基于三維地質(zhì)模型的瓦斯抽采鉆孔設(shè)計初步研究

李 軍

（中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001）

目前包括劉莊礦在內(nèi)的國內(nèi)絕大多數(shù)礦井的抽采鉆孔的設(shè)計主要以經(jīng)驗為主，因此實際應(yīng)用中存在很多廢孔、無效孔等，導(dǎo)致抽采鉆孔利用率不高，可能產(chǎn)生空白帶。因此，需要對瓦斯抽采鉆孔進行智能設(shè)計研究，從根本上減少或者解決這些問題。許多專家學(xué)者已經(jīng)做出許多有影響力的研究[1-6]。本文通過建立三維瓦斯地質(zhì)模型，進而提出瓦斯抽采鉆孔的智能設(shè)計方法，為煤礦的智能化奠定基礎(chǔ)。

1 三維瓦斯地質(zhì)模型

煤炭行業(yè)不斷發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)也隨之不斷地完善。國內(nèi)外已經(jīng)存在許許多多的三維建模軟件，各有優(yōu)劣。本文綜合考慮了各類軟件的收費情況、具體功能以及建模效果，選擇GOCAD 軟件建模。

本文依據(jù)劉莊礦150804 工作面具體情況構(gòu)建三維模型，并依據(jù)劉莊礦150804 工作面測得的數(shù)據(jù)構(gòu)建150804 工作面的瓦斯地質(zhì)參數(shù)模型。

本次三維地質(zhì)建模的數(shù)據(jù)主要有：

1）西一150804 煤采掘工程平面圖；

2）150804 工作面巷道布置方案圖；

3）150804 工作面04 注水鉆孔設(shè)計；

4）25、27 勘探線剖面圖；

5）164 鉆孔綜合柱狀圖；

6）掘進工作面實驗臺賬（150804 膠帶順槽瓦斯含量）。

1.1 建模原理

地質(zhì)體的幾何形態(tài)的精度通常遠高于人們對其屬性性質(zhì)的合理估算，因而瓦斯地質(zhì)參數(shù)的合理估算十分重要。

本次研究針對開采工作面煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，利用三維地質(zhì)隨機模擬方法，建立瓦斯地質(zhì)三維屬性模型，考慮了瓦斯地質(zhì)變量的地質(zhì)結(jié)構(gòu)性和隨機性。其主要原理如下：

1）隨機抽取空間中的第i個點，這個點還沒有模擬結(jié)果。

2）估計高斯條件概率分布的均值和方差，該過程使用簡單克里金（Simple Kriging，簡稱SK）插值。

3）從 LCPD （累積條件概率）中隨機地抽取一個值，然后由高斯分布計算Zi。

4）把新模擬的值添加到數(shù)據(jù)集中，即當模擬第i+1 個網(wǎng)格點的值Zi+1 時，將第i個點的模擬值Zi作為控制點參與計算。

同樣可以對工作面瓦斯含量大于3 m3/t 的空間進行檢索，對于其他類型的地質(zhì)屬性進行聯(lián)合檢索，并進行空間信息綜合，為智能鉆孔設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

以瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)，融合實體建模技術(shù)和表面模型，將空間數(shù)據(jù)庫、圖形庫、知識庫進行三維動態(tài)模擬集成，直觀、形象、準確地把握瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)的局部特征與整體構(gòu)架，由整體到局部建立三維地質(zhì)模型。

通過該模型，可以空間檢索滿足一定地質(zhì)條件的各類塊斷，為抽采單元劃分提供數(shù)據(jù)和可視化依據(jù)。

1.2 建模步驟

通過對礦方提供的數(shù)據(jù)進行核對，各個圖件基礎(chǔ)信息不一致，只有“西一150804 煤采掘工程平面圖”的內(nèi)容較為豐富，因此以“西一150804 煤采掘工程平面圖”圖紙為主、其余資料為輔進行參考。

首先依據(jù)劉莊礦“西一150804 煤采掘工程平面圖”圖紙，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、縮放操作（將圖件通過旋轉(zhuǎn)，達到標注坐標與CAD 內(nèi)部坐標一致，先確定基點，利用平移將圖件公里網(wǎng)格坐標水平、垂直，利用屬性查看經(jīng)線和緯線的兩個端點坐標是否相同），將圖件的圖面坐標轉(zhuǎn)換為真實大地坐標，圖件坐標變換與矯正。

在此基礎(chǔ)上，提取模型的邊界范圍。底板高程點從“西一150804 煤采掘工程平面圖”圖紙上提取，其他圖件上等高線不齊全。由于等高線是樣條曲線或三維線段，只有控制點才是點位，必須按照一定的采樣間隔，重新數(shù)字化為多線段。數(shù)字化后的等高線不具備高程信息，即只有（X，Y）而缺少Z的數(shù)據(jù)，需要按照圖上的數(shù)字標高，逐條添加高度信息，轉(zhuǎn)換為DXF 格式，通過軟件文件接口導(dǎo)入軟件。

其次，先將斷裂轉(zhuǎn)化為多段線段，按照多線段點的密度，按照斷裂首尾順序，利用屬性逐個查看（X、Y）坐標并記錄，利用等高線標注，利用距離法估計其高程，記錄在對應(yīng)X、X、Y 坐標之后，完成斷裂蹤跡信息提取。最后按照斷裂名稱，逐個保存為文本文件。

通過圖紙上鉆孔位置，記錄鉆孔X、Y 坐標值，通過標注的煤層厚度得到鉆孔位置上的x、y、thickness 三條數(shù)據(jù)，完成煤層厚度的數(shù)據(jù)提取。

圖紙上的主要巷道有三條，自北至南依次為150802 軌道順槽、150804 瓦斯抽排巷、150804 膠帶順槽，其中只有150804 膠帶順槽有巷道中心線標高，因而不能直接進行三維建模。

對于150802 軌道順槽，提取巷道邊框范圍，投影到煤層底板層面，獲得標高，復(fù)制該層面為巷道頂面，將巷道頂面高程增加4 m，生成側(cè)面。將頂面、底面、側(cè)面合并，就生成了該巷道的三維模型。

對于150804 瓦斯抽排巷，通過剖面圖件分析，得知該巷位于煤層頂板30 m 之上。因此，首先將150804 瓦斯抽排巷邊界提取，形成層面，將其垂直投影到煤層底板層面，獲取標高，然后整體向上移動30 m，得到該巷道底板層面。復(fù)制該層面后，將其標高上抬4 m得到頂面，生成巷道側(cè)面。合并三者，得到瓦斯抽排巷三維模型。

通過建模邊框范圍、等高線的點位數(shù)據(jù)、斷層蹤跡點位數(shù)據(jù)，利用離散光滑插值方法，設(shè)定相關(guān)約束條件，實現(xiàn)地質(zhì)等值線在投影平面上幾何連續(xù)。離散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）方法保證相鄰數(shù)據(jù)間的平滑過渡。

生成的150804 工作面瓦斯地質(zhì)總體模型能夠反映劉莊礦150804 工作面大致的形態(tài)，如圖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。

圖1 150804 工作面瓦斯地質(zhì)總體模型

工作面主要幾何參數(shù)見表1。

表1 四個角點坐標（煤層底板） m

按照底板斷裂，根據(jù)產(chǎn)狀和斷裂垂距，可以推算頂板斷裂蹤跡，其原理如圖2。頂板坐標可根據(jù)底板坐標結(jié)合垂直斷距及三角函數(shù)進行推算，得到上下斷裂蹤跡后，將其形成閉合面，切割網(wǎng)格模型，即將位于斷裂內(nèi)的網(wǎng)格單元進行渲染，效果如圖3，可以直觀地看到劉莊礦150804 工作面中存在較為明顯的斷裂。

圖2 頂板斷裂蹤跡推斷

圖3 150804 工作面斷裂渲染模型

1.3 瓦斯地質(zhì)參數(shù)模型

本次設(shè)計中，收集到劉莊礦150804 工作面部分瓦斯含量、堅固系數(shù)測試數(shù)據(jù)，收集了劉莊礦150804 工作面部分煤層厚度數(shù)據(jù)。通過數(shù)學(xué)方法，可以據(jù)此計算得到煤層厚度變異系數(shù)。

通常的厚度變異系數(shù)是針對整個煤層計算的，本次研究將該方法應(yīng)用于5×5 鄰域（50 m×50 m），可以獲取每個點位上的厚度變異系數(shù)。變異系數(shù)的計算公式：

生成的劉莊礦150804 工作面煤層厚度分布模型如圖4。150804 工作面左上方部分顏色較深處煤層較厚，右下方顏色較深處煤層較薄。其他的瓦斯地質(zhì)參數(shù)模型，同樣可利用簡單克里金插值方式計算建立。

圖4 150804 工作面煤層厚度分布

2 瓦斯抽采鉆孔設(shè)計

瓦斯抽采鉆孔的智能設(shè)計中，三維地質(zhì)模型的構(gòu)建十分關(guān)鍵。三維瓦斯地質(zhì)模型直接反映的就是地底煤層的實際情況，模型的精確程度直接影響著抽采鉆孔的設(shè)計。因此瓦斯抽采鉆孔設(shè)計智能化，首要條件便是三維瓦斯地質(zhì)模型的建立，后續(xù)的工作都是圍繞著三維瓦斯地質(zhì)模型進行展開研究。

本文所介紹的瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計，需要結(jié)合三維地質(zhì)模型進行瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計軟件的研發(fā)，軟件的智能鉆孔設(shè)計功能可聯(lián)合三維建模軟件開展。將瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計分為三個部分，分別為三維模型、智能設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計。主要功能如下：

1）依據(jù)煤礦工作面具體情況構(gòu)建出該工作面的三維模型，再依據(jù)瓦斯含量、堅固性系數(shù)等數(shù)據(jù)構(gòu)建該工作面的三維瓦斯地質(zhì)屬性模型。根據(jù)三維瓦斯地質(zhì)屬性模型所展示的煤礦具體情況，如工作面瓦斯含量分布、煤層傾角分布等等，進行分析，通過結(jié)合以往專家經(jīng)驗及設(shè)計要求等，建立抽采鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)庫，制定出相應(yīng)的規(guī)則，進行智能優(yōu)選（選擇排序）或匹配，選擇鉆孔的布置方式以及疏密程度，依據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定及煤礦的具體要求，智能匹配得到煤礦的鉆孔布置。

2）依據(jù)要求輸入煤礦具體前置條件，如布孔間距等，針對具體需求開始設(shè)計，三維瓦斯地質(zhì)模型上自動生成鉆孔布置圖紙。根據(jù)工作面的三維瓦斯地質(zhì)模型瓦斯含量分布等判斷鉆孔的自動規(guī)劃是否合理。若合理，則進行下一步；如不合理，針對不合理之處進行分析，尋找原因，對圖紙進行反演優(yōu)化。

3）依據(jù)軟件自動生成的抽采鉆孔的布置圖紙，通過調(diào)節(jié)抽采時間，得到不同抽采時間下的三維瓦斯地質(zhì)模型的瓦斯含量變化情況，并以此判斷在煤礦規(guī)定時間內(nèi)抽采后的瓦斯含量是否達到了預(yù)期的要求。結(jié)合現(xiàn)場進行試驗，與瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計軟件模擬得到的結(jié)果進行比較，判斷三維地質(zhì)模型抽采前后是否精準，瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計是否符合預(yù)期。

2.1 瓦斯抽采鉆孔設(shè)計理論

本文所介紹的智能化鉆孔設(shè)計，主要內(nèi)容分為抽采鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)庫、三維地質(zhì)模型、煤層抽采單元劃分、鉆孔設(shè)計思路及鉆孔智能設(shè)計方法5 個部分。通過這5 個部分的研究，形成一套智能化瓦斯抽采鉆孔設(shè)計的理論。

首先，對目前國內(nèi)已有或者常用的鉆孔瓦斯抽采技術(shù)進行歸納總結(jié)，建立抽采鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)庫，作為瓦斯抽采鉆孔設(shè)計的基礎(chǔ)資料。其次，建立煤層的三維地質(zhì)模型。依據(jù)煤礦工作面具體數(shù)據(jù)，如標高、瓦斯含量、堅固性系數(shù)等構(gòu)建該工作面的三維地質(zhì)模型。根據(jù)三維瓦斯地質(zhì)模型所展示的煤礦具體情況，進行抽采單元的判斷，形成一套煤層抽采單元劃分方法。依據(jù)煤層抽采單元劃分方法，將工作面劃分為多個不同的單元，依據(jù)每個單元具體的情況判斷選擇什么類型的鉆孔、鉆孔的疏密程度。依據(jù)鉆孔設(shè)計思路，整體對設(shè)計流程進行合理規(guī)劃，形成便捷、簡單易懂的設(shè)計步驟。最后依據(jù)編寫的設(shè)計規(guī)則，確定鉆孔開孔位置、鉆孔終孔位置等鉆孔信息。

5 個部分結(jié)合，研發(fā)得到以抽采鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)庫、煤層抽采單元劃分、鉆孔設(shè)計思路及鉆孔智能設(shè)計方法為理論依據(jù)的基于三維地質(zhì)模型的瓦斯抽采鉆孔智能設(shè)計方法。

由于抽采鉆孔的鉆孔設(shè)計是一個復(fù)雜的決策過程，一定要從多個方面進行考慮。因其受到煤層氣的地質(zhì)條件、鉆井施工環(huán)境、鉆機性能等諸多因素的限制，并且需要考慮鉆孔工程量以及經(jīng)濟效益等，完成技術(shù)上與經(jīng)濟上的平衡，在保證鉆孔抽采效果的基礎(chǔ)上，得到最小鉆孔工程量的鉆孔布置方案，因此需要對抽采鉆孔布置方案進行整體優(yōu)化。

首先需要確立整個鉆孔設(shè)計的設(shè)計思路，可以根據(jù)煤礦的具體情況，如斷層、瓦斯含量等等，進行三維瓦斯地質(zhì)模型的建立。根據(jù)以往專家經(jīng)驗，制定出相應(yīng)的規(guī)則，并通過采掘規(guī)劃、瓦斯賦存、典型構(gòu)造三個指標對抽采區(qū)域（單元）進行劃分，將工作面分成若干個單元，根據(jù)三維瓦斯模型具體情況，以及建立的抽采鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)庫中鉆孔類型及其適用情況，進行鉆孔的智能優(yōu)選（選擇排序）或匹配。每個單元匹配得到最適宜的鉆孔，通過瓦斯防治鉆孔的設(shè)計模型，確定鉆孔智能設(shè)計的方法，依據(jù)煤層走向長、煤層傾角等確定鉆孔的開孔坐標、終孔坐標等，借此保障所有的抽采鉆孔的針對性智能設(shè)計，確保在已有的抽采條件及抽采需求下，抽采鉆孔的布置能夠得到合理的匹配。

2.2 鉆孔設(shè)計思路

1）鎖定目標區(qū)域

通過構(gòu)建目標區(qū)域設(shè)計指標及方法，實現(xiàn)從礦井—煤層（群）—采面的目標區(qū)域逐級鎖定。

針對前期初步建立的全礦井級別三維瓦斯地質(zhì)模型，采用屬性識別的方式進行地質(zhì)單元的劃分，通過巷道信息及采掘規(guī)劃實現(xiàn)對抽采單元的智能劃分，從而實現(xiàn)對鉆孔設(shè)計目標區(qū)域的逐級鎖定。主要內(nèi)容分為屬性辨識、構(gòu)造及特殊區(qū)域辨識、巷道信息獲取、時空規(guī)劃信息提取4 個部分。

2）屬性辨識

在三維地質(zhì)模型中，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標區(qū)域的屬性識別，進而匹配適宜的瓦斯防治技術(shù)體系，為后續(xù)相關(guān)參數(shù)選取和設(shè)計提供依據(jù)。

通過屬性識別，對前面建立的模型從尺度進行調(diào)整或縮減；通過對煤層的層數(shù)、傾角、硬度、瓦斯賦存特征等的屬性識別，判識出目標區(qū)域煤層的特征，進而得出目標區(qū)域的基本屬性及適合的技術(shù)體系。

通過層數(shù)、傾角、硬度、瓦斯特征等幾個方面的內(nèi)容進行屬性識別，得到煤層基本信息，包括層間距、層厚、瓦斯含量等信息，以此來確定屬于哪一種類型的煤層，以得到目標區(qū)域的基本屬性及適合的技術(shù)體系為落腳點展開研究。

3）構(gòu)造及特殊區(qū)域辨識

對目標區(qū)域內(nèi)構(gòu)造及特殊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動識別，對設(shè)計區(qū)域進行初步劃分，從而得到應(yīng)采取鉆孔施工的區(qū)域。

首先進行區(qū)域初步劃分，包括特殊區(qū)域及構(gòu)造區(qū)域兩種，對構(gòu)造與特殊區(qū)域進行分析，如停采線及停采區(qū)域、大巷及巷道群區(qū)域等特殊區(qū)域進行區(qū)域縮減，大斷層及尖滅帶、含水及地質(zhì)異常區(qū)等構(gòu)造區(qū)域進行區(qū)域強化，以通過采掘規(guī)劃及構(gòu)造情況對目標區(qū)域進行劃分為落腳點，完成鉆孔設(shè)計區(qū)域的初步劃分。

4）巷道信息獲取

以三維模型為基礎(chǔ)，辨識現(xiàn)有及規(guī)劃的巷道信息，獲取巷道與煤層的相對空間位置，從而為之匹配相應(yīng)的類型及可控制區(qū)域。

對已有及規(guī)劃巷道進行辨識，已有巷道中，巖層巷道確定煤層間距及相對位置等，煤層巷道確定工作面的相對位置及傾角等，規(guī)劃巷道考慮掩護巷道位置關(guān)系、順層鉆孔控制區(qū)域等內(nèi)容。以穿層孔和順層孔的最佳控制長度對目標區(qū)域進行優(yōu)化為落腳點進行研究，完成巷道與煤層空間尺寸信息的獲取。

5）時空規(guī)劃信息提取

自動辨識礦區(qū)的采掘接替與時空規(guī)劃，實現(xiàn)不同區(qū)域的時間分配，對目標區(qū)域進行精準分割。

時空信息的提取，包括回采區(qū)辨識、準備區(qū)辨識、規(guī)劃區(qū)辨識、采掘接替需求等內(nèi)容。回采區(qū)辨識考慮回采速度、回采區(qū)域，確定采前、采中與采空區(qū)；準備區(qū)辨識考慮巷道與煤層的空間關(guān)系，確定掩護巷道的鉆孔規(guī)劃；規(guī)劃區(qū)辨識考慮遠景巷道規(guī)劃，采掘接替需求考慮時間分配原則，此二者進行多類鉆孔的時間協(xié)調(diào)，以優(yōu)化分割設(shè)計范圍，并鎖定抽采單元目標區(qū)域為落腳點進行研究，得到鉆孔設(shè)計的標準區(qū)域的三維信息。

6）分區(qū)分源設(shè)計

通過前面步驟實現(xiàn)設(shè)計區(qū)域的目標鎖定，下面進行分區(qū)分源設(shè)計。其基本步驟如下：根據(jù)采掘接替規(guī)劃，對回采區(qū)與采空區(qū)、鄰近層與本煤層等不同的目標區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)分源設(shè)計。

通過研究不同影響因素對鉆孔設(shè)計約束條件，提出鉆孔的優(yōu)選級別與優(yōu)選方法，對分區(qū)分源鉆孔適用性進行研究，并提出局部優(yōu)化及合理性評價的方法。

首先對目標區(qū)域進行采掘前的規(guī)劃，并優(yōu)先考慮回采區(qū)，進行分區(qū)分源設(shè)計，包括初步設(shè)計、局部優(yōu)化、合理性審查三個部分。通過影響因素分析、局部優(yōu)化原則、審查與評判方法，三者得到目標區(qū)域內(nèi)分區(qū)分源鉆孔設(shè)計的方法。通過三維模型進行鉆孔的動態(tài)調(diào)整，完成分區(qū)分源設(shè)計后的動態(tài)糾正，之后得到鉆孔設(shè)計方案。

分區(qū)分源設(shè)計初步設(shè)計，需要考慮的影響因素有回采速度、巷道關(guān)系、時間規(guī)劃、人工擾動、瓦斯地質(zhì)、開采擾動等，將這些影響因素設(shè)為鉆孔設(shè)計的約束條件，得到鉆孔的優(yōu)選級別及優(yōu)選方法，并通過分區(qū)分源鉆孔類型匹配完成局部優(yōu)化，包括瓦斯源頭、鉆孔類型、抽采參數(shù)、擾動源設(shè)計、施工巷道等。

3 結(jié)論

本文所介紹的基于三維模型的瓦斯抽采鉆孔設(shè)計的具體內(nèi)容，主要包括兩個部分：

1）分析了如何對三維瓦斯地質(zhì)模型進行建模的建模原理和建模思路，并根據(jù)建模思路建立了劉莊礦150804 工作面的三維瓦斯模型。

2）提出了基于三維地質(zhì)模型的鉆孔設(shè)計方法，包括鉆孔設(shè)計思路等，保證煤層瓦斯的抽采效果。