顺层抽采钻孔审查系统的开发与应用

2021-04-06陈睿

煤矿安全 2021年3期

陈睿

（1.四川煤矿安全监察局安全技术中心，四川成都610041；2.四川铸创安全科技有限公司，四川成都610041）

顺层抽采也叫本煤层抽采，是煤矿最常用的瓦斯预抽方式之一[1-4]，具有钻孔投抽速度快，工艺简单，有效抽采距离长等优势[5]。目前，判断顺层钻孔布置的合理性主要从钻孔有效控制范围、布孔均匀程度2 个方面考察，考察方法主要依据国家安全生产监督管理总局2011 年10 月印发的《瓦斯抽采达标暂行规定》中的第二十四条规定[6-7]。然而在实践中，基于平面图纸的传统顺层钻孔布孔审查方式是不可靠的，特别是对于煤层赋存不稳定区域或开采薄煤层的工作面，这种审查方式容易忽略瓦斯抽采空白带，造成采掘过程中瓦斯超限甚至引发煤与瓦斯突出事故[8]。针对抽采达标评判过程中这一不足之处，顺层抽采钻孔审查系统在平面图纸的基础上自动建立工作面立体抽采模型，通过智能反算分析本煤层抽采方式下空白带分布情况，并通过实际工程案例检验了该系统的合理性。未来，系统可与钻孔轨迹跟踪系统、瓦斯抽采在线监控系统进行对接，进一步提高钻孔施钻精度并实现工作面瓦斯抽采达标的动态评价，利用智能化、信息化手段推动煤矿科技治灾[9-10]。

1 系统研发背景及目的

图1 2 种地质条件下钻孔布置平面示意图Fig.1 Layout plane of boreholes based on two geological conditions

图2 2 种地质条件下钻孔布置剖面示意图Fig.2 Layout profile of boreholes based on two geological conditions

在实际生产过程中，大多数的煤层顶底板等高线均不会呈平行直线分布，而煤层赋存也不会如“豆腐块”一样平整顺滑，煤层局部强烈的高低起伏势必会造成顺层钻孔的抽采盲区。如何利用已知的顶（底）板等高线预测实际煤层产状，同时分析顺层钻孔空白带并提出补孔方案显得尤为重要，也是研发顺层抽采钻孔审查系统的主要目的。

2 系统设计要点

顺层抽采钻孔审查系统基于Microsoft Direct XSDK开发，通过导入DXF 格式的抽采平面图，用户仅输入钻孔倾角，开孔位置等信息，系统即可自动生成工作面抽采场景模型，并结合钻孔有效抽采半径反算出各钻孔的实际有效控制长度，以及抽采区域内空白带的分布、面积等信息，最后提出钻孔补充设计方案。顺层抽采钻孔审查系统设计流程图如图3。

其具体的设计要点为：

1）导入抽采工程平面图，通过DXF 文件组码筛选出等高线、工作面巷道以及顺层钻孔对应图层。

2）提取各段等高线所包含端点的x、y 轴坐标值，读取每段等高线对应的标高作为端点的z 轴坐标，选择标高相同的端点组成多段线，以单位长度进行细分，形成三维散点集合。

图3 顺层抽采钻孔审查系统设计流程图Fig.3 Design flowchart of examination system of gas drainage hole along coal seam

3）圈定工作面抽采区域并进行网格化处理，根据已知的三维散点集合，利用Kriging 法对抽采区域进行插值运算，再通过Delaunay 三角剖分法处理网格顶点，生成TIN 网，TIN 网中的小三角形称为面元[12]。在建立好煤层顶底板TIN 网的基础上，按煤厚将煤层模型等分成若干固定高度的单元体，称之为体元。面元和体元示意图如图4。

图4 面元和体元示意图Fig.4 Schematic diagram of bin and voxel

4）读取对应图层上工作面巷道的位置及高程信息，结合用户输入的巷道断面参数建立煤巷模型。

5）读取图层上顺层钻孔平面起点、终点位置，结合钻孔开孔位置、倾角等施钻参数建立顺层钻孔模型。针对单个抽采钻孔模型，可通过检测其与煤层模型顶底板各面元存在交点的数量来计算钻孔的有效抽采段长度（即顺层钻孔在煤层内的长度）。

6）在建好的每个钻孔模型有效抽采段外部，加上以抽采有效半径为半径，钻孔深度为高的圆柱形包围盒，然后逐一提取煤层模型中的体元，判断其是否包含于钻孔包围盒之内，如该体元独立于所有钻孔包围盒之外，则可认为该体元处于抽采空白带之内。体元与钻孔包围盒碰撞检测示意图如图5。

图5 体元与钻孔包围盒碰撞检测示意图Fig.5 Schematic drawing of collision detection based on voxel and ambient box

7）由于体元的上（下）底面积、体积已知，根据组成空白带的体元数量可准确的计算出空白带内煤体面积、体积等数据。

8）结合以上计算出的抽采空白带范围及位置，用户只需输入钻孔有效有效抽采半径，系统即可根据空白带内的体元数量对补充抽采钻孔进行辅助设计，以确保工作面回采范围内无抽采盲区。

3 系统应用实例

3.1 试验区域概况

兴文县建设煤矿位于四川省宜宾市兴文县，为煤与瓦斯突出矿井，准采11#煤层。11#煤层为水平煤层，平均倾角0°，平均煤厚1.2 m。受地质条件影响，井田范围内煤层起伏变化较为强烈。由于不具备保护层开采条件且未布置顶底板巷道，故该矿布置的1511 采煤工作面以顺层钻孔为主要区域防突措施，该工作面为走向长壁式开采，走向长度为800 m，倾斜长度为150 m，分别在工作面机巷、风巷施工顺层钻孔，长度90 m，孔间距5 m（钻孔有效控制范围3.5 m），钻孔倾角在0°～3°间，1511 采面抽采钻孔布置图如图6。

图6 1511 采面抽采钻孔布置图Fig.6 Layout plane of boreholes in 1511 mining face

3.2 系统部署与分析过程

鉴于1511 工作面顺层预抽效果较差，部分钻孔瓦斯抽采量低、衰减快，故采用系统进行顺层钻孔布置审查。通过导入钻孔布置平面图（图6），系统进行插值及渲染后，生成1511 采煤工作面煤层模型。根据系统模拟的煤层效果图发现局部区域地层有较为强烈的起伏变化，造成部分顺层钻孔暴露于待抽煤层之外，从而导致钻孔实际控制长度小于设计长度，严重制约了工作面瓦斯预抽效果。

回采区域抽采空白带分析界面如图7。通过对顺层抽采钻孔进行布孔审查，得出图7 右侧视窗中煤层模型表面的红色区域即为1511 采煤工作面的抽采空白带，根据审查结论该抽采区域共布置有273 个顺层钻孔，其中有32 个钻孔审查不合格，空白带总面积为1 143.9 m2，总体积为1 473.4 m3。图7 抽采空白带分析界面左下方绿色区域为抽采空白带的平面分布图，结合系统生成的不合格钻孔列表可知机巷60#～66#、133#～137#抽采钻孔，风巷6#～15#、51#～56#抽采钻孔控制范围内均存在较明显的空白带，究其原因是以上区域为小型向斜底部，顺层钻孔无法覆盖导致的抽采盲区，该部分煤层厚度变化较大且应力较为集中，是瓦斯防治的关键区域，因此必须进行补孔。系统的补充钻孔设计与审查界面如图8。

图7 回采区域抽采空白带分析界面Fig.7 Analysis interface of gas drainage blank zone in mining area

图8 补充钻孔设计与审查界面Fig.8 Design and examination interface of supplementary boreholes

由于1511 采面的抽采空白带处于向斜底部，补充钻孔无法采用顺层布孔，故系统设计采用短距离的俯伪斜穿层钻孔（系统中用绿色钻孔模型表示补充钻孔，红色钻孔模型表示原有抽采钻孔），开孔位置为工作面机巷或风巷，终孔位置为抽采空白带内，根据1511 采煤工作面实际情况共设计了47 个钻孔，由图8 中平面分析视图可知，系统经过再次审查后得出所有抽采空白带均已处于补孔的有效控制范围之内。

3.3 应用效果验证

为验证本系统分析结论的准确程度，特在该工作面预抽前、预抽3 个月后以及按系统设计参数进行补孔3 个月后，分别在钻孔有效控制带与抽采空白带内各施工2 个观测钻孔并进行封孔测压，钻孔有效控制带内瓦斯压力测定结果见表1，抽采空白带内瓦斯压力测定结果见表2，1#～4#测孔相对瓦斯压力变化曲线如图9。

表1 钻孔有效控制带内瓦斯压力测定结果Table 1 Results of pressure measurement in boreholes effective control zone

表2 抽采空白带内瓦斯压力测定结果Table 2 Results of pressure measurement in gas drainage blank zone

图9 1#～4#测孔相对瓦斯压力变化曲线Fig.9 Variation curves of relative pressure of 1#～4#boreholes

根据系统分析结果，1#、2#测孔位于抽采钻孔有效覆盖区域内，3#、4#测孔位于抽采空白带内。由图9 可知，对比1#、2#测孔的观测数据，3#、4#测孔在补孔前瓦斯压力下降缓慢，预抽3 个月后仍在1.3 MPa 以上，故可认为该系统对工作面抽采空白带的定位是准确的。在按照系统生成的设计参数进行补孔后，瓦斯相对压力呈明显下降趋势，90 d 内均已下降至0.74 MPa 以下，可以判定系统设计的补孔方案也是合理的。通过对建设煤矿1511 工作面残余瓦斯压力衰减情况的对比考察，该系统达到了预期的瓦斯治理效果，保证了工作面实现真正意义上的抽采达标。