基于Surfer的礦井瓦斯地質編圖技術研究與應用

李凱

【摘? 要】針對礦井瓦斯地質圖傳統繪制方法效率和準確率低，難以動態預測煤層瓦斯賦存和分布情況，論文提出了基于Surfer軟件的礦井瓦斯地質編圖方法，闡述了繪制礦井瓦斯地質圖中瓦斯含量等值線的過程。通過在鶴煤中泰礦業3107和3108工作面的應用顯示，Surfer軟件在瓦斯地質管理中的應用，能夠準確預測煤層瓦斯賦存和分布情況，劃分工作面范圍內的瓦斯富集區，為采取針對性的防突措施提供了重要的指導和參考。

【關鍵詞】Surfer;瓦斯地質圖;瓦斯含量等值線;瓦斯富集區

【中圖分類號】TD171 【文獻標志碼】A【文章編號】1673-1069（2022）05-0129-03

1 引言

礦井瓦斯地質圖能夠揭示瓦斯地質規律和概括瓦斯預測成果，直觀反映煤層瓦斯賦存狀況，為礦井瓦斯災害預測與防治工作、瓦斯抽采設計以及采掘工作面布置提供科學的指導。以往的礦井瓦斯地質圖中各個瓦斯參數點都是彼此孤立的，當突出危險性指標達到或者超過臨界值時，一般的解決辦法是在超限點周圍半徑100 m范圍內采取補充防突措施，但是瓦斯賦存狀態受地質條件影響，在煤層中的分布并不是簡單的一個面積范圍，并且隨著煤礦采掘工作面消突評價的執行標準愈加嚴格，對于區域突出危險性預測、區域措施效果檢驗不達標的采掘工作面，其突出危險程度和突出危險范圍的大小以及采取防突措施達標后采掘工作面內是否仍存在瓦斯富集區等，都需要有一個明確的認識，只有這樣才能在實施補充防突措施時做到有的放矢。為保證煤礦安全生產，確保實現采掘工作面消突，需要建立一個模型來動態預測采掘工作面的各項瓦斯參數，劃分瓦斯異常區域范圍，以指導防突措施的實施。

2 基于Surfer軟件編制瓦斯地質圖的目的

瓦斯在煤儲層中的賦存和分布受地質條件控制，并存在明顯的瓦斯地質規律。同時，瓦斯參數能夠反映出控制瓦斯賦存的隱蔽地質構造分布情況。在同一個地質單元內，通過搜集整理已揭露的、有限的瓦斯地質資料，可建立瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯涌出量等煤與瓦斯突出危險性預測模型，劃分出瓦斯參數的預測等值線，超前判識局部瓦斯富集區域的大小，指導煤層掘進、回采時的瓦斯防治措施及“四位一體”防突措施的具體執行。瓦斯含量、瓦斯壓力以及瓦斯涌出量等值線是瓦斯地質圖的重要組成部分，其中涉及大量實測數據，繪制這些等值線的傳統方法是根據各實測點瓦斯參數，與煤層等高線相結合的繪圖方法，不僅速度慢，效率和準確率低，且繪圖的質量也存在較大差異。Surfer軟件具有多種插值功能，能夠有效地對瓦斯參數等數據進行處理，基于Surfer軟件編制礦井瓦斯地質圖，可以有效提高瓦斯地質圖的準確性、制圖質量以及制圖效率[1-3]。

3 瓦斯地質圖編制過程分析

本文以鶴煤中泰礦業三一采區3108工作面殘余瓦斯含量預測等值線為例，分析Surfer軟件在瓦斯地質圖繪制中的應用過程。

3.1 建立基本數據源

首先對3108工作面實測的殘余瓦斯含量及孔深等數據進行統計，使用AutoCAD軟件標明其坐標位置，在Excel中建立瓦斯含量數據庫，其中第一列為區域內實測點的X坐標，第二列為Y坐標，第三列為實測瓦斯含量值。其次根據繪圖區域大小及區域內斷層等地質構造劃分出數據邊界點及空白區域。

3.2 利用Surfer軟件繪制瓦斯含量等值線

①建立網格文件。打開建立的瓦斯含量數據文件，選擇合適的數據插值方法。根據該工作面實際情況選用克里金（Kriging）插值法[4，5]生成網格文件，即完成煤層瓦斯含量測點網格化。

②生成等值線。在Surfer軟件中選擇菜單命令“地圖”→“等值線圖”→“新建等值線圖”，選擇并打開網格文件，即繪制完成瓦斯含量初始等值線，如圖1所示。

③修改等值線。根據繪制的瓦斯含量初始等值線圖，在等值線屬性對話框中可對等值線之間填充顏色、增減或移動等值線標注及等級等進行修改，即可得到瓦斯含量等值線，如圖2所示。

④輸出等值線。將以上修改后的瓦斯含量等值線圖與瓦斯地質圖進行合并，得到整個采掘工作面范圍內的瓦斯含量等值線，并利用AutoCAD軟件完善瓦斯含量等值線圖。由圖3可以看出，瓦斯含量預測等值線與已知的實測點瓦斯含量基本吻合，說明基于Surfer軟件編制的礦井瓦斯地質圖具有較高的準確性。

4 應用效果分析

基于Surfer軟件編制礦井瓦斯地質圖的方法首先應用在鶴煤中泰礦業三一采區3107、3108這兩個回采工作面，通過繪制瓦斯參數等值線，預測并劃分工作面內瓦斯富集區，以采取針對性的防突措施，確保取得較好的瓦斯防治效果。

4.1 試驗地點概況

鶴煤中泰礦業位于鶴壁礦區北部，所采二1煤層是井田范圍內唯一可采煤層，屬煤與瓦斯突出煤層。3107工作面位于鶴煤中泰礦三水平一采區，該工作面相鄰采空區較多為孤島煤柱工作面，工作面沿二1煤層底板回采，煤層埋藏較深，周圍及巷道附近應力集中程度高，壓力較大，且位于突出危險區，因此導致工作面范圍內瓦斯含量較大。3108工作面位于該礦三水平一采區的3個采空區正下方，為二層回采工作面，視為“零距離”保護層掩護工作面，可不采取區域防突措施，采用直接測定回采區域煤層殘余瓦斯含量的方法進行效果檢驗。

4.2 Surfer軟件在瓦斯地質管理中的應用

在3108工作面上下順槽內布置18個瓦斯含量檢驗鉆孔，鉆孔間距45～48 m，孔深45～60 m，由13號鉆孔測得該工作面最大殘余瓦斯含量為5.3 m³/t。通過已揭露的這些瓦斯含量點數據，使用Surfer軟件繪制瓦斯含量預測等值線，可以清楚地了解3108工作面瓦斯賦存狀況。如圖3所示，在采取“零距離”保護層開采后，3108工作面殘余瓦斯含量均在6 m³/t以下，瓦斯防治取得了較好的效果，不存在瓦斯富集區。但其中殘余瓦斯含量在5 m³/t以上的橢圓形區域（長26 m，寬29.4 m）瓦斯含量相對較大，在回采至此區域內時應適當增加煤層注水鉆孔數量等瓦斯防治措施。

按照同樣的方法，在3107煤柱工作面內更能體現出Surfer軟件對于瓦斯富集區劃分的特點。3107工作面以對接巷為界，劃分為前期和后期工作面。3107工作面四周均臨近采空區，前期工作面內老巷較多，斜長又短，瓦斯已得到充分釋放，實測殘余瓦斯含量值均小于6 m³/t。后期工作面實測12號鉆孔瓦斯含量為6.3 m3/t，15號鉆孔瓦斯含量為7 m³/t。根據實際測定的3107工作面33個殘余瓦斯含量檢驗鉆孔的瓦斯含量值，利用Surfer軟件繪制瓦斯含量預測等值線，3107前期工作面內無瓦斯富集區，因此，主要展示Surfer軟件在后期工作面內判識瓦斯富集區的應用特點。

由圖4可以看出，在3107后期工作面超限點鉆孔附近存在瓦斯富集區域，此范圍內瓦斯含量梯度較大，說明煤層透氣性系數較低，可能存在一定的應力集中或利于瓦斯積聚的小構造，其中瓦斯含量在6 m³/t以上的不規則區域最長110.8 m。在采取補充防突措施時，應在此區域內增加瓦斯抽放鉆孔，檢驗測點也宜布置在此范圍內。

由現場試驗結果表明，在采取補充防突措施后，檢驗3107工作面殘余瓦斯含量均在6 m³/t以下，根據補充的檢驗測點瓦斯含量繪制3107工作面瓦斯含量等值線中不存在瓦斯富集區，因此，評判3107后期工作面防突措施有效。

5 結語

①利用Surfer軟件繪制礦井瓦斯地質圖，可通過有限的瓦斯參數準確繪制預測等值線，具有較高的可靠性、制圖效率和較好的制圖質量。

②將Surfer軟件應用在瓦斯地質管理中，能夠準確地預測煤層瓦斯賦存和分布情況，有效地劃分瓦斯富集區域，為瓦斯治理及煤礦安全管理提供了指導依據，是采取瓦斯防治針對性措施的一個重要參考資料。

【參考文獻】

【1】邵海，李春香，蔣星星，等.礦井瓦斯地質圖自動生成方法研究[J].煤炭技術，2020，39（2）：46-48.

【2】趙方，周榮福，耿詠梅，等.Surfer與AutoCAD結合在繪制等值線中的應用[J].地理空間信息，2011，9（2）：46-48+8.

【3】趙宇，王志新.Surfer軟件借助AutoCAD實現計算機繪制煤層頂底板等高線圖[J].煤炭技術，2005（4）：101-102.

【4】林海飛，陳勇，李樹剛，等.Surfer和AutoCAD軟件在編制礦井瓦斯地質圖中的應用[J].中國煤炭，2010，36（9）：88-90.

【5】張淦星，楊勝強，展勇，等.煤礦瓦斯地質圖中繪制等值線的技巧[J].煤炭技術，2015，34（4）：180-182.