陳學習,肖 健,單文選,黃晶晶
(華北科技學院 安全監(jiān)管學院,北京 東燕郊 065201)
我國大部分煤層地質條件多變,瓦斯賦存條件復雜,已成為全球煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)災害最嚴重的國家[1-4]。瓦斯災害防治是制約煤礦安全高效開采的重大技術難題,防突工作任務十分艱巨[5-6]。煤礦突出災害防治工作的開展,必須準確辨識待采掘區(qū)域的突出危險性,根據(jù)礦井實際情況進行突出危險性鑒定,確定為突出煤層后開展區(qū)域預測[7]。煤層瓦斯壓力測定結果是突出危險性鑒定和區(qū)域預測中必不可少的指標。
煤礦井下瓦斯壓力測定分為順層測壓和穿層測壓[8]?!睹旱V瓦斯等級鑒定辦法(2018)》[8]第三十八條要求,突出鑒定工作具備施工穿層鉆孔測定瓦斯壓力條件的,應當優(yōu)先選擇穿層鉆孔。相關研究[9]表明,采用穿層測壓鉆孔進行測壓無論從封孔的難易程度還是測壓效果均優(yōu)于順層測壓鉆孔。穿層鉆孔瓦斯壓力測定的準確性不僅與封孔效果有關,與鉆孔的開孔位置、傾角、方位、鉆孔長度等參數(shù)也具有密切關系[10]。因此,對穿層測壓鉆孔施工參數(shù)進行研究有重要意義。
目前,國內部分專家學者對穿層測壓鉆孔施工參數(shù)開展了研究工作,趙訓[11]等人利用CAD進行鉆孔參數(shù)設計,給出了設計結果,未進行現(xiàn)場驗證,參數(shù)設計準確與否不能確定。石龍慶[10]等研究了待測煤層、測壓巷道、測壓鉆場不同相對位置關系,最終得出6種不同位置關系下,鉆孔施工參數(shù)計算公式。桑聰[12]等人以高抽巷測定待抽煤層的瓦斯壓力為原型,建立幾何模型,對考慮偽傾角情況下的下行穿層測壓鉆孔參數(shù)的計算方法進行研究,并推導出相應的計算公式。馬文偉[13]研究了以測壓鉆場、待測煤層的兩種不同相對空間關系,設計了穿層鉆孔施工參數(shù)運算幾何模型,給出上向和下向穿層測壓鉆孔施工參數(shù)的運算公式,并通過數(shù)學軟件取得了測壓鉆孔合理的參數(shù)范圍。上述研究成果對鉆孔參數(shù)設計有一定指導作用,但存在誤差大、模型多變且復雜、針對性弱、實用性差等問題。為此本文基于前人研究成果,以河南某礦高位巷和戊8煤層相對位置為基礎,研究穿層測壓鉆孔施工參數(shù),使用AutoCAD、Excel建立圖形轉換模型和幾何計算模型,并相互驗證,得出簡單、實用、精準的鉆孔施工參數(shù)設計方法。
某礦位于河南省平頂山煤田,限定開發(fā)丙組煤1、丙組煤2、丁組煤、戊組煤、庚組煤。該礦三水平首采工作面,共設計四條巷道:機巷、風巷、機巷高位巷、風巷高位巷。風巷高位巷沿戊8煤層頂板掘進,距離戊8煤層約15 m,方位與風巷相同,垂直中對中20 m,內錯布置,設計巷道斷面4.6×2.8 m。機巷高位巷沿戊8煤層頂板掘進,距離戊8煤層約15 m,方位與機巷一致,外錯布置,垂直中對中30 m,巷道斷面4.8×3.6 m。
工作面主采戊8煤層,開采范圍內煤層厚度基本穩(wěn)定,斷層構造影響較小,平均煤厚2 m,局部有薄煤現(xiàn)象,地面標高152~177 m,井下標高-740~-830 m,工程試驗位置如圖1所示。
圖1 鉆孔施工布置圖
由于該工作面所圈定的范圍已超過上次突出鑒定范圍,且埋深延伸超過50m,需再次進行煤層瓦斯參數(shù)測試以確定其突出危險性,且在高位巷具備施工穿層測壓鉆孔的條件。為提高施工效率,保障成孔率,基于現(xiàn)場資料對穿層測壓鉆孔施工參數(shù)設計方法進行研究。在機巷高位巷布置12個鉆孔,鉆孔布置如圖1所示。
兩個設計模型均以過終孔點和開孔點的鉛垂面為基礎。AutoCAD圖形轉換模型通過現(xiàn)場勘探資料模擬鉛垂面待測煤層的變化情況,根據(jù)所需的平面投影長度確定鉆孔終孔位置,最終得到鉆孔設計參數(shù)。幾何計算模型通過三維CAD模擬鉛垂面上開孔點、終孔點、下探見煤點之間構建的三角形,利用三角函數(shù)關系進行鉆孔設計參數(shù)計算。
高位巷的掘進期間需與煤層保持一定垂直距離,避免誤穿煤層,因此每掘進一段距離就會對位于高位巷下部的煤層進行探測,以指導高位巷掘進工作。利用高位巷下探煤層底板參數(shù),可以做出準確的等高線數(shù)據(jù)圖,得到如圖2(a)的基礎圖形。
圖2 煤層投影圖
基于圖2(a),找到待施工鉆孔的終孔位置a、開孔位置b,連接ab得到鉆孔的平面投影線;做鉆孔平面投影線兩端的延長線,延長線及鉆孔平面投影線與高位巷中心的交點為c,與相鄰五條煤層頂板等高線的交點分別為d、e、f、g、h。圖2(b)部分提前做有1、2、3、4、5共五條間距為10 m且與鉆孔平行的直線,過點a、b、c、d、e、f、g、h做八條與鉆孔平面投影線及延長線垂直,方向為圖2(b)的射線。
(1) 以d為起點的射線與直線5交點為d′,d′為-820 m煤層底板等高線定位點;
(2) 以e為起點的射線與直線4交點為e′,e′為-810 m煤層底板等高線定位點;
(3) 以f為起點的射線與直線3交點為f′,f′為-800 m煤層底板等高線定位點;
(4) 以g為起點的射線與直線2交點為g′,g′為-790 m煤層底板等高線定位點;
(5) 以h為起點的射線與直線1交點為h′,h′為-780 m煤層底板等高線定位點。
使用多段線命令pl連接d′、e′、f′、g′、h′,得到煤層底板點位線6,煤層底板定位線6是多段折線,使用pe命令選擇擬合功能f,將多段折線6變成平滑的曲線。
基于圖2(b)以f′點為中心在正交條件下沿順時針方向旋轉90°,將旋轉后的煤層底板點位線6按煤層柱狀圖所給參數(shù)進行復制并向上移動,得到圖3的基礎圖形。
(1) 過點a所做的射線與煤層底板定位線6的交點a′為鉆孔終孔點;
(2) 過點c所做的射線與煤層底板定位線6的交點c′為高位巷定位點;
(3) 高位巷定位點c′根據(jù)煤層柱狀圖所給間距h進行上向平移得到巷道底板中心定位點c′′,得到高位巷的準確位置;
(4) 由高位巷底板做垂直距離h1,得到開孔點b′,將開孔點b′與終孔點a′連接,即為鉆孔軌跡,得到鉆孔定位圖如圖3所示。
圖3中線段a′b′長為L,與等高線夾角為β,L為鉆孔長度,β為鉆孔傾角。
圖3 鉆孔定位圖
高位巷施工測壓鉆孔一般在巷道側幫或底板上開孔,終孔位置在煤層底板以下。鉆孔參數(shù)設計時,根據(jù)開孔點與終孔點的相對位置關系,可以轉化為簡單的直角三角形,進而利用勾股定理、正弦定理計算所需的鉆孔參數(shù)。根據(jù)高位巷和煤層的相對位置關系,在AutoCAD中建立了如圖4所示的三維模型。
圖4 鉆孔設計三維模型示意圖
圖4中開孔點為a,終孔點為b,連接ab即為鉆孔,L為穿層測壓鉆孔長度,θ為鉆孔傾角,θ與α互補。A為鉆孔平面投影長度,c為開孔點下部的煤層底板。
(1) 連接ac得到鉆孔開孔點至下部煤層底板的垂直距離h2;
(2) 過b點做ac的垂線,交ac與點d,cd的長度h1為煤層在鉆孔方向上的變化量,ad的長度H是鉆孔開孔點與終孔點的垂直距離為孔向垂高。
鉆孔孔向煤層傾角β(簡稱“孔向傾角”)指的是煤層沿鉆孔施工方向的實際傾角??紫騼A角與煤層傾角并不是完全一致。在煤層底板數(shù)據(jù)不夠詳細時,孔向傾角難以確定,只能粗略的估算。但在施工高位巷并對煤層底板進行詳細探測的前提下,可以準確找到需施工鉆孔的孔向傾角。根據(jù)現(xiàn)有的等高線數(shù)據(jù),繪制如圖5所示的孔向傾角示意圖。
圖5 鉆孔孔向煤層傾角示意圖
(1) 確定鉆孔開孔點a,終孔點b,連接ab即為鉆孔的平面投影;
(2) 將鉆孔平面投影兩端延長線與最近的三條煤層底板的高線相交,交點分別為c,d,e;
(3) 過基點a、b、c、d、e做垂直于右側f,g,h的直線,f、g、h為三條與鉆孔平行且間距為10 m的直線;
(4) 過c點的直線與f交于點c′;
(5) 過d點的直線與g交于點d′;
(6) 過e點的直線h交于點e′;
(7) 使用AutoCAD快捷命令連接c′、d′、e′,得到煤層底板模擬線1;
(8) 過a點的直線與煤層底板模擬線1交于點a′;
(9) 過b點的直線與煤層底板模擬線1交于點b′;
(10) 過b′做直線h的平行線2,平行線2與線段a′b′的夾角,即煤層的孔向傾角β。
由上述位置幾何關系可得:
L2=H2+A2
(1)
H=h2±h1
(2)
鉆孔逆煤層傾向取“-”,順煤層傾向取“+”。
(3)
聯(lián)立式(1)~(3)得:
(4)
式中,L為鉆孔長度。
θ=90°-α
(5)
式中,θ為鉆孔傾角。
(6)
聯(lián)立式(4)~(6)得:
(7)
本次鉆孔參數(shù)設計同時使用AutoCAD圖形轉換模型和幾何計算模型,將兩種模型設計結果進行對比。AutoCAD圖形轉換模型的鉆孔施工參數(shù)設計,根據(jù)現(xiàn)場所提供的煤層底板等高線資料按照2.1節(jié)中所述步驟轉換,即可得到相應的鉆孔參數(shù),轉換結果如表1所示。為提高幾何計算模型的現(xiàn)場應用,方便快捷的得到所需的鉆孔參數(shù)。通過Excel表格進行公式編輯,E2欄輸入鉆孔平面投影長度、G2欄輸入開孔點與煤層底板垂高、I2欄輸孔向傾角。
鉆孔逆煤層傾向施工時在Excel的B2欄輸入公式(8),D2欄輸入公式(9)如下:
(8)
(9)
鉆孔順煤層傾向施工時在Excel的B2欄輸入公式(10),C2欄輸入公式(11)如下:
(10)
(11)
幾何計算模型需要將相應的參數(shù)輸入提前編輯的Excel表格文件中,所得結果如表1所示。
表1 穿層測壓鉆孔設計參數(shù)結果表
為保障穿層測壓鉆孔的施工過程及結果符合煤層瓦斯壓力測定的相關要求,需按照以下施工要求進行施工:
(1) 鉆孔施工時應密切注意鉆進情況,確保鉆孔平直,本次測試的待測煤層不屬于特厚煤層,施工時鉆孔必須穿透煤層鉆至煤層底板;
(2) 必須根據(jù)設計人員給定鉆孔施工參數(shù)、開鉆地點,進行支鉆和固定鉆機。
現(xiàn)場鉆孔結果如表2所示。
表2 穿層測壓鉆孔現(xiàn)場施工結果表
續(xù)表
分別計算表1中圖形轉換模型與幾何計算模型的鉆孔長度、鉆孔傾角差值。將鉆孔長度、鉆孔傾角差值取絕對值進行圖形繪制,得到圖形轉換與幾何計算設計差值圖,如圖6所示。分別計算兩個模型鉆孔設計長度與實際鉆孔長度的絕對誤差和相對誤差。將計算結果的絕對值進行圖形繪制,得到圖7設計長度與實際長度絕對誤差圖、圖8設計長度與實際長度相對誤差圖。
圖6 圖形轉換與幾何計算設計差值圖
由圖6可知,圖形轉換模型與幾何計算模型長度差值的絕對值最大為0.24,傾角差值的絕對值最大為0.33°。兩個設計模型的設計長度和設計角度差值的絕對值均小于0.50,兩個模型互相驗證有效,設計結果準確。兩個設計模型的設計長度和設計角度差值變化趨勢基本一致,但是設計長度和設計角度差值與鉆孔長度沒有明顯的相關性。
圖7 設計長度與實際長度絕對誤差圖
由圖7可知,鉆孔實際長度與圖形轉換模型設計長度絕對誤差的絕對值最大值為5.7 m,鉆孔實際長度與幾何計算模型設計長度絕對誤差的絕對值最大值為5.9 m,最大誤差絕對值小于 6.0 m。兩個模型的設計誤差絕對值變化趨勢一致,設計誤差值隨鉆孔實際長度的增加而增加。
圖8 設計長度與實際長度相對誤差圖
由圖8可知,鉆孔實際長度與圖形轉換模型設計長度相對誤差的最大值為7.3%,鉆孔實際長度與幾何計算模型設計長度相對誤差的最大值為7.5%,最大誤差小于8.0%。兩個模型的相對誤差變化趨勢一致,設計誤差與鉆孔實際長度成正相關隨鉆孔實際長度的增加而增加。
(1) 通過對比兩個模型得出的設計參數(shù),得出AutoCAD圖形轉換模型與幾何計算模型設計結果基本一致,鉆孔長度設計最大差值0.24 m,小于0.50 m,鉆孔傾角設計最大差值0.33°,小于0.50°。
(2) 通過對比現(xiàn)場施工結果與兩個模型得出的設計參數(shù),得出AutoCAD圖形轉換模型和Excel幾何計算模型設計結果的最大絕對誤差小于6.0 m,最大相對誤差小于8.0%,誤差很小能夠做到鉆孔參數(shù)精準設計。