煤矿井下空间可视化钻孔投射定位技术

黄 炳，李荣欣，周松元

（1.湖南安全技术职业学院，湖南 长沙410151；2.长沙煤矿安全技术培训中心，湖南 长沙410151）

煤炭开采过程中的瓦斯问题是大部分矿井实现安全生产必须解决的首要问题，解决该问题的关键是通过钻孔对瓦斯进行抽排[1]。标定钻孔必须确定开孔位置、倾角和方位角等几个基本参数，其中方位角的确定尤为困难。能否准确标定钻孔对抽放设计能否落实、瓦斯抽放是否充分、开采危险是否解除等起到至关重要的作用。目前，传统钻孔定位方法主要有地质罗盘-坡度规法、全站仪定向法、几何量角器法、混合法等，这几种方法在钻孔标定上均存在低效、低精度等方面的问题，严重影响瓦斯抽排的效率以及瓦斯防治的效果[2-5]。

1 传统钻孔定位方法及存在问题

1）地质罗盘-坡度规法。①准确度不高：操作人员用手稳定地质罗盘、坡度规，容易产生偏差，受井下场地和光线的影响，不同的人测定的数值偏差较大；②抗干扰性不强：地质罗盘主要是靠地磁场对指北针的磁感应使得指北针指向地球的正北方向（存在一定的磁偏角）；而在井下施工现场存在很多铁质材料和带电设备，都会对地磁场产生干扰，使得地质罗盘指北针发生偏斜，这对方位角的标定产生了较大影响[6]。

2）全站仪定向法。①操作复杂，标定时间长：全站仪是一种精密仪器，操作起来比较精细复杂；②占用人员与设备：全站仪是专业测量人员使用的精密仪器，非测量人员很少有人会用，井下打钻作业地点多、成孔快，需要占用大量测量技术人员和设备，也给矿井正常测量作业带来很大的影响[6]；③全站仪标定钻孔开孔位置时，需移开钻机或钻机未进入操作前完成，如因特殊情况，需打孔中途补充标定钻孔开孔时，灵活性差，操作不方便。

3）几何量角器法。①操作复杂：几何量角器法利用三角形、平行四边形等几何原理，再加上量角器，在空间上对钻孔进行定位，操作上比较复杂；②误差较大：在操作上需要拉线形成平行四边形或者直角三角形等几何图形，量角器在空间上的使用在角度上有一定的度数偏差，这些因素会导致最终的结果误差比较大[7]。

4）混合法。混合法就是几种方法的叠加，比如先用全站仪对巷道进行基准线标定，然后根据基准线利用几何量角器法进行钻场基准线的标定。这种方法结合多种方法的特点，有一定的复杂性，也存在多种方法都具有的问题。

另外，在进行钻孔设计的时候，通过电脑制成的设计图或施工图多数以平面图的形式体现，对于立体空间的细微差异不予考虑，在设计上就形成了较为明显的系统性误差。这样的钻孔施工在空间上会形成一些抽放无法控制带，即抽放盲区，导致抽放不充分，给采煤工作带来很多潜在的危险，极有可能引发瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故。

2 煤矿井下空间可视化钻孔投射定位技术

煤矿井下空间可视化钻孔投射定位技术研究是基于空间射线投射技术，以固定点位为基点来模拟钻机位置，向巷道、石门、垱头空间的抽放钻孔控制区域投射不同方位、倾角的红外可见光射线，根据射线投射的位置，在煤（岩）面上进行标定。在施工钻孔时，只需要将钻机的转动中心点与基点相重合，调整钻杆长度，将钻头对准已标定的点位钻进即可。

2.1 技术原理

根据钻探、采掘工程图数据，确定目标煤层的倾角、走向以及与抽排钻场的空间关系，按照不同类型的区域防突措施规定的要求，确定空间上预抽区域的范围。根据抽放半径，通过最优算法，即以最少的钻孔数对预抽区域进行钻孔布置，实现对该区域的全面控制。以投射点位为基点，通过预抽区域钻孔的空间坐标形成1 个空间向量，以此确定投射线，从而实现对钻孔的精确定位。石门或钻场钻孔投射定位如图1。

图1 石门或钻场钻孔投射定位Fig.1 Projection positioning of cross-cut or drill site

2.2 算法研究

按照煤矿安全生产相关规定，如《防治煤与瓦斯突出细则》第60 条，区域防突措施预抽煤层瓦斯可采用的方式中，需要对钻孔进行精准定位的包括：穿层钻孔预抽区段煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯等4 大类[8]，下面针对穿层钻孔预抽区域煤层瓦斯模式和穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯模式分别进行算法研究。

2.2.1 穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯模式

穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯钻孔坐标计算示意图如图2[8]。假设巷道断面宽为a，高为b，垱头距离煤层的最小法向距离为e，煤层倾角为α，以及钻机高度h，煤层抽采半径为r。根据《煤与瓦斯突出细则》钻孔的最小控制范围为石门揭煤处巷道轮廓线外12 m。

那么，钻孔终孔控制区域的大小宽为A=a+24，高为H=b/sinα+24。为了便于计算，以巷道中线距离垱头d 处为基准点O，以基准点建立三维空间坐标xyz，其坐标为（0，0，0）。假设垱头距离煤层的最小法向距离为e，煤层倾角为α。在空间上可以计算控制区域右下角P 点的坐标：

图2 穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯钻孔坐标计算示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation of coal seam gas borehole coordinates in coal seam uncovering area with pre-drainage crosscut

以P 点为计算点，向左、向上按抽采半径r 进行网格布点，则控制范围为：

那么，需要布置的钻孔数在纵向上为（h/sinα+12）/2r=i+m（其中，i 为整数部分，m 为小数部分，如果m＜0.5，则钻孔数为i，m≥0.5，则钻孔数为i+1）；在横向上（a+24）/2r=j+n（其中，j 为整数部分，n 为小数部分，如果n＜0.5，则钻孔数为j，n≥0.5，则钻孔数为j+1）。控制区域总的钻孔数即为i（i+1）和j（j+1）的乘积。

对于任何1 个钻孔Pi，j，可以得出其Pi，j（x，y，z）坐标为：

2.2.2 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯模式

穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯是针对已布置好的巷道对煤巷条带区域进行抽放，在空间上可以看做为2 条直线之间的关系，在施工中一般直接在巷道内进行打钻，不另外布置钻场，但在巷道空间会形成一定间隔距离的打钻点。在设计上必须分2 步进行考虑：合理确定打钻点的数量及确定每个打钻点的钻孔数量[9-10]。

钻孔投射技术只针对单个打钻点进行钻孔的准确定位，一般而言，可以选取1 个点作为基点，距底高度为c，距帮为b，将其坐标定为（0，0，0）。以缓倾斜煤层为例，对于单个打钻点需要控制的区域为煤巷空间上下15 m 区域，假设煤巷空间跨度为a，则控制的条带范围为a+30，在设计上确定的宽度为d，再假设煤层倾角为α。预抽巷道与已布置巷道之间的空间关系用距离e 和倾角β 进行确定，穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯模式空间示意图如图3[11-12]。

图3 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯模式空间示意图Fig.3 Sketch map of gas pattern space of strip coal seam in pre-drainage roadway by through-layer drilling

在系统模式中定义钻孔排数，分别为：…、左2、左1、正中、右1、右2、…，那么对于其中的任何1 排可以通过计算确定，以正中的1 排为例，第i 个钻孔坐标可以确定为：

对于空间任意1 排钻孔n，任意第i 个钻孔，可以计算出其Pi，j（x，y，z）的坐标为：

那么根据坐标原点O 和目标钻孔点P 可以形成1 个空间向量，实现在空间上钻孔的定位。

2.3 技术特点

空间可视化钻孔投射定位技术能实现对石门揭煤、底板穿层钻孔施工区域防突钻孔定位的精确控制，具有如下特点：

1）空间可视化。通过对钻场空间投射红外可见光射线，射线依据每个钻孔坐标与定位点形成的空间向量进行投射，能实现对单个钻孔定位的空间可视化标定[13]。

2）高效快捷。操作时，只需要将巷道、煤层参数输入系统，系统能自动计算垱头需要布置的钻孔数量，并确定每一个钻孔的参数。对任意1 个钻孔的施工时，可以实时调出该钻孔的参数，并以射线投射的方式，从钻机位置投射到岩石壁上，然后通过标识，直接确定钻孔开钻的位置，调整钻机进行施钻。可以实现对控制区域的一次投射，全部标定，标定1 个钻场的时间一般不超过30 min，比传统方法在时效上提高80%以上。

3）精确全面。钻孔的设计充分考虑各项数据，包括巷道的大小，钻机的高度和位置，煤层赋存状态等。通过对不同倾角煤层的计算，能精确得出每个钻孔的参数，从而保证对预抽区域的全面控制，不留抽排空白带，使得瓦斯抽排精准充分[14]。

4）经济节约。以往的钻孔设计只注重平面化，忽视空间布局，容易出现抽排无法控制带，导致抽排不充分，引发瓦斯突出、爆炸事故。或者追求充分抽排，密集布置钻孔不留死角，这样的钻孔工程量巨大，造成经济上浪费，时间上耗费。通过空间可视化钻孔设计，能对预抽区域的空间上全面控制，充分考虑了钻孔施工的空间性，避免了密排钻孔导致的浪费，起到了经济节约的效果。

2.4 技术创新

1）可以解决井下钻孔施工定位不准、定位时间过长的问题。通过分析以往定位方法存在的缺点，通过从空间上的控制，以立体几何算法代替人工控制，有效的解决罗盘、量角器等方法误差较大的问题，通过一次投射、全面标定，大大缩短传统钻孔定位的时间。

2）能实现对预抽区域的立体空间控制。针对以往钻孔设计平面化的缺点，考虑预抽区域的立体空间性。通过巷道、煤层等数据的输入，自动形成钻孔参数，并以红外可见光射线的形式体现，能有效对预抽区域的立体空间控制。

3 结 语

煤矿井下空间可视化钻孔投射定位技术适用于区域防突措施预抽煤层瓦斯钻孔施工，它在操作上高效快捷、简单便利，能解决当前煤矿井下钻孔定位困难的问题，还可以应用于探放水、地质钻探等矿山超前钻探工作之中。在具体施工过程中应注意，在基点确定之后，钻机要尽可能地减少移动，这对复杂地质条件施工钻孔时要求较高。空间可视化钻孔投射技术与有关学者提出的“三维可视化体系构建”并不相同，两者的主要区别在于：前者注重于钻孔施工实践，后者注重于设计成图，侧重点不一样。下一步工作的重点是将研究付诸实践，通过试制投射器，不断改进，使其利于现场施工，确保钻孔施工到位，提高瓦斯防治、地质钻探工作的有效性。