龙软钻孔设计方法在钻探生产中的应用与研究

盖晓松

0 引言

钻探是煤矿地质、探放水、救援等的重要手段。近年来随着装备更新对钻孔设计提交的时效性和准确度要求随之提高。

目前同煤集团已建立龙软地测地理信息系统，其钻孔资料数据库实现了钻孔资料的快速自动提取、计算，为钻孔设计快速准确完成提供了便捷。本文通过进一步探索与龙软图形接口，改进了算法，插入了采掘现状、地形图窗口，对钻孔数据库计算出的煤层数据通过插入图形数据进行提取、判比、修正，使钻孔设计更加符合实际数据，能够更加准确的指导钻探施工。

1 研究内容

1.1 钻孔快算设计研究

1.1.1 传统钻孔设计原理

利用周边已有的地质探查钻孔资料进行地面钻孔设计，根据三点式平面和两点式直线获取交点，进行标志层（包括煤层）的钻探设计分两个阶段：第一阶段是根据控制范围获取钻孔与相应标志层顶板交点，第二阶段通过各标志层顶板及底板交点和钻孔开孔点形成的直线获取标志层预见点及厚度，整个数据获取过程结束，通过空间面与直线相交获取交点并循环获取另一点的方式获取钻孔设计数据[1-3]。

1.1.2 传统钻孔设计存在的问题

传统法设计钻孔时，由于工作量大，多数依靠周边的3个钻孔进行线性插值，若周边可参考多于3个时，可以将每3 个钻孔作为一组进行对比，此作法费时费力，且无有效的纠错方法。另外，线性插值不参考区域地层发育特征，插值结果可能误差较大。为了直观起见，若参考的3个钻孔分布构成等边三角形，而设计的钻孔位于其中点，假设各钻孔11#煤层底板标高分别为1 040 m、1 060 m、1 080 m，则如图1所示，依据线性插值原理，可计算出设计位置11#煤层预计标高为1 060 m。而当该区块3#煤层底板等高线呈现如图2所示时，设计位置的标高误差或达30 m。终上所述，已有的手工计算设计钻孔存在的问题有：1）费时费力，设计钻孔的时效性。2）采用线性插值，无法拟合地层发育特征，误差相对较大。3）简单采用线性平差，校正精度较差。

图1 钻孔线性插值示意

图2 预想煤层底板等高线下的插值

1.1.3 算法改进

基于以上传统法手工计算设计钻孔方法存在的问题，考虑引入空间数据插值方式进行钻孔标志层标高计算，可以有效解决钻孔设计中算法单一，不能同时参考多个钻孔数据的缺点，达到了周边地层赋存条件一定程度的拟合，提高了钻孔设计的精度。现采用反距离加权法算法：

反距离加权法是假定原始数据点值对网格节点值的影响与两点间距离相关，确切地说当前计算的格网节点估计值与参考点特征值及的点间距n次幂倒数成一定的数量关系。即距离格网点越近的原始数据对该节点值影响越大，反之影响小。用来衡量影响大小的权重就是已知数据点到网格数据点距离的倒数或距离n次幂的倒数。进而以空间位置的加权平均来计算。

设平面上已知一系列离散数据点，其坐标和特征值为Pi（Xi,Yi,Zi）（i=1,2,…n），设当前计算的格网点记录为P（X,Y,Z），由于离散数据点集中各点对P点特征值影响不同，设其权重函数为Wi.，如果在P 点周围各个方向取点，这时网格点的属性值计算公式为：

反距离加权法是最为常用插值算法之一，它较为简单，代码实现也非常容易。就算法设计而言，该插值方法得到的结果不具有外推性，即得到的估计值均在原始数据点的最大值与最小值之间。这可能导致的缺点是当取样点分布不均时，因为采样中未包含最大或最小值使估值结果产生偏差。总体而言，该插值方法计算效率较高，绘制的等值线平滑、美观，但由于与实现数据稍有偏差，而容易产生“牛眼”现象。

1.2 插入地形图及采掘现状校正

1.2.1 地形图、采掘图数据判比

孔口坐标定位是施工钻孔至关重要的环节，直接决定着钻孔施工的成败，施工前往往反复测算，以尽可能减少误差。放孔工作应首着重考虑：1）已有的地面控制点施工时间，精度，以及是否受采动影响破坏。2）井上下坐标系统是否统一。另外，放孔之后钻场平整也会带来人为孔口标高误差，因此放孔之后应尽量保护好孔口处，场地平整之后，应重新进行高程联测，保证孔口标高精度。

孔口标高的准确是钻孔设计精确可靠的基石，因此钻孔标高的精度评价显得极为重要。本项目采用的方法是在钻孔设计前从地形图上自动读取该坐标点高程区间，与用户提供的高程值进行对比，若用户提供等值线区间不能对应，则认为孔口标高测算有误，并进行报错。

根据钻孔数据计算出各煤层数据，通过已有采掘图数据进行判比校正，通过准确采掘资料数据进行自动修正，提高钻孔设计精确度。

图3 添加地形图、采掘现状修正

1.2.2 应用要点注意

钻孔设计时，根据采掘现状终孔层位以上若有煤层采空时，应特别提醒注意，以保证钻探生产安全。上覆煤层若采掘情况清楚，自然能在钻孔设计中明确体现为施工提供必要的指导。若采掘情况不详，则需多方人工资料调研以获取尽量准确的资料。

1.2.3 龙软钻孔设计的优点

龙软钻孔设计基于集团公司龙软数据库的基础上改进算法采用数据库周边钻孔数据自动提取、计算施工钻孔煤层数据。结合插入采掘、地形图进行判比、修正。所得设计煤层数据更加精确，节省时间，把人工计算变为软件自动计算，工作效率提升，准确率更高。

1.3 实例

1.3.1 实用钻孔数据

自2014年至今通过实际施工200 多个各类钻孔，其中地质勘探钻孔70多各、工程钻孔130多个验证，经多孔施工验证综合得出钻孔设计准确率得到了很大提高、时效性更快。在地形地质条件清楚的情况下结合采掘资料误差范围从1 m～10 m 的差距缩小到了1 m～5 m，在地质地形条件不清的情况下误差范围从1 m～20 m的差距缩小到了1 m～10 m。

现以燕子山矿2018-2号地质补勘钻孔为例，该孔预计施工至本溪组K1灰岩终孔，对周边煤层赋存情况进行勘探。侏罗系上覆2#、3#、7#、8#、9#、10#、11#赋存，石炭系主要煤层为2#、3#、5#、8#、9#赋存。钻孔主要涉及地层为第四纪地层及侏罗纪大同组地层。第四纪地层主要为黄土松散层，侏罗纪地层由粉、细、中、粗粒砂岩组成，中夹泥岩、页岩及煤层。钻孔设计参考燕子山井田内周边的钻孔及各层采掘图、地形图，参考钻孔包括33322、Y205、Y206、Y305、DT10 共计5 个钻孔，其中34333钻孔资料见表1。

表1:34333钻孔各煤层见煤深度及厚度

1.3.2 成果对比

依据Y205、Y206、Y305设计的传统法设计以及应用龙软快速设计对比如图4，对比图中左侧部分为传统法设计，中间为龙软多孔法及采掘图修正后设计，右部分为钻孔实际揭露。对比分析如表2所示，可见各层煤厚数据相对误差也有一定程度减小。

表2 传统法与龙软多孔采掘修正钻孔设计主要成果对比

图4 燕子山矿2018-2#钻孔传统设计与龙软快速设计对比

2 研究成果

采用空间数据插值原理拟合地层发育特征，实现了自动插值计算，取代了原有依赖于传统手工的线性插值方式，提高了钻孔设计精度；依托集团公司龙软系统数据库开发接口，实现了钻孔设计快速绘图，从数值计算到成图均实现自动化。建立了钻孔设计评价机制，用采掘实际揭露的测点数据与设计对比分析，给出了量化评价指标。借鉴测绘平差原理进行了钻孔设计平差，改进了传统的线性平差方法，提高了平差精度。

3 结语

钻孔设计是地质钻探施工的重要参考资料，需要及时、准确、快速，原始设计方法，时效性差，准确性相对不高，对于地层条件实际拟合效果相对较差；改进后龙软钻孔设计通过算法改进可以大范围的提取钻孔数据计算，有效的提高了设计精度，通过软件实现了自动计算、判比、校正，减少了手工劳动。通过插入地形图、采掘现状二次判比修正更加提高了设计煤层数据的准确性，对于钻探生产具有实用且可操作的特点，可将推广应用到指导钻探安全、高效生产的设计编制工作中。