普通鉆孔智能設計系統研究與應用

張士嶺

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤礦抽采部門設計軟件大多數使用AutoCAD，其效率低、工作量大，對于復雜的抽采設計，則不能很好反映設計思想和清楚表達鉆孔工程與巖層之間的相互關系[1-4]。在進行抽采設計時，設計人員首先選用設計模版或者慣用的設計參數，而這種選擇不一定是當前條件下的最優設計參數，甚至不符合煤礦井下復雜變化的賦存條件，導致產生空白帶、不符合規程等不良后果[5，6]。目前我國煤礦抽采鉆孔設計仍主要依靠現場技術人員的經驗的背景下，研究利用計算機技術科學地進行鉆孔設計是十分有必要的。因此，基于主流GIS平臺，在符合煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工工藝和裝備的基礎下，開發煤礦順層鉆孔和穿層鉆孔人工智能設計系統，實現鉆孔的智能化設計。

1 普通鉆孔設計影響因素分析

1)鉆孔布置方式。普通鉆機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；二是發散鉆孔，以煤巷條帶預抽鉆孔或者穿層鉆孔為原型。以常見的雙巷掘進工作面的順層瓦斯抽采鉆孔為例，由兩側鉆場施工的發散鉆孔和巷道迎頭及聯絡巷施工的平行鉆孔構成。

2)開孔方式。普通鉆孔開孔方式靈活多樣，含單排開孔、多排交錯開孔和多排對齊多種開孔方式[7，8]。

3)孔底間距計算。鉆孔孔底間距計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鉆孔孔底的直線距離，垂距式為過較短鉆孔孔底向相鄰較長鉆孔做垂線，將垂線長度作為孔底間距。我國煤礦用的較多的是直線式的孔底間距計算方式。

4)鉆孔“孔底”和“見煤點”邊界。穿層鉆孔的控制范圍有“孔底”和“見煤點”兩種計算模式。對于某一組鉆孔而言，孔底的控制范圍和見煤點的控制范圍并不相同，甚至會相差很大，這主要與煤層厚度、鉆孔與煤層的夾角等有關。在煤礦實際應用中，通常取二者中的較小者作為該組鉆孔的控制范圍，但是在鉆孔的計算機智能設計中需要將兩者進行轉換，統一按照其中的一個模式進行計算。針對不同的煤層-巷道空間位置關系，建立鉆孔控制范圍邊界對應的前方、后方、左幫和右幫的孔底和見煤點邊界計算模型，如圖1所示。

圖1 鉆孔控制邊界圖

5)鉆孔施工偏差。受到煤層地質因素、施工工藝以及施工鉆機鉆具、人員操作技術等因素影響，鉆孔的成孔軌跡往往與設計位置存在一定的偏移[9，10]。針對常見的施鉆“沉頭”導致的鉆孔上下位移偏差，根據施鉆設備及鉆孔長度，通過設置施鉆下沉角對設計中的鉆孔上下偏移進行修正，使設計出的鉆孔參數更符合實際。

2 普通順層鉆孔智能設計方法

普通鉆孔智能設計方法整體采用發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。將設計斷面作為一個基本設計單位，每個設計基本單位只允許一種鉆孔布置方式存在。各種類型的設計由兩種基本鉆孔布置方式靈活構成。雙巷掘進順層鉆孔設計可由左側鉆場發散鉆孔、左側巷道迎頭平行鉆孔、橫穿平行鉆孔、右側巷道迎頭平行鉆孔、右側鉆場發散鉆孔等五個單元組合而成，如圖2所示。由于平行鉆孔的布置十分簡單，因此重點研究適用于計算機智能設計的發散鉆孔設計方法。

圖2 鉆孔設計組合模式

2.1 開孔位置確定

開孔位置主要確定鉆孔與兩幫及頂底板的最小距離，考慮到施鉆過程中能夠放置鉆機和便于操作，在允許布孔的區域均勻分布鉆孔。開孔位置確定的傳統方式需要用戶手動選擇，降低了設計部門的效率[11]。運用人工智能技術，系統通過運用專家庫和案例庫，學習用戶的操作行為和設計習慣，逐漸了解用戶的真實設計意圖，主動向用戶提供符合要求的開孔位置信息。

2.2 終孔位置確定

鉆孔設計包括按鉆孔個數與按鉆孔間距兩種類型設計。

1)按鉆孔個數模式。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行布孔，當達到給定的固定鉆孔個數時，若鉆孔不能完全覆蓋控制區域，應增大鉆孔間距；相反，說明所取的鉆孔間距太大，應縮小鉆孔間距。按照此方法，直到固定個數的鉆孔正好覆蓋控制區域，這時的鉆孔間距即為合理的鉆孔間距，對應的各鉆孔與控制范圍邊界交點的坐標即為鉆孔的終孔坐標。最后，基于空間幾何計算鉆孔的偏角、傾角和孔深。

2)按鉆孔間距模式。普通鉆孔設計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計的具體方法如下：首先，以用戶給定的鉆孔間距進行鉆孔布置，直到設計鉆孔的控制范圍全部覆蓋預期要求控制的范圍，這時的鉆孔數量即為最少的鉆孔數量；然后，按照固定鉆孔個數的布孔方式進行布孔，最終獲得各個鉆孔的參數。

3 普通鉆孔智能設計系統開發

3.1 系統環境

普通鉆孔智能設計系統建立在SuperMap Object 5.0平臺，使用.NET2003的Visual C#.NET語言進行開發。通過SuperMap的SDX+for SQL Server引擎來存儲空間數據。系統既可將AutoCAD格式的文件導入作為設計底圖，又可將設計成果輸出AutoCAD格式的平面三視圖，還可導出Excel格式的鉆孔參數。

3.2 系統結構設計

根據設計功能，普通鉆孔智能設計系統總體采用C/S的四層體系結構包括數據儲存層、數據訪問層、業務邏輯層、數據展示層[12]，如圖3所示。數據存儲層主要保存設計斷面參數、煤層參數、用戶信息、鉆孔類型等信息。數據訪問層通過SQL Server服務和空間數據引擎實現對信息的查詢、更新、刪除等管理。業務邏輯層包含眾多業務邏輯組件，用來進行專業業務邏輯處理，實現專業功能。操作顯示層主要是通過構建Windows風格用戶界面，實現系統與用戶之間的交互，展現系統自身的信息和功能。

3.3 系統界面及功能實現

普通鉆孔智能設計功能可以實現煤礦井下多變抽放條件下的順層或穿層鉆孔設計，在滿足無抽放盲區及覆蓋給定控制范圍的前提下，同時保證鉆孔工程量最小，根據自動計算的鉆孔參數自動生成鉆孔設計平面圖及三維立體圖。系統主界面包括平面視圖操作區、鉆孔組操作區、設計參數輸入區、開孔布置圖、鉆孔剖面圖、鉆孔參數表區域。普通鉆孔智能設計方法計算機實現流程如下：

1)添加鉆孔組。將單個鉆場或一個設計基本單位看作一個鉆孔組，通過多個鉆孔組組合完成一條巷道的鉆孔設計。鉆孔組管理包括鉆孔組名稱、孔徑、進巖層深度等參數。

2)設計參數輸入。設計參數包括開孔斷面參數和鉆孔組設計參數。系統通過給定開孔高度、鉆孔左右幫最小距離、控制范圍、抽采半徑、煤層參數、施工地點與煤層相對位置等參數進行設計。

3)設計信息輸出。系統根據設計條件自動計算符合要求的鉆孔個數、鉆孔長度、傾角、方位角等鉆孔信息，并以Excel格式將參數輸出。同時生成可導出AutoCAD格式的鉆孔設計的平面圖、剖面圖、主視圖和三維立體圖。

4 現場應用

普通鉆孔智能設計系統在七臺河新建礦得到成功應用。七臺河新建礦三水平三采區所屬90#層煤為突出煤層，瓦斯壓力2.1～4.0MPa，煤層傾角17°。為采取預抽煤層瓦斯區域防突措施，在90#煤層下10～15m布置一條三水平三采左一片巖抽巷，通過鉆場向90#煤層打穿層鉆孔，掩護巷道掘進[13]。設計每隔30m左右布置一個鉆場，通過鉆場施工一組鉆孔對左一片上巷附近煤體進行預抽，施工鉆場寬度4m，高度2.2m。

抽采設計輸入參數見表1，根據表1輸入參數，利用普通鉆孔智能設計系統進行三水平三采左一片巖抽巷抽采鉆孔設計。系統采用施工區域井巷工程平面圖為底圖，設計鉆孔自動添加到相應的鉆場與巷道底圖上，每個鉆孔組表示一個鉆場，每個鉆場設計施工36個鉆孔，共6排6列，累計設計16個鉆場，共計設計576個鉆孔。

根據生成的抽采鉆孔平面布置圖，沿煤層走向，每個鉆場的左右控制范圍12.8m，相鄰兩個鉆場左右控制范圍邊界距離為2.3m，處于抽采半徑范圍內，確保了無抽放空白帶。沿煤層傾向，鉆孔的上部控制范圍20.6m，下部控制范圍11m，符合設計要求。相對于新建礦抽采部門慣用設計參數，平均每個鉆場減少6個鉆孔，工程量減少285.2m，在滿足無抽放盲區、全覆蓋控制范圍的前提下，實現了鉆孔工程量的最小。

表1 抽采設計輸入參數

根據系統自動生成鉆孔三視圖和三維立體圖，在小三維場景下清楚地展示出鉆孔組的三維空間分布，有利于對鉆孔施工方位、控制范圍有更直觀了解，及時發現設計中存在的不足，改進現有抽采設計及井下施工鉆孔，提升瓦斯抽采鉆孔設計水平，1#鉆場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#鉆場鉆孔三維立體圖

5 結 論

1)分析了煤礦普通鉆孔設計影響因素，根據這些因素建立抽采鉆孔設計模型，通過提供的開孔斷面參數、煤層賦存情況、抽采半徑、控制范圍、開孔高度、開孔方式等基礎設計信息，計算出孔長、開孔位置、傾角、方位角等鉆孔設計參數及鉆孔個數。

2)普通鉆孔智能設計系統可以實現煤層復雜賦存條件下的的穿層或順層瓦斯抽采鉆孔的科學設計，實現鉆孔設計參數的自動計算，生成對應的設計平面圖和三維立體圖，同時滿足無抽放盲區及覆蓋控制范圍要求下實現鉆孔工程量最小。