長平礦瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

王電青， 謝劍坤

（長平公司通風(fēng)管理部， 山西 高平 048400）

引言

長平礦對礦井瓦斯抽采鉆孔以平面圖和剖面圖這種二維的表現(xiàn)方式為主，不能準(zhǔn)確體現(xiàn)瓦斯抽采鉆孔三維立體空間的關(guān)系，不符合人們的空間認知習(xí)慣，難以實現(xiàn)瓦斯抽采工程的精細化管理。因此提出了瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)，為礦井安全、高效生產(chǎn)保駕護航，從而提升礦井瓦斯抽采技術(shù)和管理水平。

1 瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)的開發(fā)

針對長平礦井下煤層瓦斯抽采鉆孔施工工藝和裝備，保證鉆孔軌跡測量裝置和系統(tǒng)的適用性與精度，通過現(xiàn)場實施和大量試驗，完成鉆孔軌跡測量分析技術(shù)的研究和開發(fā)工作，建立起集礦井瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計、規(guī)范管理、綜合評價一體化平臺，為礦井瓦斯抽采鉆孔工程質(zhì)量監(jiān)督提供輔助手段。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)需求分析，設(shè)計瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

瓦斯抽采鉆孔管理與分析所涉及的對象主要包括定向鉆孔、普通鉆孔等，這些對象具有空間和屬性雙重特征，采用空間數(shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)混合模型進行瓦斯抽采鉆孔管理與分析信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計。設(shè)計過程中，關(guān)系數(shù)據(jù)表采用實體-關(guān)系模型（E-R）設(shè)計，空間數(shù)據(jù)的要素類采用ArcGIS自帶的ModelBuilder工具進行建模。依據(jù)前期初始化數(shù)據(jù)量大小，以及數(shù)據(jù)庫運行期間數(shù)據(jù)增長速度，選擇Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

瓦斯抽采鉆孔管理與分析數(shù)據(jù)庫是基于GIS技術(shù)的海量空間數(shù)據(jù)庫，具有超大存儲能力（100 GB以上）和空間數(shù)據(jù)智能分析、數(shù)據(jù)完整性檢查、高容錯性和高穩(wěn)定性等功能，為瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)軟件主要功能

瓦斯抽采鉆孔管理與分析平臺集礦井瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計、規(guī)范管理、綜合評價一體化平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計、鉆孔軌跡測量數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理、鉆孔竣工圖的自動繪制和鉆孔控制效果輔助分析，提升礦井的瓦斯抽采和瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)、管理水平，保障礦井安全生產(chǎn)。

1.3.1 瓦斯抽采鉆孔三維建模及可視化

針對長平礦綜合采用多種鉆孔進行立體瓦斯抽采的實際，系統(tǒng)開發(fā)了普通瓦斯抽采鉆孔的真三維自動建模功能，能夠?qū)崿F(xiàn)各種瓦斯抽采鉆孔的三維可視化。

1.3.2 瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計及成圖

定向鉆孔的智能設(shè)計功能實現(xiàn)了包括澳大利亞鉆機、西安鉆機和重慶鉆機等在內(nèi)的定向鉆孔的智能設(shè)計，能夠根據(jù)設(shè)計要求自動計算鉆孔參數(shù)，并繪制相應(yīng)的鉆孔平、剖面總覽圖和分段圖。普通鉆孔智能設(shè)計功能可以實現(xiàn)順層或穿層瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計，并根據(jù)設(shè)置的瓦斯抽采半徑自動計算鉆孔設(shè)計參數(shù)，并生成對應(yīng)的鉆孔設(shè)計圖和三維立體圖。

1.3.3 抽采鉆孔控制效果自動分析

通過系統(tǒng)的Auto CAD接口，用戶可以將CAD格式的鉆孔施工圖導(dǎo)入系統(tǒng)中，然后根據(jù)設(shè)置的不同瓦斯抽采半徑，系統(tǒng)將以云圖形式自動顯示預(yù)抽區(qū)域煤體中鉆孔均勻程度，確保瓦斯抽采部門準(zhǔn)確分析瓦斯抽采空白帶，及時采取補充措施，確保區(qū)域瓦斯抽采效果。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)在長平礦進行了現(xiàn)場應(yīng)用。截止目前，應(yīng)用該系統(tǒng)已累計進行了三個定向鉆孔和十余個普通鉆孔的設(shè)計和成圖，以及十余次的煤層地質(zhì)輔助分析和鉆孔控制控制效果評判，提高了長平煤礦瓦斯抽采鉆孔的設(shè)計、成圖效率，為瓦斯抽采鉆孔工程質(zhì)量監(jiān)督提供輔助手段，對礦井瓦斯災(zāi)害防治起到了積極作用。

2.1 定向鉆孔智能設(shè)計應(yīng)用

在長平礦4308綜采工作面13號橫川、4306綜采工作面17號聯(lián)絡(luò)橫川、43183巷口等地點，應(yīng)用瓦斯抽采鉆孔管理與分析軟件進行了定向鉆孔輔助設(shè)計。

在4308綜采工作面13號橫川進行了瓦斯抽采鉆孔輔助設(shè)計分析軟件的高位定向鉆孔智能設(shè)計應(yīng)用。該定向鉆孔主要是為了治理4308綜采工作面采空區(qū)瓦斯，最大限度降低工作面回采期間采空區(qū)瓦斯涌出，設(shè)計在4308工作面13號聯(lián)絡(luò)橫川鉆場硐室內(nèi)向4308工作面施工采空區(qū)定向高位鉆孔。首先錄入設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)、鉆機類型、鉆場基本信息、測量間距、目標(biāo)方位角、偏角率、最大彎曲強度等參數(shù)；然后設(shè)置鉆孔開孔、目標(biāo)高度，導(dǎo)入相鄰的鉆孔施工數(shù)據(jù)作為參考鉆孔，錄入相鄰鉆孔的探頂、探底結(jié)果，導(dǎo)入定向鉆孔設(shè)計的底圖；最后，系統(tǒng)自動進行5號鉆孔的設(shè)計和成圖。

2.2 普通鉆孔智能設(shè)計應(yīng)用

2.2.1 順層鉆孔設(shè)計

以典型的4310導(dǎo)硐迎頭抽采順層鉆孔設(shè)計為例，對順層鉆孔智能設(shè)計現(xiàn)場應(yīng)用進行說明。首先，通過系統(tǒng)提供的新建設(shè)計工具，錄入設(shè)計的基本屬性信息。然后，錄入設(shè)計參數(shù)，包括開孔斷面、控制范圍、開孔高度等參數(shù)，系統(tǒng)將自動生成相應(yīng)的平面圖、剖面圖、斷面圖和三維立體圖。最后，進入鉆孔設(shè)計打印輸出窗口，錄入鉆孔設(shè)計文字說明，將系統(tǒng)自動生成的平面、剖面和斷面圖調(diào)整到合適位置及大小，最終打印出可供現(xiàn)場直接使用的鉆孔設(shè)計文件。

2.2.2 穿層鉆孔設(shè)計

系統(tǒng)的穿層鉆孔智能設(shè)計應(yīng)用主要集中在5302底抽2巷4-6單元、西翼膠帶機巷2-3單元等抽采鉆孔設(shè)計。以典型的5302底抽2巷4-6單元穿層鉆孔設(shè)計為例，對穿層鉆孔智能設(shè)計應(yīng)用。與順層鉆孔設(shè)計相似，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計參數(shù)自動生成了開孔布置圖和鉆孔參數(shù)。

2.3 鉆孔自動成圖及三維展示

對長平礦應(yīng)用瓦斯抽采鉆孔輔助設(shè)計分析軟件進行了鉆孔施工圖的自動繪制，在生成鉆孔施工圖的過程中，系統(tǒng)還對鉆孔進行了三維展示，對現(xiàn)場鉆孔布置有了更加直觀、準(zhǔn)確的把握，有助于瓦斯抽采鉆孔空白帶辨識和采取補充措施。以5302底抽2巷北段施工的穿層鉆孔為例，自動生成的鉆孔施工布置圖和三維立體圖。

2.4 鉆孔設(shè)計及成圖效率分析

抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)實現(xiàn)了定向鉆孔、普通順層鉆和穿層鉆孔的智能設(shè)計。根據(jù)對瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)智能設(shè)計功能的現(xiàn)場應(yīng)用，單個定向鉆孔設(shè)計時間可控制在20 min，單組普通順層鉆孔或穿層鉆孔的設(shè)計時間可控制在10 min內(nèi)。此外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)鉆孔施工參數(shù)自動生成鉆孔施工三視圖，并在三維場景下對鉆孔布置情況進行展示。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用分析，單組（約50個鉆孔）瓦斯抽采鉆孔的成圖時間不超過1 min，與人工成圖2 h相比，成圖效率和成圖效果得到了極大的提高。

2.5 鉆孔控制效果分析應(yīng)用

瓦斯抽采鉆孔的合理布置，是保證瓦斯抽采效果，徹底消除煤層瓦斯危險性的前提?！锻咚钩椴蛇_標(biāo)評判細則》將鉆孔布置評價作為預(yù)抽煤層瓦斯效果評判的一項重要內(nèi)容。長平礦瓦斯抽采鉆孔管理與分析系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用過程中，對四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭抽采設(shè)計鉆孔布置效果采用密度分析方法進行了評判，評判結(jié)果如圖2所示。

圖2 四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭抽采鉆孔控制效果分析

基于抽采鉆孔布置效果評判模型，可對抽采鉆孔的控制效果進行分析。通過對四盤區(qū)南翼泄水巷迎頭瓦斯抽采鉆孔的控制效果分析，可以發(fā)現(xiàn)該工作面得到了有效控制。

針對此類鉆孔控制效果分析，系統(tǒng)提供基于CAD格式的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入與分析，為抽放技術(shù)人員對抽采鉆孔控制范圍是否存在空白帶有了直觀的認識，并為其后續(xù)分析提供了輔助手段，為工作面瓦斯抽采達標(biāo)和瓦斯災(zāi)害危險的全面消除建立了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

1）通過本研究，建立了定向鉆孔、普通順層鉆孔、普通穿層鉆孔（含石門和立井揭煤）設(shè)計方法模型和抽采鉆孔控制效果評判方法模型；

2）研制了適合長平礦的鉆孔軌跡測量裝置，實現(xiàn)了井下施工鉆孔軌跡的自動成圖和精準(zhǔn)測量；

3）研發(fā)了瓦斯抽采鉆孔管理與分析軟件，實現(xiàn)了礦井瓦斯抽采鉆孔的智能化設(shè)計、管理和分析，為礦井瓦斯抽采鉆孔工程質(zhì)量監(jiān)督提供輔助手段，提升礦井瓦斯抽采和瓦斯防治水平。