤中泰礦業(yè)3107和3108工作面的應(yīng)用顯示，Surfer軟件在瓦斯地質(zhì)管理中的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層瓦斯賦存和分布情況，劃分工作面范圍內(nèi)的瓦斯富集區(qū)，為采取針對(duì)性的防突措施提供了重要的指導(dǎo)和參考。

【關(guān)鍵詞】Surfer;瓦斯地質(zhì)圖;瓦斯含量等值線(xiàn);瓦斯富集區(qū)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TD171 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1673-1069（2022）05-0129-03

1 引言

礦井瓦斯地質(zhì)圖能夠揭示瓦斯地質(zhì)規(guī)律和概括瓦斯預(yù)測(cè)成果，直觀(guān)反映煤層瓦斯賦存狀況，為礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治工作、瓦斯抽采設(shè)計(jì)以及采掘工作面布置提供科學(xué)的指導(dǎo)。以往的礦井瓦斯地質(zhì)圖中各個(gè)瓦斯參數(shù)點(diǎn)都是彼此孤立的，當(dāng)突出危險(xiǎn)性指標(biāo)達(dá)到或者超過(guò)臨界值時(shí)，一般的解決辦法是在超限點(diǎn)周?chē)霃?00 m范圍內(nèi)采取補(bǔ)充防突措施，但是瓦斯賦存狀態(tài)受地質(zhì)條件影響，在煤層中的分布并不是簡(jiǎn)單的一個(gè)面積范圍，并且隨著煤礦采掘工作面消突評(píng)價(jià)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，對(duì)于區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、區(qū)域措施效果檢驗(yàn)不達(dá)標(biāo)的采掘工作面，其突出危險(xiǎn)程度和突出危險(xiǎn)范圍的大小以及采取防突措施達(dá)標(biāo)后采掘工作面內(nèi)是否仍存在瓦斯富集區(qū)等，都需要有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，只有這樣才能在實(shí)施補(bǔ)充防突措施時(shí)做到有的放矢。為保證煤礦安全生產(chǎn)，確保實(shí)現(xiàn)采掘工作面消突，需要建立一個(gè)模型來(lái)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)采掘工作面的各項(xiàng)瓦斯參數(shù)，劃分瓦斯異常區(qū)域范圍，以指導(dǎo)防突措施的實(shí)施。

2 基于Surfer軟件編制瓦斯地質(zhì)圖的目的

瓦斯在煤儲(chǔ)層中的賦存和分布受地質(zhì)條件控制，并存在明顯的瓦斯地質(zhì)規(guī)律。同時(shí)，瓦斯參數(shù)能夠反映出控制瓦斯賦存的隱蔽地質(zhì)構(gòu)造分布情況。在同一個(gè)地質(zhì)單元內(nèi)，通過(guò)搜集整理已揭露的、有限的瓦斯地質(zhì)資料，可建立瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯涌出量等煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，劃分出瓦斯參數(shù)的預(yù)測(cè)等值線(xiàn)，超前判識(shí)局部瓦斯富集區(qū)域的大小，指導(dǎo)煤層掘進(jìn)、回采時(shí)的瓦斯防治措施及“四位一體”防突措施的具體執(zhí)行。瓦斯含量、瓦斯壓力以及瓦斯涌出量等值線(xiàn)是瓦斯地質(zhì)圖的重要組成部分，其中涉及大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制這些等值線(xiàn)的傳統(tǒng)方法是根據(jù)各實(shí)測(cè)點(diǎn)瓦斯參數(shù)，與煤層等高線(xiàn)相結(jié)合的繪圖方法，不僅速度慢，效率和準(zhǔn)確率低，且繪圖的質(zhì)量也存在較大差異。Surfer軟件具有多種插值功能，能夠有效地對(duì)瓦斯參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基于Surfer軟件編制礦井瓦斯地質(zhì)圖，可以有效提高瓦斯地質(zhì)圖的準(zhǔn)確性、制圖質(zhì)量以及制圖效率[1-3]。

3 瓦斯地質(zhì)圖編制過(guò)程分析

本文以鶴煤中泰礦業(yè)三一采區(qū)3108工作面殘余瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線(xiàn)為例，分析Surfer軟件在瓦斯地質(zhì)圖繪制中的應(yīng)用過(guò)程。

3.1 建立基本數(shù)據(jù)源

首先對(duì)3108工作面實(shí)測(cè)的殘余瓦斯含量及孔深等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用AutoCAD軟件標(biāo)明其坐標(biāo)位置，在Excel中建立瓦斯含量數(shù)據(jù)庫(kù)，其中第一列為區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)點(diǎn)的X坐標(biāo)，第二列為Y坐標(biāo)，第三列為實(shí)測(cè)瓦斯含量值。其次根據(jù)繪圖區(qū)域大小及區(qū)域內(nèi)斷層等地質(zhì)構(gòu)造劃分出數(shù)據(jù)邊界點(diǎn)及空白區(qū)域。

3.2 利用Surfer軟件繪制瓦斯含量等值線(xiàn)

①建立網(wǎng)格文件。打開(kāi)建立的瓦斯含量數(shù)據(jù)文件，選擇合適的數(shù)據(jù)插值方法。根據(jù)該工作面實(shí)際情況選用克里金（Kriging）插值法[4，5]生成網(wǎng)格文件，即完成煤層瓦斯含量測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格化。

②生成等值線(xiàn)。在Surfer軟件中選擇菜單命令“地圖”→“等值線(xiàn)圖”→“新建等值線(xiàn)圖”，選擇并打開(kāi)網(wǎng)格文件，即繪制完成瓦斯含量初始等值線(xiàn)，如圖1所示。

③修改等值線(xiàn)。根據(jù)繪制的瓦斯含量初始等值線(xiàn)圖，在等值線(xiàn)屬性對(duì)話(huà)框中可對(duì)等值線(xiàn)之間填充顏色、增減或移動(dòng)等值線(xiàn)標(biāo)注及等級(jí)等進(jìn)行修改，即可得到瓦斯含量等值線(xiàn)，如圖2所示。

④輸出等值線(xiàn)。將以上修改后的瓦斯含量等值線(xiàn)圖與瓦斯地質(zhì)圖進(jìn)行合并，得到整個(gè)采掘工作面范圍內(nèi)的瓦斯含量等值線(xiàn)，并利用AutoCAD軟件完善瓦斯含量等值線(xiàn)圖。由圖3可以看出，瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線(xiàn)與已知的實(shí)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量基本吻合，說(shuō)明基于Surfer軟件編制的礦井瓦斯地質(zhì)圖具有較高的準(zhǔn)確性。

4 應(yīng)用效果分析

基于Surfer軟件編制礦井瓦斯地質(zhì)圖的方法首先應(yīng)用在鶴煤中泰礦業(yè)三一采區(qū)3107、3108這兩個(gè)回采工作面，通過(guò)繪制瓦斯參數(shù)等值線(xiàn)，預(yù)測(cè)并劃分工作面內(nèi)瓦斯富集區(qū)，以采取針對(duì)性的防突措施，確保取得較好的瓦斯防治效果。

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

鶴煤中泰礦業(yè)位于鶴壁礦區(qū)北部，所采二1煤層是井田范圍內(nèi)唯一可采煤層，屬煤與瓦斯突出煤層。3107工作面位于鶴煤中泰礦三水平一采區(qū)，該工作面相鄰采空區(qū)較多為孤島煤柱工作面，工作面沿二1煤層底板回采，煤層埋藏較深，周?chē)跋锏栏浇鼞?yīng)力集中程度高，壓力較大，且位于突出危險(xiǎn)區(qū)，因此導(dǎo)致工作面范圍內(nèi)瓦斯含量較大。3108工作面位于該礦三水平一采區(qū)的3個(gè)采空區(qū)正下方，為二層回采工作面，視為“零距離”保護(hù)層掩護(hù)工作面，可不采取區(qū)域防突措施，采用直接測(cè)定回采區(qū)域煤層殘余瓦斯含量的方法進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

4.2 Surfer軟件在瓦斯地質(zhì)管理中的應(yīng)用

在3108工作面上下順槽內(nèi)布置18個(gè)瓦斯含量檢驗(yàn)鉆孔，鉆孔間距45～48 m，孔深45～60 m，由13號(hào)鉆孔測(cè)得該工作面最大殘余瓦斯含量為5.3 m³/t。通過(guò)已揭露的這些瓦斯含量點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用Surfer軟件繪制瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線(xiàn)，可以清楚地了解3108工作面瓦斯賦存狀況。如圖3所示，在采取“零距離”保護(hù)層開(kāi)采后，3108工作面殘余瓦斯含量均在6 m³/t以下，瓦斯防治取得了較好的效果，不存在瓦斯富集區(qū)。但其中殘余瓦斯含量在5 m³/t以上的橢圓形區(qū)域（長(zhǎng)26 m，寬29.4 m）瓦斯含量相對(duì)較大，在回采至此區(qū)域內(nèi)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加煤層注水鉆孔數(shù)量等瓦斯防治措施。

按照同樣的方法，在3107煤柱工作面內(nèi)更能體現(xiàn)出Surfer軟件對(duì)于瓦斯富集區(qū)劃分的特點(diǎn)。3107工作面以對(duì)接巷為界，劃分為前期和后期工作面。3107工作面四周均臨近采空區(qū)，前期工作面內(nèi)老巷較多，斜長(zhǎng)又短，瓦斯已得到充分釋放，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量值均小于6 m³/t。后期工作面實(shí)測(cè)12號(hào)鉆孔瓦斯含量為6.3 m3/t，15號(hào)鉆孔瓦斯含量為7 m³/t。根據(jù)實(shí)際測(cè)定的3107工作面33個(gè)殘余瓦斯含量檢驗(yàn)鉆孔的瓦斯含量值，利用Surfer軟件繪制瓦斯含量預(yù)測(cè)等值線(xiàn)，3107前期工作面內(nèi)無(wú)瓦斯富集區(qū)，因此，主要展示Surfer軟件在后期工作面內(nèi)判識(shí)瓦斯富集區(qū)的應(yīng)用特點(diǎn)。

由圖4可以看出，在3107后期工作面超限點(diǎn)鉆孔附近存在瓦斯富集區(qū)域，此范圍內(nèi)瓦斯含量梯度較大，說(shuō)明煤層透氣性系數(shù)較低，可能存在一定的應(yīng)力集中或利于瓦斯積聚的小構(gòu)造，其中瓦斯含量在6 m³/t以上的不規(guī)則區(qū)域最長(zhǎng)110.8 m。在采取補(bǔ)充防突措施時(shí)，應(yīng)在此區(qū)域內(nèi)增加瓦斯抽放鉆孔，檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)也宜布置在此范圍內(nèi)。

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在采取補(bǔ)充防突措施后，檢驗(yàn)3107工作面殘余瓦斯含量均在6 m³/t以下，根據(jù)補(bǔ)充的檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量繪制3107工作面瓦斯含量等值線(xiàn)中不存在瓦斯富集區(qū)，因此，評(píng)判3107后期工作面防突措施有效。

5 結(jié)語(yǔ)

①利用Surfer軟件繪制礦井瓦斯地質(zhì)圖，可通過(guò)有限的瓦斯參數(shù)準(zhǔn)確繪制預(yù)測(cè)等值線(xiàn)，具有較高的可靠性、制圖效率和較好的制圖質(zhì)量。

②將Surfer軟件應(yīng)用在瓦斯地質(zhì)管理中，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤層瓦斯賦存和分布情況，有效地劃分瓦斯富集區(qū)域，為瓦斯治理及煤礦安全管理提供了指導(dǎo)依據(jù)，是采取瓦斯防治針對(duì)性措施的一個(gè)重要參考資料。

【參考文獻(xiàn)】

【1】邵海，李春香，蔣星星，等.礦井瓦斯地質(zhì)圖自動(dòng)生成方法研究[J].煤炭技術(shù)，2020，39（2）：46-48.

【2】趙方，周榮福，耿詠梅，等.Surfer與AutoCAD結(jié)合在繪制等值線(xiàn)中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2011，9（2）：46-48+8.

【3】趙宇，王志新.Surfer軟件借助AutoCAD實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)繪制煤層頂?shù)装宓雀呔€(xiàn)圖[J].煤炭技術(shù)，2005（4）：101-102.

【4】林海飛，陳勇，李樹(shù)剛，等.Surfer和AutoCAD軟件在編制礦井瓦斯地質(zhì)圖中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2010，36（9）：88-90.

【5】張淦星，楊勝?gòu)?qiáng)，展勇，等.煤礦瓦斯地質(zhì)圖中繪制等值線(xiàn)的技巧[J].煤炭技術(shù)，2015，34（4）：180-182.