基于三维地质模型的瓦斯抽采钻孔设计初步研究

2023-11-15李军

山东煤炭科技 2023年10期

李军

（中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001）

目前包括刘庄矿在内的国内绝大多数矿井的抽采钻孔的设计主要以经验为主，因此实际应用中存在很多废孔、无效孔等，导致抽采钻孔利用率不高，可能产生空白带。因此，需要对瓦斯抽采钻孔进行智能设计研究，从根本上减少或者解决这些问题。许多专家学者已经做出许多有影响力的研究[1-6]。本文通过建立三维瓦斯地质模型，进而提出瓦斯抽采钻孔的智能设计方法，为煤矿的智能化奠定基础。

1 三维瓦斯地质模型

煤炭行业不断发展，三维地质建模技术也随之不断地完善。国内外已经存在许许多多的三维建模软件，各有优劣。本文综合考虑了各类软件的收费情况、具体功能以及建模效果，选择GOCAD 软件建模。

本文依据刘庄矿150804 工作面具体情况构建三维模型，并依据刘庄矿150804 工作面测得的数据构建150804 工作面的瓦斯地质参数模型。

本次三维地质建模的数据主要有：

1）西一150804 煤采掘工程平面图；

2）150804 工作面巷道布置方案图；

3）150804 工作面04 注水钻孔设计；

4）25、27 勘探线剖面图；

5）164 钻孔综合柱状图；

6）掘进工作面实验台账（150804 胶带顺槽瓦斯含量）。

1.1 建模原理

地质体的几何形态的精度通常远高于人们对其属性性质的合理估算，因而瓦斯地质参数的合理估算十分重要。

本次研究针对开采工作面煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力，根据测试数据，利用三维地质随机模拟方法，建立瓦斯地质三维属性模型，考虑了瓦斯地质变量的地质结构性和随机性。其主要原理如下：

1）随机抽取空间中的第i个点，这个点还没有模拟结果。

2）估计高斯条件概率分布的均值和方差，该过程使用简单克里金（Simple Kriging，简称SK）插值。

3）从 LCPD （累积条件概率）中随机地抽取一个值，然后由高斯分布计算Zi。

4）把新模拟的值添加到数据集中，即当模拟第i+1 个网格点的值Zi+1 时，将第i个点的模拟值Zi作为控制点参与计算。

同样可以对工作面瓦斯含量大于3 m3/t 的空间进行检索，对于其他类型的地质属性进行联合检索，并进行空间信息综合，为智能钻孔设计提供数据基础。

以瓦斯地质数据处理为基础，融合实体建模技术和表面模型，将空间数据库、图形库、知识库进行三维动态模拟集成，直观、形象、准确地把握瓦斯地质数据的局部特征与整体构架，由整体到局部建立三维地质模型。

通过该模型，可以空间检索满足一定地质条件的各类块断，为抽采单元划分提供数据和可视化依据。

1.2 建模步骤

通过对矿方提供的数据进行核对，各个图件基础信息不一致，只有“西一150804 煤采掘工程平面图”的内容较为丰富，因此以“西一150804 煤采掘工程平面图”图纸为主、其余资料为辅进行参考。

首先依据刘庄矿“西一150804 煤采掘工程平面图”图纸，经过旋转、缩放操作（将图件通过旋转，达到标注坐标与CAD 内部坐标一致，先确定基点，利用平移将图件公里网格坐标水平、垂直，利用属性查看经线和纬线的两个端点坐标是否相同），将图件的图面坐标转换为真实大地坐标，图件坐标变换与矫正。

在此基础上，提取模型的边界范围。底板高程点从“西一150804 煤采掘工程平面图”图纸上提取，其他图件上等高线不齐全。由于等高线是样条曲线或三维线段，只有控制点才是点位，必须按照一定的采样间隔，重新数字化为多线段。数字化后的等高线不具备高程信息，即只有（X，Y）而缺少Z的数据，需要按照图上的数字标高，逐条添加高度信息，转换为DXF 格式，通过软件文件接口导入软件。

其次，先将断裂转化为多段线段，按照多线段点的密度，按照断裂首尾顺序，利用属性逐个查看（X、Y）坐标并记录，利用等高线标注，利用距离法估计其高程，记录在对应X、X、Y 坐标之后，完成断裂踪迹信息提取。最后按照断裂名称，逐个保存为文本文件。

通过图纸上钻孔位置，记录钻孔X、Y 坐标值，通过标注的煤层厚度得到钻孔位置上的x、y、thickness 三条数据，完成煤层厚度的数据提取。

图纸上的主要巷道有三条，自北至南依次为150802 轨道顺槽、150804 瓦斯抽排巷、150804 胶带顺槽，其中只有150804 胶带顺槽有巷道中心线标高，因而不能直接进行三维建模。

对于150802 轨道顺槽，提取巷道边框范围，投影到煤层底板层面，获得标高，复制该层面为巷道顶面，将巷道顶面高程增加4 m，生成侧面。将顶面、底面、侧面合并，就生成了该巷道的三维模型。

对于150804 瓦斯抽排巷，通过剖面图件分析，得知该巷位于煤层顶板30 m 之上。因此，首先将150804 瓦斯抽排巷边界提取，形成层面，将其垂直投影到煤层底板层面，获取标高，然后整体向上移动30 m，得到该巷道底板层面。复制该层面后，将其标高上抬4 m得到顶面，生成巷道侧面。合并三者，得到瓦斯抽排巷三维模型。

通过建模边框范围、等高线的点位数据、断层踪迹点位数据，利用离散光滑插值方法，设定相关约束条件，实现地质等值线在投影平面上几何连续。离散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）方法保证相邻数据间的平滑过渡。

生成的150804 工作面瓦斯地质总体模型能够反映刘庄矿150804 工作面大致的形态，如图1，可以看到工作面略微有些起伏不平，不是完全光滑的平面。

图1 150804 工作面瓦斯地质总体模型

工作面主要几何参数见表1。

表1 四个角点坐标（煤层底板） m

按照底板断裂，根据产状和断裂垂距，可以推算顶板断裂踪迹，其原理如图2。顶板坐标可根据底板坐标结合垂直断距及三角函数进行推算，得到上下断裂踪迹后，将其形成闭合面，切割网格模型，即将位于断裂内的网格单元进行渲染，效果如图3，可以直观地看到刘庄矿150804 工作面中存在较为明显的断裂。

图2 顶板断裂踪迹推断

图3 150804 工作面断裂渲染模型

1.3 瓦斯地质参数模型

本次设计中，收集到刘庄矿150804 工作面部分瓦斯含量、坚固系数测试数据，收集了刘庄矿150804 工作面部分煤层厚度数据。通过数学方法，可以据此计算得到煤层厚度变异系数。

通常的厚度变异系数是针对整个煤层计算的，本次研究将该方法应用于5×5 邻域（50 m×50 m），可以获取每个点位上的厚度变异系数。变异系数的计算公式：

生成的刘庄矿150804 工作面煤层厚度分布模型如图4。150804 工作面左上方部分颜色较深处煤层较厚，右下方颜色较深处煤层较薄。其他的瓦斯地质参数模型，同样可利用简单克里金插值方式计算建立。

图4 150804 工作面煤层厚度分布

2 瓦斯抽采钻孔设计

瓦斯抽采钻孔的智能设计中，三维地质模型的构建十分关键。三维瓦斯地质模型直接反映的就是地底煤层的实际情况，模型的精确程度直接影响着抽采钻孔的设计。因此瓦斯抽采钻孔设计智能化，首要条件便是三维瓦斯地质模型的建立，后续的工作都是围绕着三维瓦斯地质模型进行展开研究。

本文所介绍的瓦斯抽采钻孔智能设计，需要结合三维地质模型进行瓦斯抽采钻孔智能设计软件的研发，软件的智能钻孔设计功能可联合三维建模软件开展。将瓦斯抽采钻孔智能设计分为三个部分，分别为三维模型、智能设计、优化设计。主要功能如下：

1）依据煤矿工作面具体情况构建出该工作面的三维模型，再依据瓦斯含量、坚固性系数等数据构建该工作面的三维瓦斯地质属性模型。根据三维瓦斯地质属性模型所展示的煤矿具体情况，如工作面瓦斯含量分布、煤层倾角分布等等，进行分析，通过结合以往专家经验及设计要求等，建立抽采钻孔设计数据库，制定出相应的规则，进行智能优选（选择排序）或匹配，选择钻孔的布置方式以及疏密程度，依据国家的相关规定及煤矿的具体要求，智能匹配得到煤矿的钻孔布置。

2）依据要求输入煤矿具体前置条件，如布孔间距等，针对具体需求开始设计，三维瓦斯地质模型上自动生成钻孔布置图纸。根据工作面的三维瓦斯地质模型瓦斯含量分布等判断钻孔的自动规划是否合理。若合理，则进行下一步；如不合理，针对不合理之处进行分析，寻找原因，对图纸进行反演优化。

3）依据软件自动生成的抽采钻孔的布置图纸，通过调节抽采时间，得到不同抽采时间下的三维瓦斯地质模型的瓦斯含量变化情况，并以此判断在煤矿规定时间内抽采后的瓦斯含量是否达到了预期的要求。结合现场进行试验，与瓦斯抽采钻孔智能设计软件模拟得到的结果进行比较，判断三维地质模型抽采前后是否精准，瓦斯抽采钻孔智能设计是否符合预期。

2.1 瓦斯抽采钻孔设计理论

本文所介绍的智能化钻孔设计，主要内容分为抽采钻孔设计数据库、三维地质模型、煤层抽采单元划分、钻孔设计思路及钻孔智能设计方法5 个部分。通过这5 个部分的研究，形成一套智能化瓦斯抽采钻孔设计的理论。

首先，对目前国内已有或者常用的钻孔瓦斯抽采技术进行归纳总结，建立抽采钻孔设计数据库，作为瓦斯抽采钻孔设计的基础资料。其次，建立煤层的三维地质模型。依据煤矿工作面具体数据，如标高、瓦斯含量、坚固性系数等构建该工作面的三维地质模型。根据三维瓦斯地质模型所展示的煤矿具体情况，进行抽采单元的判断，形成一套煤层抽采单元划分方法。依据煤层抽采单元划分方法，将工作面划分为多个不同的单元，依据每个单元具体的情况判断选择什么类型的钻孔、钻孔的疏密程度。依据钻孔设计思路，整体对设计流程进行合理规划，形成便捷、简单易懂的设计步骤。最后依据编写的设计规则，确定钻孔开孔位置、钻孔终孔位置等钻孔信息。

5 个部分结合，研发得到以抽采钻孔设计数据库、煤层抽采单元划分、钻孔设计思路及钻孔智能设计方法为理论依据的基于三维地质模型的瓦斯抽采钻孔智能设计方法。

由于抽采钻孔的钻孔设计是一个复杂的决策过程，一定要从多个方面进行考虑。因其受到煤层气的地质条件、钻井施工环境、钻机性能等诸多因素的限制，并且需要考虑钻孔工程量以及经济效益等，完成技术上与经济上的平衡，在保证钻孔抽采效果的基础上，得到最小钻孔工程量的钻孔布置方案，因此需要对抽采钻孔布置方案进行整体优化。

首先需要确立整个钻孔设计的设计思路，可以根据煤矿的具体情况，如断层、瓦斯含量等等，进行三维瓦斯地质模型的建立。根据以往专家经验，制定出相应的规则，并通过采掘规划、瓦斯赋存、典型构造三个指标对抽采区域（单元）进行划分，将工作面分成若干个单元，根据三维瓦斯模型具体情况，以及建立的抽采钻孔设计数据库中钻孔类型及其适用情况，进行钻孔的智能优选（选择排序）或匹配。每个单元匹配得到最适宜的钻孔，通过瓦斯防治钻孔的设计模型，确定钻孔智能设计的方法，依据煤层走向长、煤层倾角等确定钻孔的开孔坐标、终孔坐标等，借此保障所有的抽采钻孔的针对性智能设计，确保在已有的抽采条件及抽采需求下，抽采钻孔的布置能够得到合理的匹配。

2.2 钻孔设计思路

1）锁定目标区域

通过构建目标区域设计指标及方法，实现从矿井—煤层（群）—采面的目标区域逐级锁定。

针对前期初步建立的全矿井级别三维瓦斯地质模型，采用属性识别的方式进行地质单元的划分，通过巷道信息及采掘规划实现对抽采单元的智能划分，从而实现对钻孔设计目标区域的逐级锁定。主要内容分为属性辨识、构造及特殊区域辨识、巷道信息获取、时空规划信息提取4 个部分。

2）属性辨识

在三维地质模型中，提取相关数据，实现目标区域的属性识别，进而匹配适宜的瓦斯防治技术体系，为后续相关参数选取和设计提供依据。

通过属性识别，对前面建立的模型从尺度进行调整或缩减；通过对煤层的层数、倾角、硬度、瓦斯赋存特征等的属性识别，判识出目标区域煤层的特征，进而得出目标区域的基本属性及适合的技术体系。

通过层数、倾角、硬度、瓦斯特征等几个方面的内容进行属性识别，得到煤层基本信息，包括层间距、层厚、瓦斯含量等信息，以此来确定属于哪一种类型的煤层，以得到目标区域的基本属性及适合的技术体系为落脚点展开研究。

3）构造及特殊区域辨识

对目标区域内构造及特殊区域实现自动识别，对设计区域进行初步划分，从而得到应采取钻孔施工的区域。

首先进行区域初步划分，包括特殊区域及构造区域两种，对构造与特殊区域进行分析，如停采线及停采区域、大巷及巷道群区域等特殊区域进行区域缩减，大断层及尖灭带、含水及地质异常区等构造区域进行区域强化，以通过采掘规划及构造情况对目标区域进行划分为落脚点，完成钻孔设计区域的初步划分。

4）巷道信息获取

以三维模型为基础，辨识现有及规划的巷道信息，获取巷道与煤层的相对空间位置，从而为之匹配相应的类型及可控制区域。

对已有及规划巷道进行辨识，已有巷道中，岩层巷道确定煤层间距及相对位置等，煤层巷道确定工作面的相对位置及倾角等，规划巷道考虑掩护巷道位置关系、顺层钻孔控制区域等内容。以穿层孔和顺层孔的最佳控制长度对目标区域进行优化为落脚点进行研究，完成巷道与煤层空间尺寸信息的获取。

5）时空规划信息提取

自动辨识矿区的采掘接替与时空规划，实现不同区域的时间分配，对目标区域进行精准分割。

时空信息的提取，包括回采区辨识、准备区辨识、规划区辨识、采掘接替需求等内容。回采区辨识考虑回采速度、回采区域，确定采前、采中与采空区；准备区辨识考虑巷道与煤层的空间关系，确定掩护巷道的钻孔规划；规划区辨识考虑远景巷道规划，采掘接替需求考虑时间分配原则，此二者进行多类钻孔的时间协调，以优化分割设计范围，并锁定抽采单元目标区域为落脚点进行研究，得到钻孔设计的标准区域的三维信息。

6）分区分源设计

通过前面步骤实现设计区域的目标锁定，下面进行分区分源设计。其基本步骤如下：根据采掘接替规划，对回采区与采空区、邻近层与本煤层等不同的目标区域实现分区分源设计。

通过研究不同影响因素对钻孔设计约束条件，提出钻孔的优选级别与优选方法，对分区分源钻孔适用性进行研究，并提出局部优化及合理性评价的方法。

首先对目标区域进行采掘前的规划，并优先考虑回采区，进行分区分源设计，包括初步设计、局部优化、合理性审查三个部分。通过影响因素分析、局部优化原则、审查与评判方法，三者得到目标区域内分区分源钻孔设计的方法。通过三维模型进行钻孔的动态调整，完成分区分源设计后的动态纠正，之后得到钻孔设计方案。

分区分源设计初步设计，需要考虑的影响因素有回采速度、巷道关系、时间规划、人工扰动、瓦斯地质、开采扰动等，将这些影响因素设为钻孔设计的约束条件，得到钻孔的优选级别及优选方法，并通过分区分源钻孔类型匹配完成局部优化，包括瓦斯源头、钻孔类型、抽采参数、扰动源设计、施工巷道等。