穿层测压钻孔施工参数设计方法及应用

陈学习，肖 健，单文选，黄晶晶

(华北科技学院 安全监管学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

我国大部分煤层地质条件多变，瓦斯赋存条件复杂，已成为全球煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)灾害最严重的国家[1-4]。瓦斯灾害防治是制约煤矿安全高效开采的重大技术难题，防突工作任务十分艰巨[5-6]。煤矿突出灾害防治工作的开展，必须准确辨识待采掘区域的突出危险性，根据矿井实际情况进行突出危险性鉴定，确定为突出煤层后开展区域预测[7]。煤层瓦斯压力测定结果是突出危险性鉴定和区域预测中必不可少的指标。

煤矿井下瓦斯压力测定分为顺层测压和穿层测压[8]。《煤矿瓦斯等级鉴定办法(2018)》[8]第三十八条要求，突出鉴定工作具备施工穿层钻孔测定瓦斯压力条件的，应当优先选择穿层钻孔。相关研究[9]表明，采用穿层测压钻孔进行测压无论从封孔的难易程度还是测压效果均优于顺层测压钻孔。穿层钻孔瓦斯压力测定的准确性不仅与封孔效果有关，与钻孔的开孔位置、倾角、方位、钻孔长度等参数也具有密切关系[10]。因此，对穿层测压钻孔施工参数进行研究有重要意义。

目前，国内部分专家学者对穿层测压钻孔施工参数开展了研究工作，赵训[11]等人利用CAD进行钻孔参数设计，给出了设计结果，未进行现场验证，参数设计准确与否不能确定。石龙庆[10]等研究了待测煤层、测压巷道、测压钻场不同相对位置关系，最终得出6种不同位置关系下，钻孔施工参数计算公式。桑聪[12]等人以高抽巷测定待抽煤层的瓦斯压力为原型，建立几何模型，对考虑伪倾角情况下的下行穿层测压钻孔参数的计算方法进行研究，并推导出相应的计算公式。马文伟[13]研究了以测压钻场、待测煤层的两种不同相对空间关系，设计了穿层钻孔施工参数运算几何模型，给出上向和下向穿层测压钻孔施工参数的运算公式，并通过数学软件取得了测压钻孔合理的参数范围。上述研究成果对钻孔参数设计有一定指导作用，但存在误差大、模型多变且复杂、针对性弱、实用性差等问题。为此本文基于前人研究成果，以河南某矿高位巷和戊8煤层相对位置为基础，研究穿层测压钻孔施工参数，使用AutoCAD、Excel建立图形转换模型和几何计算模型，并相互验证，得出简单、实用、精准的钻孔施工参数设计方法。

1 工程概况

某矿位于河南省平顶山煤田，限定开发丙组煤1、丙组煤2、丁组煤、戊组煤、庚组煤。该矿三水平首采工作面，共设计四条巷道：机巷、风巷、机巷高位巷、风巷高位巷。风巷高位巷沿戊8煤层顶板掘进，距离戊8煤层约15 m，方位与风巷相同，垂直中对中20 m，内错布置，设计巷道断面4.6×2.8 m。机巷高位巷沿戊8煤层顶板掘进，距离戊8煤层约15 m，方位与机巷一致，外错布置，垂直中对中30 m，巷道断面4.8×3.6 m。

工作面主采戊8煤层，开采范围内煤层厚度基本稳定，断层构造影响较小，平均煤厚2 m，局部有薄煤现象，地面标高152～177 m，井下标高-740～-830 m，工程试验位置如图1所示。

图1 钻孔施工布置图

由于该工作面所圈定的范围已超过上次突出鉴定范围，且埋深延伸超过50m，需再次进行煤层瓦斯参数测试以确定其突出危险性，且在高位巷具备施工穿层测压钻孔的条件。为提高施工效率，保障成孔率，基于现场资料对穿层测压钻孔施工参数设计方法进行研究。在机巷高位巷布置12个钻孔，钻孔布置如图1所示。

2 高位巷测压钻孔设计模型建立

两个设计模型均以过终孔点和开孔点的铅垂面为基础。AutoCAD图形转换模型通过现场勘探资料模拟铅垂面待测煤层的变化情况，根据所需的平面投影长度确定钻孔终孔位置，最终得到钻孔设计参数。几何计算模型通过三维CAD模拟铅垂面上开孔点、终孔点、下探见煤点之间构建的三角形，利用三角函数关系进行钻孔设计参数计算。

2.1 AutoCAD图形转换模型

高位巷的掘进期间需与煤层保持一定垂直距离，避免误穿煤层，因此每掘进一段距离就会对位于高位巷下部的煤层进行探测，以指导高位巷掘进工作。利用高位巷下探煤层底板参数，可以做出准确的等高线数据图，得到如图2(a)的基础图形。

图2 煤层投影图

基于图2(a)，找到待施工钻孔的终孔位置a、开孔位置b，连接ab得到钻孔的平面投影线；做钻孔平面投影线两端的延长线，延长线及钻孔平面投影线与高位巷中心的交点为c，与相邻五条煤层顶板等高线的交点分别为d、e、f、g、h。图2(b)部分提前做有1、2、3、4、5共五条间距为10 m且与钻孔平行的直线，过点a、b、c、d、e、f、g、h做八条与钻孔平面投影线及延长线垂直，方向为图2(b)的射线。

(1) 以d为起点的射线与直线5交点为d′，d′为-820 m煤层底板等高线定位点；

(2) 以e为起点的射线与直线4交点为e′，e′为-810 m煤层底板等高线定位点；

(3) 以f为起点的射线与直线3交点为f′，f′为-800 m煤层底板等高线定位点；

(4) 以g为起点的射线与直线2交点为g′，g′为-790 m煤层底板等高线定位点；

(5) 以h为起点的射线与直线1交点为h′，h′为-780 m煤层底板等高线定位点。

使用多段线命令pl连接d′、e′、f′、g′、h′，得到煤层底板点位线6，煤层底板定位线6是多段折线，使用pe命令选择拟合功能f，将多段折线6变成平滑的曲线。

基于图2(b)以f′点为中心在正交条件下沿顺时针方向旋转90°，将旋转后的煤层底板点位线6按煤层柱状图所给参数进行复制并向上移动，得到图3的基础图形。

(1) 过点a所做的射线与煤层底板定位线6的交点a′为钻孔终孔点；

(2) 过点c所做的射线与煤层底板定位线6的交点c′为高位巷定位点；

(3) 高位巷定位点c′根据煤层柱状图所给间距h进行上向平移得到巷道底板中心定位点c′′，得到高位巷的准确位置；

(4) 由高位巷底板做垂直距离h1，得到开孔点b′，将开孔点b′与终孔点a′连接，即为钻孔轨迹，得到钻孔定位图如图3所示。

图3中线段a′b′长为L，与等高线夹角为β，L为钻孔长度，β为钻孔倾角。

图3 钻孔定位图

2.2 几何计算模型

高位巷施工测压钻孔一般在巷道侧帮或底板上开孔，终孔位置在煤层底板以下。钻孔参数设计时，根据开孔点与终孔点的相对位置关系，可以转化为简单的直角三角形，进而利用勾股定理、正弦定理计算所需的钻孔参数。根据高位巷和煤层的相对位置关系，在AutoCAD中建立了如图4所示的三维模型。

图4 钻孔设计三维模型示意图

图4中开孔点为a，终孔点为b，连接ab即为钻孔，L为穿层测压钻孔长度，θ为钻孔倾角，θ与α互补。A为钻孔平面投影长度，c为开孔点下部的煤层底板。

(1) 连接ac得到钻孔开孔点至下部煤层底板的垂直距离h2；

(2) 过b点做ac的垂线，交ac与点d，cd的长度h1为煤层在钻孔方向上的变化量，ad的长度H是钻孔开孔点与终孔点的垂直距离为孔向垂高。

钻孔孔向煤层倾角β(简称“孔向倾角”)指的是煤层沿钻孔施工方向的实际倾角。孔向倾角与煤层倾角并不是完全一致。在煤层底板数据不够详细时，孔向倾角难以确定，只能粗略的估算。但在施工高位巷并对煤层底板进行详细探测的前提下，可以准确找到需施工钻孔的孔向倾角。根据现有的等高线数据，绘制如图5所示的孔向倾角示意图。

图5 钻孔孔向煤层倾角示意图

(1) 确定钻孔开孔点a，终孔点b，连接ab即为钻孔的平面投影；

(2) 将钻孔平面投影两端延长线与最近的三条煤层底板的高线相交，交点分别为c，d，e；

(3) 过基点a、b、c、d、e做垂直于右侧f，g，h的直线，f、g、h为三条与钻孔平行且间距为10 m的直线；

(4) 过c点的直线与f交于点c′；

(5) 过d点的直线与g交于点d′；

(6) 过e点的直线h交于点e′；

(7) 使用AutoCAD快捷命令连接c′、d′、e′，得到煤层底板模拟线1;

(8) 过a点的直线与煤层底板模拟线1交于点a′；

(9) 过b点的直线与煤层底板模拟线1交于点b′；

(10) 过b′做直线h的平行线2，平行线2与线段a′b′的夹角，即煤层的孔向倾角β。

由上述位置几何关系可得：

L2=H2+A2

(1)

H=h2±h1

(2)

钻孔逆煤层倾向取“-”，顺煤层倾向取“+”。

(3)

联立式(1)～(3)得：

(4)

式中，L为钻孔长度。

θ=90°-α

(5)

式中，θ为钻孔倾角。

(6)

联立式(4)～(6)得：

(7)

3 测压钻孔设计参数现场应用

3.1 钻孔参数设计

本次钻孔参数设计同时使用AutoCAD图形转换模型和几何计算模型，将两种模型设计结果进行对比。AutoCAD图形转换模型的钻孔施工参数设计，根据现场所提供的煤层底板等高线资料按照2.1节中所述步骤转换，即可得到相应的钻孔参数，转换结果如表1所示。为提高几何计算模型的现场应用，方便快捷的得到所需的钻孔参数。通过Excel表格进行公式编辑，E2栏输入钻孔平面投影长度、G2栏输入开孔点与煤层底板垂高、I2栏输孔向倾角。

钻孔逆煤层倾向施工时在Excel的B2栏输入公式(8)，D2栏输入公式(9)如下：

(8)

(9)

钻孔顺煤层倾向施工时在Excel的B2栏输入公式(10)，C2栏输入公式(11)如下：

(10)

(11)

几何计算模型需要将相应的参数输入提前编辑的Excel表格文件中，所得结果如表1所示。

表1 穿层测压钻孔设计参数结果表

3.2 测压钻孔现场施工

为保障穿层测压钻孔的施工过程及结果符合煤层瓦斯压力测定的相关要求，需按照以下施工要求进行施工：

(1) 钻孔施工时应密切注意钻进情况，确保钻孔平直，本次测试的待测煤层不属于特厚煤层，施工时钻孔必须穿透煤层钻至煤层底板；

(2) 必须根据设计人员给定钻孔施工参数、开钻地点，进行支钻和固定钻机。

现场钻孔结果如表2所示。

表2 穿层测压钻孔现场施工结果表

续表

4 钻孔设计参数及施工结果分析

分别计算表1中图形转换模型与几何计算模型的钻孔长度、钻孔倾角差值。将钻孔长度、钻孔倾角差值取绝对值进行图形绘制，得到图形转换与几何计算设计差值图，如图6所示。分别计算两个模型钻孔设计长度与实际钻孔长度的绝对误差和相对误差。将计算结果的绝对值进行图形绘制，得到图7设计长度与实际长度绝对误差图、图8设计长度与实际长度相对误差图。

图6 图形转换与几何计算设计差值图

由图6可知，图形转换模型与几何计算模型长度差值的绝对值最大为0.24，倾角差值的绝对值最大为0.33°。两个设计模型的设计长度和设计角度差值的绝对值均小于0.50，两个模型互相验证有效，设计结果准确。两个设计模型的设计长度和设计角度差值变化趋势基本一致，但是设计长度和设计角度差值与钻孔长度没有明显的相关性。

图7 设计长度与实际长度绝对误差图

由图7可知，钻孔实际长度与图形转换模型设计长度绝对误差的绝对值最大值为5.7 m，钻孔实际长度与几何计算模型设计长度绝对误差的绝对值最大值为5.9 m，最大误差绝对值小于 6.0 m。两个模型的设计误差绝对值变化趋势一致，设计误差值随钻孔实际长度的增加而增加。

图8 设计长度与实际长度相对误差图

由图8可知，钻孔实际长度与图形转换模型设计长度相对误差的最大值为7.3%，钻孔实际长度与几何计算模型设计长度相对误差的最大值为7.5%，最大误差小于8.0%。两个模型的相对误差变化趋势一致，设计误差与钻孔实际长度成正相关随钻孔实际长度的增加而增加。

5 结论

(1) 通过对比两个模型得出的设计参数，得出AutoCAD图形转换模型与几何计算模型设计结果基本一致，钻孔长度设计最大差值0.24 m，小于0.50 m，钻孔倾角设计最大差值0.33°，小于0.50°。

(2) 通过对比现场施工结果与两个模型得出的设计参数，得出AutoCAD图形转换模型和Excel几何计算模型设计结果的最大绝对误差小于6.0 m，最大相对误差小于8.0%，误差很小能够做到钻孔参数精准设计。