龍軟鉆孔設計方法在鉆探生產中的應用與研究

蓋曉松

0 引言

鉆探是煤礦地質、探放水、救援等的重要手段。近年來隨著裝備更新對鉆孔設計提交的時效性和準確度要求隨之提高。

目前同煤集團已建立龍軟地測地理信息系統，其鉆孔資料數據庫實現了鉆孔資料的快速自動提取、計算，為鉆孔設計快速準確完成提供了便捷。本文通過進一步探索與龍軟圖形接口，改進了算法，插入了采掘現狀、地形圖窗口，對鉆孔數據庫計算出的煤層數據通過插入圖形數據進行提取、判比、修正，使鉆孔設計更加符合實際數據，能夠更加準確的指導鉆探施工。

1 研究內容

1.1 鉆孔快算設計研究

1.1.1 傳統鉆孔設計原理

利用周邊已有的地質探查鉆孔資料進行地面鉆孔設計，根據三點式平面和兩點式直線獲取交點，進行標志層（包括煤層）的鉆探設計分兩個階段：第一階段是根據控制范圍獲取鉆孔與相應標志層頂板交點，第二階段通過各標志層頂板及底板交點和鉆孔開孔點形成的直線獲取標志層預見點及厚度，整個數據獲取過程結束，通過空間面與直線相交獲取交點并循環獲取另一點的方式獲取鉆孔設計數據[1-3]。

1.1.2 傳統鉆孔設計存在的問題

傳統法設計鉆孔時，由于工作量大，多數依靠周邊的3個鉆孔進行線性插值，若周邊可參考多于3個時，可以將每3 個鉆孔作為一組進行對比，此作法費時費力，且無有效的糾錯方法。另外，線性插值不參考區域地層發育特征，插值結果可能誤差較大。為了直觀起見，若參考的3個鉆孔分布構成等邊三角形，而設計的鉆孔位于其中點，假設各鉆孔11#煤層底板標高分別為1 040 m、1 060 m、1 080 m，則如圖1所示，依據線性插值原理，可計算出設計位置11#煤層預計標高為1 060 m。而當該區塊3#煤層底板等高線呈現如圖2所示時，設計位置的標高誤差或達30 m。終上所述，已有的手工計算設計鉆孔存在的問題有：1）費時費力，設計鉆孔的時效性。2）采用線性插值，無法擬合地層發育特征，誤差相對較大。3）簡單采用線性平差，校正精度較差。

圖1 鉆孔線性插值示意

圖2 預想煤層底板等高線下的插值

1.1.3 算法改進

基于以上傳統法手工計算設計鉆孔方法存在的問題，考慮引入空間數據插值方式進行鉆孔標志層標高計算，可以有效解決鉆孔設計中算法單一，不能同時參考多個鉆孔數據的缺點，達到了周邊地層賦存條件一定程度的擬合，提高了鉆孔設計的精度?，F采用反距離加權法算法：

反距離加權法是假定原始數據點值對網格節點值的影響與兩點間距離相關，確切地說當前計算的格網節點估計值與參考點特征值及的點間距n次冪倒數成一定的數量關系。即距離格網點越近的原始數據對該節點值影響越大，反之影響小。用來衡量影響大小的權重就是已知數據點到網格數據點距離的倒數或距離n次冪的倒數。進而以空間位置的加權平均來計算。

設平面上已知一系列離散數據點，其坐標和特征值為Pi（Xi,Yi,Zi）（i=1,2,…n），設當前計算的格網點記錄為P（X,Y,Z），由于離散數據點集中各點對P點特征值影響不同，設其權重函數為Wi.，如果在P 點周圍各個方向取點，這時網格點的屬性值計算公式為：

反距離加權法是最為常用插值算法之一，它較為簡單，代碼實現也非常容易。就算法設計而言，該插值方法得到的結果不具有外推性，即得到的估計值均在原始數據點的最大值與最小值之間。這可能導致的缺點是當取樣點分布不均時，因為采樣中未包含最大或最小值使估值結果產生偏差?？傮w而言，該插值方法計算效率較高，繪制的等值線平滑、美觀，但由于與實現數據稍有偏差，而容易產生“牛眼”現象。

1.2 插入地形圖及采掘現狀校正

1.2.1 地形圖、采掘圖數據判比

孔口坐標定位是施工鉆孔至關重要的環節，直接決定著鉆孔施工的成敗，施工前往往反復測算，以盡可能減少誤差。放孔工作應首著重考慮：1）已有的地面控制點施工時間，精度，以及是否受采動影響破壞。2）井上下坐標系統是否統一。另外，放孔之后鉆場平整也會帶來人為孔口標高誤差，因此放孔之后應盡量保護好孔口處，場地平整之后，應重新進行高程聯測，保證孔口標高精度。

孔口標高的準確是鉆孔設計精確可靠的基石，因此鉆孔標高的精度評價顯得極為重要。本項目采用的方法是在鉆孔設計前從地形圖上自動讀取該坐標點高程區間，與用戶提供的高程值進行對比，若用戶提供等值線區間不能對應，則認為孔口標高測算有誤，并進行報錯。

根據鉆孔數據計算出各煤層數據，通過已有采掘圖數據進行判比校正，通過準確采掘資料數據進行自動修正，提高鉆孔設計精確度。

圖3 添加地形圖、采掘現狀修正

1.2.2 應用要點注意

鉆孔設計時，根據采掘現狀終孔層位以上若有煤層采空時，應特別提醒注意，以保證鉆探生產安全。上覆煤層若采掘情況清楚，自然能在鉆孔設計中明確體現為施工提供必要的指導。若采掘情況不詳，則需多方人工資料調研以獲取盡量準確的資料。

1.2.3 龍軟鉆孔設計的優點

龍軟鉆孔設計基于集團公司龍軟數據庫的基礎上改進算法采用數據庫周邊鉆孔數據自動提取、計算施工鉆孔煤層數據。結合插入采掘、地形圖進行判比、修正。所得設計煤層數據更加精確，節省時間，把人工計算變為軟件自動計算，工作效率提升，準確率更高。

1.3 實例

1.3.1 實用鉆孔數據

自2014年至今通過實際施工200 多個各類鉆孔，其中地質勘探鉆孔70多各、工程鉆孔130多個驗證，經多孔施工驗證綜合得出鉆孔設計準確率得到了很大提高、時效性更快。在地形地質條件清楚的情況下結合采掘資料誤差范圍從1 m～10 m 的差距縮小到了1 m～5 m，在地質地形條件不清的情況下誤差范圍從1 m～20 m的差距縮小到了1 m～10 m。

現以燕子山礦2018-2號地質補勘鉆孔為例，該孔預計施工至本溪組K1灰巖終孔，對周邊煤層賦存情況進行勘探。侏羅系上覆2#、3#、7#、8#、9#、10#、11#賦存，石炭系主要煤層為2#、3#、5#、8#、9#賦存。鉆孔主要涉及地層為第四紀地層及侏羅紀大同組地層。第四紀地層主要為黃土松散層，侏羅紀地層由粉、細、中、粗粒砂巖組成，中夾泥巖、頁巖及煤層。鉆孔設計參考燕子山井田內周邊的鉆孔及各層采掘圖、地形圖，參考鉆孔包括33322、Y205、Y206、Y305、DT10 共計5 個鉆孔，其中34333鉆孔資料見表1。

表1:34333鉆孔各煤層見煤深度及厚度

1.3.2 成果對比

依據Y205、Y206、Y305設計的傳統法設計以及應用龍軟快速設計對比如圖4，對比圖中左側部分為傳統法設計，中間為龍軟多孔法及采掘圖修正后設計，右部分為鉆孔實際揭露。對比分析如表2所示，可見各層煤厚數據相對誤差也有一定程度減小。

表2 傳統法與龍軟多孔采掘修正鉆孔設計主要成果對比

圖4 燕子山礦2018-2#鉆孔傳統設計與龍軟快速設計對比

2 研究成果

采用空間數據插值原理擬合地層發育特征，實現了自動插值計算，取代了原有依賴于傳統手工的線性插值方式，提高了鉆孔設計精度；依托集團公司龍軟系統數據庫開發接口，實現了鉆孔設計快速繪圖，從數值計算到成圖均實現自動化。建立了鉆孔設計評價機制，用采掘實際揭露的測點數據與設計對比分析，給出了量化評價指標。借鑒測繪平差原理進行了鉆孔設計平差，改進了傳統的線性平差方法，提高了平差精度。

3 結語

鉆孔設計是地質鉆探施工的重要參考資料，需要及時、準確、快速，原始設計方法，時效性差，準確性相對不高，對于地層條件實際擬合效果相對較差；改進后龍軟鉆孔設計通過算法改進可以大范圍的提取鉆孔數據計算，有效的提高了設計精度，通過軟件實現了自動計算、判比、校正，減少了手工勞動。通過插入地形圖、采掘現狀二次判比修正更加提高了設計煤層數據的準確性，對于鉆探生產具有實用且可操作的特點，可將推廣應用到指導鉆探安全、高效生產的設計編制工作中。