普通钻孔智能设计系统研究与应用

张士岭

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

煤矿抽采部门设计软件大多数使用AutoCAD，其效率低、工作量大，对于复杂的抽采设计，则不能很好反映设计思想和清楚表达钻孔工程与岩层之间的相互关系[1-4]。在进行抽采设计时，设计人员首先选用设计模版或者惯用的设计参数，而这种选择不一定是当前条件下的最优设计参数，甚至不符合煤矿井下复杂变化的赋存条件，导致产生空白带、不符合规程等不良后果[5，6]。目前我国煤矿抽采钻孔设计仍主要依靠现场技术人员的经验的背景下，研究利用计算机技术科学地进行钻孔设计是十分有必要的。因此，基于主流GIS平台，在符合煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工工艺和装备的基础下，开发煤矿顺层钻孔和穿层钻孔人工智能设计系统，实现钻孔的智能化设计。

1 普通钻孔设计影响因素分析

1)钻孔布置方式。普通钻机施工的钻孔布置方式多种多样，各种类型的钻孔可概括为两种最基本形式：一是平行钻孔，一般垂直于巷道煤壁布置；二是发散钻孔，以煤巷条带预抽钻孔或者穿层钻孔为原型。以常见的双巷掘进工作面的顺层瓦斯抽采钻孔为例，由两侧钻场施工的发散钻孔和巷道迎头及联络巷施工的平行钻孔构成。

2)开孔方式。普通钻孔开孔方式灵活多样，含单排开孔、多排交错开孔和多排对齐多种开孔方式[7，8]。

3)孔底间距计算。钻孔孔底间距计算方式一般分为两种：垂距式和直线式。直线式孔底间距为相邻两个钻孔孔底的直线距离，垂距式为过较短钻孔孔底向相邻较长钻孔做垂线，将垂线长度作为孔底间距。我国煤矿用的较多的是直线式的孔底间距计算方式。

4)钻孔“孔底”和“见煤点”边界。穿层钻孔的控制范围有“孔底”和“见煤点”两种计算模式。对于某一组钻孔而言，孔底的控制范围和见煤点的控制范围并不相同，甚至会相差很大，这主要与煤层厚度、钻孔与煤层的夹角等有关。在煤矿实际应用中，通常取二者中的较小者作为该组钻孔的控制范围，但是在钻孔的计算机智能设计中需要将两者进行转换，统一按照其中的一个模式进行计算。针对不同的煤层-巷道空间位置关系，建立钻孔控制范围边界对应的前方、后方、左帮和右帮的孔底和见煤点边界计算模型，如图1所示。

图1 钻孔控制边界图

5)钻孔施工偏差。受到煤层地质因素、施工工艺以及施工钻机钻具、人员操作技术等因素影响，钻孔的成孔轨迹往往与设计位置存在一定的偏移[9，10]。针对常见的施钻“沉头”导致的钻孔上下位移偏差，根据施钻设备及钻孔长度，通过设置施钻下沉角对设计中的钻孔上下偏移进行修正，使设计出的钻孔参数更符合实际。

2 普通顺层钻孔智能设计方法

普通钻孔智能设计方法整体采用发散钻孔和平行钻孔两种最基本的钻孔布置方式的组合模式。将设计断面作为一个基本设计单位，每个设计基本单位只允许一种钻孔布置方式存在。各种类型的设计由两种基本钻孔布置方式灵活构成。双巷掘进顺层钻孔设计可由左侧钻场发散钻孔、左侧巷道迎头平行钻孔、横穿平行钻孔、右侧巷道迎头平行钻孔、右侧钻场发散钻孔等五个单元组合而成，如图2所示。由于平行钻孔的布置十分简单，因此重点研究适用于计算机智能设计的发散钻孔设计方法。

图2 钻孔设计组合模式

2.1 开孔位置确定

开孔位置主要确定钻孔与两帮及顶底板的最小距离，考虑到施钻过程中能够放置钻机和便于操作，在允许布孔的区域均匀分布钻孔。开孔位置确定的传统方式需要用户手动选择，降低了设计部门的效率[11]。运用人工智能技术，系统通过运用专家库和案例库，学习用户的操作行为和设计习惯，逐渐了解用户的真实设计意图，主动向用户提供符合要求的开孔位置信息。

2.2 终孔位置确定

钻孔设计包括按钻孔个数与按钻孔间距两种类型设计。

1)按钻孔个数模式。采用基于尝试逼近原理的布孔方法：先任取一值作为钻孔间距进行布孔，当达到给定的固定钻孔个数时，若钻孔不能完全覆盖控制区域，应增大钻孔间距；相反，说明所取的钻孔间距太大，应缩小钻孔间距。按照此方法，直到固定个数的钻孔正好覆盖控制区域，这时的钻孔间距即为合理的钻孔间距，对应的各钻孔与控制范围边界交点的坐标即为钻孔的终孔坐标。最后，基于空间几何计算钻孔的偏角、倾角和孔深。

2)按钻孔间距模式。普通钻孔设计使用最多的是按钻孔间距模式，在固定的钻孔间距条件下，用最少的钻孔覆盖所要求的控制范围。按钻孔间距模式钻孔智能设计的具体方法如下：首先，以用户给定的钻孔间距进行钻孔布置，直到设计钻孔的控制范围全部覆盖预期要求控制的范围，这时的钻孔数量即为最少的钻孔数量；然后，按照固定钻孔个数的布孔方式进行布孔，最终获得各个钻孔的参数。

3 普通钻孔智能设计系统开发

3.1 系统环境

普通钻孔智能设计系统建立在SuperMap Object 5.0平台，使用.NET2003的Visual C#.NET语言进行开发。通过SuperMap的SDX+for SQL Server引擎来存储空间数据。系统既可将AutoCAD格式的文件导入作为设计底图，又可将设计成果输出AutoCAD格式的平面三视图，还可导出Excel格式的钻孔参数。

3.2 系统结构设计

根据设计功能，普通钻孔智能设计系统总体采用C/S的四层体系结构包括数据储存层、数据访问层、业务逻辑层、数据展示层[12]，如图3所示。数据存储层主要保存设计断面参数、煤层参数、用户信息、钻孔类型等信息。数据访问层通过SQL Server服务和空间数据引擎实现对信息的查询、更新、删除等管理。业务逻辑层包含众多业务逻辑组件，用来进行专业业务逻辑处理，实现专业功能。操作显示层主要是通过构建Windows风格用户界面，实现系统与用户之间的交互，展现系统自身的信息和功能。

3.3 系统界面及功能实现

普通钻孔智能设计功能可以实现煤矿井下多变抽放条件下的顺层或穿层钻孔设计，在满足无抽放盲区及覆盖给定控制范围的前提下，同时保证钻孔工程量最小，根据自动计算的钻孔参数自动生成钻孔设计平面图及三维立体图。系统主界面包括平面视图操作区、钻孔组操作区、设计参数输入区、开孔布置图、钻孔剖面图、钻孔参数表区域。普通钻孔智能设计方法计算机实现流程如下：

1)添加钻孔组。将单个钻场或一个设计基本单位看作一个钻孔组，通过多个钻孔组组合完成一条巷道的钻孔设计。钻孔组管理包括钻孔组名称、孔径、进岩层深度等参数。

2)设计参数输入。设计参数包括开孔断面参数和钻孔组设计参数。系统通过给定开孔高度、钻孔左右帮最小距离、控制范围、抽采半径、煤层参数、施工地点与煤层相对位置等参数进行设计。

3)设计信息输出。系统根据设计条件自动计算符合要求的钻孔个数、钻孔长度、倾角、方位角等钻孔信息，并以Excel格式将参数输出。同时生成可导出AutoCAD格式的钻孔设计的平面图、剖面图、主视图和三维立体图。

4 现场应用

普通钻孔智能设计系统在七台河新建矿得到成功应用。七台河新建矿三水平三采区所属90#层煤为突出煤层，瓦斯压力2.1～4.0MPa，煤层倾角17°。为采取预抽煤层瓦斯区域防突措施，在90#煤层下10～15m布置一条三水平三采左一片岩抽巷，通过钻场向90#煤层打穿层钻孔，掩护巷道掘进[13]。设计每隔30m左右布置一个钻场，通过钻场施工一组钻孔对左一片上巷附近煤体进行预抽，施工钻场宽度4m，高度2.2m。

抽采设计输入参数见表1，根据表1输入参数，利用普通钻孔智能设计系统进行三水平三采左一片岩抽巷抽采钻孔设计。系统采用施工区域井巷工程平面图为底图，设计钻孔自动添加到相应的钻场与巷道底图上，每个钻孔组表示一个钻场，每个钻场设计施工36个钻孔，共6排6列，累计设计16个钻场，共计设计576个钻孔。

根据生成的抽采钻孔平面布置图，沿煤层走向，每个钻场的左右控制范围12.8m，相邻两个钻场左右控制范围边界距离为2.3m，处于抽采半径范围内，确保了无抽放空白带。沿煤层倾向，钻孔的上部控制范围20.6m，下部控制范围11m，符合设计要求。相对于新建矿抽采部门惯用设计参数，平均每个钻场减少6个钻孔，工程量减少285.2m，在满足无抽放盲区、全覆盖控制范围的前提下，实现了钻孔工程量的最小。

表1 抽采设计输入参数

根据系统自动生成钻孔三视图和三维立体图，在小三维场景下清楚地展示出钻孔组的三维空间分布，有利于对钻孔施工方位、控制范围有更直观了解，及时发现设计中存在的不足，改进现有抽采设计及井下施工钻孔，提升瓦斯抽采钻孔设计水平，1#钻场钻孔三维立体图如图4所示。

图4 三水平三采左一片岩抽巷1#钻场钻孔三维立体图

5 结 论

1)分析了煤矿普通钻孔设计影响因素，根据这些因素建立抽采钻孔设计模型，通过提供的开孔断面参数、煤层赋存情况、抽采半径、控制范围、开孔高度、开孔方式等基础设计信息，计算出孔长、开孔位置、倾角、方位角等钻孔设计参数及钻孔个数。

2)普通钻孔智能设计系统可以实现煤层复杂赋存条件下的的穿层或顺层瓦斯抽采钻孔的科学设计，实现钻孔设计参数的自动计算，生成对应的设计平面图和三维立体图，同时满足无抽放盲区及覆盖控制范围要求下实现钻孔工程量最小。