煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術

黃 炳，李榮欣，周松元

（1.湖南安全技術職業學院，湖南 長沙410151；2.長沙煤礦安全技術培訓中心，湖南 長沙410151）

煤炭開采過程中的瓦斯問題是大部分礦井實現安全生產必須解決的首要問題，解決該問題的關鍵是通過鉆孔對瓦斯進行抽排[1]。標定鉆孔必須確定開孔位置、傾角和方位角等幾個基本參數，其中方位角的確定尤為困難。能否準確標定鉆孔對抽放設計能否落實、瓦斯抽放是否充分、開采危險是否解除等起到至關重要的作用。目前，傳統鉆孔定位方法主要有地質羅盤-坡度規法、全站儀定向法、幾何量角器法、混合法等，這幾種方法在鉆孔標定上均存在低效、低精度等方面的問題，嚴重影響瓦斯抽排的效率以及瓦斯防治的效果[2-5]。

1 傳統鉆孔定位方法及存在問題

1）地質羅盤-坡度規法。①準確度不高：操作人員用手穩定地質羅盤、坡度規，容易產生偏差，受井下場地和光線的影響，不同的人測定的數值偏差較大；②抗干擾性不強：地質羅盤主要是靠地磁場對指北針的磁感應使得指北針指向地球的正北方向（存在一定的磁偏角）；而在井下施工現場存在很多鐵質材料和帶電設備，都會對地磁場產生干擾，使得地質羅盤指北針發生偏斜，這對方位角的標定產生了較大影響[6]。

2）全站儀定向法。①操作復雜，標定時間長：全站儀是一種精密儀器，操作起來比較精細復雜；②占用人員與設備：全站儀是專業測量人員使用的精密儀器，非測量人員很少有人會用，井下打鉆作業地點多、成孔快，需要占用大量測量技術人員和設備，也給礦井正常測量作業帶來很大的影響[6]；③全站儀標定鉆孔開孔位置時，需移開鉆機或鉆機未進入操作前完成，如因特殊情況，需打孔中途補充標定鉆孔開孔時，靈活性差，操作不方便。

3）幾何量角器法。①操作復雜：幾何量角器法利用三角形、平行四邊形等幾何原理，再加上量角器，在空間上對鉆孔進行定位，操作上比較復雜；②誤差較大：在操作上需要拉線形成平行四邊形或者直角三角形等幾何圖形，量角器在空間上的使用在角度上有一定的度數偏差，這些因素會導致最終的結果誤差比較大[7]。

4）混合法。混合法就是幾種方法的疊加，比如先用全站儀對巷道進行基準線標定，然后根據基準線利用幾何量角器法進行鉆場基準線的標定。這種方法結合多種方法的特點，有一定的復雜性，也存在多種方法都具有的問題。

另外，在進行鉆孔設計的時候，通過電腦制成的設計圖或施工圖多數以平面圖的形式體現，對于立體空間的細微差異不予考慮，在設計上就形成了較為明顯的系統性誤差。這樣的鉆孔施工在空間上會形成一些抽放無法控制帶，即抽放盲區，導致抽放不充分，給采煤工作帶來很多潛在的危險，極有可能引發瓦斯爆炸、瓦斯突出等事故。

2 煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術

煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術研究是基于空間射線投射技術，以固定點位為基點來模擬鉆機位置，向巷道、石門、垱頭空間的抽放鉆孔控制區域投射不同方位、傾角的紅外可見光射線，根據射線投射的位置，在煤（巖）面上進行標定。在施工鉆孔時，只需要將鉆機的轉動中心點與基點相重合，調整鉆桿長度，將鉆頭對準已標定的點位鉆進即可。

2.1 技術原理

根據鉆探、采掘工程圖數據，確定目標煤層的傾角、走向以及與抽排鉆場的空間關系，按照不同類型的區域防突措施規定的要求，確定空間上預抽區域的范圍。根據抽放半徑，通過最優算法，即以最少的鉆孔數對預抽區域進行鉆孔布置，實現對該區域的全面控制。以投射點位為基點，通過預抽區域鉆孔的空間坐標形成1 個空間向量，以此確定投射線，從而實現對鉆孔的精確定位。石門或鉆場鉆孔投射定位如圖1。

圖1 石門或鉆場鉆孔投射定位Fig.1 Projection positioning of cross-cut or drill site

2.2 算法研究

按照煤礦安全生產相關規定，如《防治煤與瓦斯突出細則》第60 條，區域防突措施預抽煤層瓦斯可采用的方式中，需要對鉆孔進行精準定位的包括：穿層鉆孔預抽區段煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽石門揭煤區域煤層瓦斯等4 大類[8]，下面針對穿層鉆孔預抽區域煤層瓦斯模式和穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯模式分別進行算法研究。

2.2.1 穿層鉆孔預抽石門揭煤區域煤層瓦斯模式

穿層鉆孔預抽石門揭煤區域煤層瓦斯鉆孔坐標計算示意圖如圖2[8]。假設巷道斷面寬為a，高為b，垱頭距離煤層的最小法向距離為e，煤層傾角為α，以及鉆機高度h，煤層抽采半徑為r。根據《煤與瓦斯突出細則》鉆孔的最小控制范圍為石門揭煤處巷道輪廓線外12 m。

那么，鉆孔終孔控制區域的大小寬為A=a+24，高為H=b/sinα+24。為了便于計算，以巷道中線距離垱頭d 處為基準點O，以基準點建立三維空間坐標xyz，其坐標為（0，0，0）。假設垱頭距離煤層的最小法向距離為e，煤層傾角為α。在空間上可以計算控制區域右下角P 點的坐標：

圖2 穿層鉆孔預抽石門揭煤區域煤層瓦斯鉆孔坐標計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation of coal seam gas borehole coordinates in coal seam uncovering area with pre-drainage crosscut

以P 點為計算點，向左、向上按抽采半徑r 進行網格布點，則控制范圍為：

那么，需要布置的鉆孔數在縱向上為（h/sinα+12）/2r=i+m（其中，i 為整數部分，m 為小數部分，如果m＜0.5，則鉆孔數為i，m≥0.5，則鉆孔數為i+1）；在橫向上（a+24）/2r=j+n（其中，j 為整數部分，n 為小數部分，如果n＜0.5，則鉆孔數為j，n≥0.5，則鉆孔數為j+1）。控制區域總的鉆孔數即為i（i+1）和j（j+1）的乘積。

對于任何1 個鉆孔Pi，j，可以得出其Pi，j（x，y，z）坐標為：

2.2.2 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯模式

穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯是針對已布置好的巷道對煤巷條帶區域進行抽放，在空間上可以看做為2 條直線之間的關系，在施工中一般直接在巷道內進行打鉆，不另外布置鉆場，但在巷道空間會形成一定間隔距離的打鉆點。在設計上必須分2 步進行考慮：合理確定打鉆點的數量及確定每個打鉆點的鉆孔數量[9-10]。

鉆孔投射技術只針對單個打鉆點進行鉆孔的準確定位，一般而言，可以選取1 個點作為基點，距底高度為c，距幫為b，將其坐標定為（0，0，0）。以緩傾斜煤層為例，對于單個打鉆點需要控制的區域為煤巷空間上下15 m 區域，假設煤巷空間跨度為a，則控制的條帶范圍為a+30，在設計上確定的寬度為d，再假設煤層傾角為α。預抽巷道與已布置巷道之間的空間關系用距離e 和傾角β 進行確定，穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯模式空間示意圖如圖3[11-12]。

圖3 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯模式空間示意圖Fig.3 Sketch map of gas pattern space of strip coal seam in pre-drainage roadway by through-layer drilling

在系統模式中定義鉆孔排數，分別為：…、左2、左1、正中、右1、右2、…，那么對于其中的任何1 排可以通過計算確定，以正中的1 排為例，第i 個鉆孔坐標可以確定為：

對于空間任意1 排鉆孔n，任意第i 個鉆孔，可以計算出其Pi，j（x，y，z）的坐標為：

那么根據坐標原點O 和目標鉆孔點P 可以形成1 個空間向量，實現在空間上鉆孔的定位。

2.3 技術特點

空間可視化鉆孔投射定位技術能實現對石門揭煤、底板穿層鉆孔施工區域防突鉆孔定位的精確控制，具有如下特點：

1）空間可視化。通過對鉆場空間投射紅外可見光射線，射線依據每個鉆孔坐標與定位點形成的空間向量進行投射，能實現對單個鉆孔定位的空間可視化標定[13]。

2）高效快捷。操作時，只需要將巷道、煤層參數輸入系統，系統能自動計算垱頭需要布置的鉆孔數量，并確定每一個鉆孔的參數。對任意1 個鉆孔的施工時，可以實時調出該鉆孔的參數，并以射線投射的方式，從鉆機位置投射到巖石壁上，然后通過標識，直接確定鉆孔開鉆的位置，調整鉆機進行施鉆。可以實現對控制區域的一次投射，全部標定，標定1 個鉆場的時間一般不超過30 min，比傳統方法在時效上提高80%以上。

3）精確全面。鉆孔的設計充分考慮各項數據，包括巷道的大小，鉆機的高度和位置，煤層賦存狀態等。通過對不同傾角煤層的計算，能精確得出每個鉆孔的參數，從而保證對預抽區域的全面控制，不留抽排空白帶，使得瓦斯抽排精準充分[14]。

4）經濟節約。以往的鉆孔設計只注重平面化，忽視空間布局，容易出現抽排無法控制帶，導致抽排不充分，引發瓦斯突出、爆炸事故。或者追求充分抽排，密集布置鉆孔不留死角，這樣的鉆孔工程量巨大，造成經濟上浪費，時間上耗費。通過空間可視化鉆孔設計，能對預抽區域的空間上全面控制，充分考慮了鉆孔施工的空間性，避免了密排鉆孔導致的浪費，起到了經濟節約的效果。

2.4 技術創新

1）可以解決井下鉆孔施工定位不準、定位時間過長的問題。通過分析以往定位方法存在的缺點，通過從空間上的控制，以立體幾何算法代替人工控制，有效的解決羅盤、量角器等方法誤差較大的問題，通過一次投射、全面標定，大大縮短傳統鉆孔定位的時間。

2）能實現對預抽區域的立體空間控制。針對以往鉆孔設計平面化的缺點，考慮預抽區域的立體空間性。通過巷道、煤層等數據的輸入，自動形成鉆孔參數，并以紅外可見光射線的形式體現，能有效對預抽區域的立體空間控制。

3 結 語

煤礦井下空間可視化鉆孔投射定位技術適用于區域防突措施預抽煤層瓦斯鉆孔施工，它在操作上高效快捷、簡單便利，能解決當前煤礦井下鉆孔定位困難的問題，還可以應用于探放水、地質鉆探等礦山超前鉆探工作之中。在具體施工過程中應注意，在基點確定之后，鉆機要盡可能地減少移動，這對復雜地質條件施工鉆孔時要求較高。空間可視化鉆孔投射技術與有關學者提出的“三維可視化體系構建”并不相同，兩者的主要區別在于：前者注重于鉆孔施工實踐，后者注重于設計成圖，側重點不一樣。下一步工作的重點是將研究付諸實踐，通過試制投射器，不斷改進，使其利于現場施工，確保鉆孔施工到位，提高瓦斯防治、地質鉆探工作的有效性。