順層抽采鉆孔審查系統的開發與應用

陳 睿

（1.四川煤礦安全監察局 安全技術中心，四川 成都610041；2.四川鑄創安全科技有限公司，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，考察方法主要依據國家安全生產監督管理總局2011 年10 月印發的《瓦斯抽采達標暫行規定》中的第二十四條規定[6-7]。然而在實踐中，基于平面圖紙的傳統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定區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煤與瓦斯突出事故[8]。針對抽采達標評判過程中這一不足之處，順層抽采鉆孔審查系統在平面圖紙的基礎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的合理性。未來，系統可與鉆孔軌跡跟蹤系統、瓦斯抽采在線監控系統進行對接，進一步提高鉆孔施鉆精度并實現工作面瓦斯抽采達標的動態評價，利用智能化、信息化手段推動煤礦科技治災[9-10]。

1 系統研發背景及目的

圖1 2 種地質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

在實際生產過程中，大多數的煤層頂底板等高線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，煤層局部強烈的高低起伏勢必會造成順層鉆孔的抽采盲區。如何利用已知的頂（底）板等高線預測實際煤層產狀，同時分析順層鉆孔空白帶并提出補孔方案顯得尤為重要，也是研發順層抽采鉆孔審查系統的主要目的。

2 系統設計要點

順層抽采鉆孔審查系統基于Microsoft Direct XSDK開發，通過導入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，系統即可自動生成工作面抽采場景模型，并結合鉆孔有效抽采半徑反算出各鉆孔的實際有效控制長度，以及抽采區域內空白帶的分布、面積等信息，最后提出鉆孔補充設計方案。順層抽采鉆孔審查系統設計流程圖如圖3。

其具體的設計要點為：

1）導入抽采工程平面圖，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圖層。

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

圖3 順層抽采鉆孔審查系統設計流程圖Fig.3 Design flowchart of examination system of gas drainage hole along coal seam

3）圈定工作面抽采區域并進行網格化處理，根據已知的三維散點集合，利用Kriging 法對抽采區域進行插值運算，再通過Delaunay 三角剖分法處理網格頂點，生成TIN 網，TIN 網中的小三角形稱為面元[12]。在建立好煤層頂底板TIN 網的基礎上，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）讀取對應圖層上工作面巷道的位置及高程信息，結合用戶輸入的巷道斷面參數建立煤巷模型。

5）讀取圖層上順層鉆孔平面起點、終點位置，結合鉆孔開孔位置、傾角等施鉆參數建立順層鉆孔模型。針對單個抽采鉆孔模型，可通過檢測其與煤層模型頂底板各面元存在交點的數量來計算鉆孔的有效抽采段長度（即順層鉆孔在煤層內的長度）。

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，如該體元獨立于所有鉆孔包圍盒之外，則可認為該體元處于抽采空白帶之內。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，根據組成空白帶的體元數量可準確的計算出空白帶內煤體面積、體積等數據。

8）結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，系統即可根據空白帶內的體元數量對補充抽采鉆孔進行輔助設計，以確保工作面回采范圍內無抽采盲區。

3 系統應用實例

3.1 試驗區域概況

興文縣建設煤礦位于四川省宜賓市興文縣，為煤與瓦斯突出礦井，準采11#煤層。11#煤層為水平煤層，平均傾角0°，平均煤厚1.2 m。受地質條件影響，井田范圍內煤層起伏變化較為強烈。由于不具備保護層開采條件且未布置頂底板巷道，故該礦布置的1511 采煤工作面以順層鉆孔為主要區域防突措施，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，分別在工作面機巷、風巷施工順層鉆孔，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 系統部署與分析過程

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

回采區域抽采空白帶分析界面如圖7。通過對順層抽采鉆孔進行布孔審查，得出圖7 右側視窗中煤層模型表面的紅色區域即為1511 采煤工作面的抽采空白帶，根據審查結論該抽采區域共布置有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域為抽采空白帶的平面分布圖，結合系統生成的不合格鉆孔列表可知機巷60#～66#、133#～137#抽采鉆孔，風巷6#～15#、51#～56#抽采鉆孔控制范圍內均存在較明顯的空白帶，究其原因是以上區域為小型向斜底部，順層鉆孔無法覆蓋導致的抽采盲區，該部分煤層厚度變化較大且應力較為集中，是瓦斯防治的關鍵區域，因此必須進行補孔。系統的補充鉆孔設計與審查界面如圖8。

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

圖8 補充鉆孔設計與審查界面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，補充鉆孔無法采用順層布孔，故系統設計采用短距離的俯偽斜穿層鉆孔（系統中用綠色鉆孔模型表示補充鉆孔，紅色鉆孔模型表示原有抽采鉆孔），開孔位置為工作面機巷或風巷，終孔位置為抽采空白帶內，根據1511 采煤工作面實際情況共設計了47 個鉆孔，由圖8 中平面分析視圖可知，系統經過再次審查后得出所有抽采空白帶均已處于補孔的有效控制范圍之內。

3.3 應用效果驗證

為驗證本系統分析結論的準確程度，特在該工作面預抽前、預抽3 個月后以及按系統設計參數進行補孔3 個月后，分別在鉆孔有效控制帶與抽采空白帶內各施工2 個觀測鉆孔并進行封孔測壓，鉆孔有效控制帶內瓦斯壓力測定結果見表1，抽采空白帶內瓦斯壓力測定結果見表2，1#～4#測孔相對瓦斯壓力變化曲線如圖9。

表1 鉆孔有效控制帶內瓦斯壓力測定結果Table 1 Results of pressure measurement in boreholes effective control zone

表2 抽采空白帶內瓦斯壓力測定結果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

根據系統分析結果，1#、2#測孔位于抽采鉆孔有效覆蓋區域內，3#、4#測孔位于抽采空白帶內。由圖9 可知，對比1#、2#測孔的觀測數據，3#、4#測孔在補孔前瓦斯壓力下降緩慢，預抽3 個月后仍在1.3 MPa 以上，故可認為該系統對工作面抽采空白帶的定位是準確的。在按照系統生成的設計參數進行補孔后，瓦斯相對壓力呈明顯下降趨勢，90 d 內均已下降至0.74 MPa 以下，可以判定系統設計的補孔方案也是合理的。通過對建設煤礦1511 工作面殘余瓦斯壓力衰減情況的對比考察，該系統達到了預期的瓦斯治理效果，保證了工作面實現真正意義上的抽采達標。

4 結 語

1）分析了順層鉆孔人工審查工作中存在的難點，并在此基礎上研發了順層抽采鉆孔審查系統，該系統可對采煤工作面的布孔合理性進行智能評價，并根據評價結果提出對應補孔方案，使瓦斯抽采達標評判體系中的薄弱環節得到了鞏固。

2）闡述了順層抽采鉆孔審查系統的設計思路與關鍵算法，通過將煤層模型細分為若干體元并逐一與鉆孔模型進行碰撞檢測來分析空白帶，具有精度高速度快等優勢，為科學規范的開展工作面抽采達標評判工作提供了新思路。

3）將順層抽采鉆孔審查系統應用于興文縣建設煤礦1511 采面本煤層瓦斯治理工程后，準確演算出了回采區域內的抽采空白帶分布情況，并結合煤層實際產狀設計了合理的補充鉆孔施工參數，使工作面瓦斯預抽效果得到了顯著提升。

4）作為下一步發展，系統可與鉆孔軌跡跟蹤系統、瓦斯抽采在線監控系統進行對接，以進一步提高鉆孔施鉆精度并實現工作面瓦斯抽采達標的動態評價，利用智能化、信息化手段推動煤礦科技治災。