CN106320978A - 基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，属于煤矿井下坑道钻探领域。该方法利用煤矿企业大量施工的井下定向孔的探查顶板、探查底板数据，结合井下定向孔描述采用的相对坐标系与煤矿采掘工程平面图采用的高程系统和矿井平面坐标系转换，计算出钻孔延伸方向上的煤层底界线高程，得到等倍高程点的高程值和矿井平面坐标值，然后依次连线绘制出实际煤层等高线。该方法解决了当前采用前期地面勘探孔施工资料和地面物探探查结果绘制的煤层等高线存在的误差偏大的问题，实现了煤层等高线的准确绘制和实时修正，为煤矿采掘工程设计与施工、隐蔽地质异常体探查等提供精确参考，确保煤层安全高效开采。

Description

基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法

技术领域

本发明涉及一种等高线绘制方法，属于煤矿井下坑道钻探领域，具体涉及一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法。

背景技术

采掘工程平面图是将开采煤层或其分层内的采掘工程和地质情况，采用高程投影的原理，按一定比例尺绘制而成的图纸。采掘工程平面图是矿井生产施工的重要参考依据，可根据其中的煤层等高线获得煤层起伏情况，进行采掘工程和钻孔布置，并辅助探查探查隐蔽致灾地质异常体，确保安全施工，作用重大。

但是我国煤层采掘工作以井工开采为主，采掘空间一般位于地面以下300～800m，煤层起伏情况无法直观观察到，目前主要在矿井建设投产之前，利用前期地面勘探孔施工资料，结合地面物探探查结果绘制煤层等高线，矿井投产后，未对采掘工程平面图煤层等高线进行修正或重新绘制。由于地面勘探孔探查间距大、地面物探探查精度低，因此煤矿采掘工程平面图煤层等高线与实际偏差较大，不能反映出真实的煤层起伏情况，为煤层高效开采和安全防护带来极大危害。

为满足矿井安全采煤需要，在采掘工程进行之前，会提前施工大量井下定向孔进行超前煤层瓦斯抽采，其钻孔密度和覆盖面积大，并钻孔实钻轨迹容易获得。但井下定向孔均采用相对坐标系描述，与采掘平面图采用的高程系统和矿井平面坐标系不同。

因此，本发明结合煤层采掘过程中提前掌握煤层起伏情况需要，针对目前煤矿采掘工程平面图煤层等高线误差偏大的不足，研究设计了一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，克服了上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对目前煤矿采掘工程平面图煤层等高线误差偏大的不足，提供了一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法。该方法利用井下定向孔的探查顶板、探查底板数据，结合井下定向孔描述采用的相对坐标系与煤矿采掘工程平面图采用的高程系统和矿井平面坐标系转换，计算出钻孔延伸方向上的煤层底界线高程，得到等倍高程点的高程值和矿井平面坐标值，然后依次连线绘制出实际煤层等高线。解决了当前采用前期地面勘探孔施工资料和地面物探探查结果绘制的煤层等高线存在的误差偏大的问题，实现了煤层等高线的准确绘制和实时修正，为煤矿采掘工程设计与施工、隐蔽地质异常体探查等提供精确参考，确保煤层安全高效开采。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，包括：

以井下定向孔的开孔点为坐标原点，建立井下定向孔相对坐标系，计算出井下定向孔不同孔深处的相对坐标值；将井下定向孔不同孔深处的相对坐标值的上下位移转换为矿井高程系统中的高程值；

计算出井下定向孔见底点的高程，建立水平位移与高程的平面坐标系，采用内插法获得底界线高程折线方程；

选择合适等高距，计算等倍高程点的水平位移；根据井下定向孔水平位移得到对应点处的左右位移，并将等倍高程点的相对坐标值转换为矿井平面坐标值；

获得所有井下定向孔延伸方向上的等倍高程点高程值和矿井平面坐标值，将等倍高程点绘制在煤矿采掘工程平面图中并绘制煤层等高线。

优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，所述井下定向孔相对坐标系基于以下公式建立：

$X_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×cos(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×sin(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Z_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)$

式中，X_n为水平位移；Y_n为左右位移；Z_n为上下位移；λ为钻孔主设计方位角，是钻孔主设计方位线与磁北方向的夹角；△L_i为测量间距。优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，

基于以下公式进行井下定向孔相对坐标系和矿井平面坐标系及高程系统的转换：

E_n＝E₀+Y_n×cos(λ+β)+X_n×sin(λ+β)

N_n＝N₀+X_n×cos(λ+β)-Y_n×sin(λ+β)

D_n＝D₀+Z_n

式中：E_n为东偏值；N_n为北偏值；D_n为高程；E₀为开孔点东偏值；N₀为开孔点北偏值；D₀为开孔点高程；X_n为水平位移；Y_n为左右位移；Z_n为上下位移；λ为钻孔主设计方位角；β为磁偏角。优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，基于下式建立底界线高程折线方程：

$D_a=D_m-\frac{X_m-X_a}{X_m-X_{m-1}}$

式中：D_a为第m段底界线折线上任意水平位移的高程，D_m为第m段底界线折线终点的高程；X_m为第m段底界线折线终点的水平位移；X_m-1为第m段底界线折线起点的水平位移；X_a为第m段底界线折线上任意一点的水平位移。

优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，等倍高程点的水平位移基于底界线高程折线方程和/或作图法获得；其中，作图法包括：在水平位移与高程的平面坐标系中，连接相同的等倍高程点形成等倍高程线，等倍高程线与底界线的交点即为等倍高程点，从图中直接量出等倍高程点的横坐标，即为等倍高程点的水平位移。

优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，近水平井下定向孔钻进过程中，每隔60-100m施工上向分支探查顶界线，以确保井下定向孔沿煤层延伸；并且每钻进3-6m进行一次钻孔轨迹参数测量，获得井下定向孔对应孔深处的倾角和方位角。

优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，以井下定向孔开孔点为坐标原点，钻孔主设计方位线延伸方向为X轴正方向，水平顺时针旋转90°为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，建立井下定向孔相对坐标系；利用测量间隔、倾角和方位角等参数，采用已知的均角全距法计算出不同孔深处的相对坐标值，即水平位移、左右位移和上下位移。

优化的，上述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，所述等高线绘制步骤中：采用圆滑曲线依次连接高程相同的相邻等倍高程点，形成煤层等高线；将井下定向孔覆盖区域内的等高线与未知区域的原有等高线连接；在等高线上或一侧标注上高程值，完成等高线绘制。

因此，本发明利用煤矿企业大量施工的井下定向孔的探查顶板、探查底板数据，结合井下定向孔描述采用的相对坐标系与煤矿采掘工程平面图采用的矿井平面坐标系和高程系统转换，计算出钻孔延伸方向上的煤层底界线高程，得到等倍高程点的高程值和矿井平面坐标值，然后依次连线绘制出实际煤层等高线。该方法解决了当前采用前期地面勘探孔施工资料和地面物探探查结果绘制的煤层等高线存在的误差偏大的问题，实现了煤层等高线的准确绘制和实时修正，为煤矿采掘工程设计与施工、隐蔽地质异常体探查等提供精确参考，确保煤层安全高效开采。

附图说明

附图1是建立的水平位移与高程的平面坐标系及等倍高程点绘图法计算示例；

附图2是本发明的一种工作流程图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

图中，井下定向孔1、煤层2、顶板3、底板4、顶界线5、底界线6、开孔点7、见顶点8、见底点9、等倍高程点10、等倍高程线11、等高线12、覆盖区域13、未知区域14。

实施例：

参见图1，一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，包括以下步骤：

步骤一：井下定向孔1施工与轨迹参数测量。在煤矿采掘空间内施工近水平井下定向孔1，钻进过程中，每隔60～100m施工上向分支探查顶界线5，确保井下定向孔1沿煤层2延伸。同时，每钻进3～6m利用随钻测量量装置进行一次钻孔轨迹参数测量，获得井下定向孔1对应孔深处的倾角和方位角，孔深通过钻杆累加得到。

步骤二：钻孔相对坐标值计算。以井下定向孔1开孔点7为坐标原点，钻孔主设计方位线延伸方向为X轴正方向，水平顺时针旋转90°为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，建立井下定向孔1相对坐标系；利用测量间隔、倾角和方位角等参数，采用已知的均角全距法计算出不同孔深处的相对坐标值，即水平位移、左右位移和上下位移。

步骤三：上下位移与高程转换。从采掘工程平面图中上获得开孔点7矿井平面坐标值和高程值，即东偏值E0、北偏值N0和高程D0；利用井下定向孔1相对坐标系和高程系统转换公式，将井下定向孔1不同孔深的相对坐标值上下位移转换为高程值。

步骤四：底界线6高程折线方程。根据同一孔深时见底点9高程等于见顶点8高程减去煤层2厚度，计算出井下定向孔1见底点9的高程；以水平位移为X轴，高程为Y轴，建立水平位移与高程的平面坐标系，采用直线依次连接井下定向孔1的见底点9，形成多条折线；采用内插法获得折线上任意水平位移的高程计算公式，即底界线6高程折线方程：

$D_a=D_m-\frac{X_m-X_a}{X_m-X_{m-1}}$

式中：Da为第m段底界线6折线上任意水平位移的高程，Dm为第m段底界线6折线终点的高程；Xm为第m段底界线6折线终点的水平位移；Xm-1为第m段底界线6折线起点的水平位移；Xa为第m段底界线6折线上任意一点的水平位移。

步骤五：等倍高程点10计算。参见图2，根据绘图精细度需要，选择合适等高距；利用底界线6高程折线方程计算出等倍高程点10的水平位移；此外可以采用作图法进行等倍高程点10计算，即在水平位移与高程的平面坐标系中，连接相同的等倍高程点10，形成等倍高程线11，等倍高程线11与底界线6的交点即为等倍高程点10，从图中可直接量出该点的横坐标，即为等倍高程点10的水平位移。根据井下定向孔1水平位移得到对应点处的左右位移。

步骤六：等倍高程点10坐标转换。利用井下定向孔1相对坐标系和矿井平面坐标系转换公式，将等倍高程点10的相对坐标值，即水平位移和左右位移，转换为矿井平面坐标值，即东偏值和北偏值。

步骤七：重复步骤1～6，进行多个井下定向孔1施工，并获得井下定向孔1延伸方向上的等倍高程点10高程值和矿井平面坐标值。

步骤八：等倍高程点上图。将所有井下定向孔1的等倍高程点10绘制在煤矿采掘工程平面图中。

步骤九：等高线12绘制。采用圆滑曲线依次连接高程相同的相邻等倍高程点10，形成煤层2等高线12；将井下定向孔1覆盖区域13内的等高线12与未知区域14的原有等高线12连接；在等高线12上或一侧标注上高程值，完成等高线12绘制。

其中：开孔点7是指井下定向孔1的起点；底界线6是指煤层2与其下部底板4的交界线；顶界线5是指煤层2与其上部顶板3的交界线；见底点9是指井下定向孔1与底界线6的交点；见顶点8是指井下定向孔1与顶界线5的交点；等高距是指相邻两根等高线12的高程差值；等倍高程点10是指井下定向孔1轨迹延伸方向上高程为等高距整数倍的点。

其中，井下定向孔1相对坐标值由水平位移、左右位移和上下位移组成，采用均角全距法进行计算的公式为：

$X_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×cos(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×sin(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Z_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)$

式中：Xn为水平位移；Yn为左右位移；Zn为上下位移；λ为钻孔主设计方位角，是钻孔主设计方位线与磁北方向的夹角；△Li为测量间距，3～6m。

其中，井下定向孔1矿井平面坐标值包括东偏值和北偏值两个参数，相对坐标系和矿井平面坐标系及高程系统的转换公式为：

E_n＝E₀+Y_n×cos(λ+β)+X_n×sin(λ+β)

N_n＝N₀+X_n×cos(λ+β)-Y_n×sin(λ+β)

D_n＝D₀+Z_n

式中：En为东偏值；Nn为北偏值；Dn为高程；E0为开孔点7东偏值；N0为开孔点7北偏值；D0为开孔点7高程；Xn为水平位移；Yn为左右位移；Zn为上下位移；λ为钻孔主设计方位角；β为磁偏角。

尽管本文较多地使用了井下定向孔1、煤层2、顶板3、底板4、顶界线5、底界线6、开孔点7、见顶点8、见底点9、等倍高程点10、等倍高程线11、等高线12、覆盖区域13、未知区域14等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，包括：

以井下定向孔的开孔点为坐标原点，建立井下定向孔相对坐标系，计算出井下定向孔不同孔深处的相对坐标值；将井下定向孔不同孔深处的相对坐标值的上下位移转换为矿井高程系统中的高程值；

计算出井下定向孔见底点的高程，建立水平位移与高程的平面坐标系，采用内插法获得底界线高程折线方程；

选择合适等高距，计算等倍高程点的水平位移；根据井下定向孔水平位移得到对应点处的左右位移，并将等倍高程点的相对坐标值转换为矿井平面坐标值；

获得所有井下定向孔延伸方向上的等倍高程点高程值和矿井平面坐标值，将等倍高程点绘制在煤矿采掘工程平面图中并绘制煤层等高线。

2.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，所述井下定向孔相对坐标系基于以下公式建立：

$X_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×cos(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×sin(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Z_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)$

式中，X_n为水平位移；Y_n为左右位移；Z_n为上下位移；λ为钻孔主设计方位角，是钻孔主设计方位线与磁北方向的夹角；△L_i为测量间距。

3.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，

基于以下公式进行井下定向孔相对坐标系和矿井平面坐标系及高程系统的转换：

E_n＝E₀+Y_n×cos(λ+β)+X_n×sin(λ+β)

N_n＝N₀+X_n×cos(λ+β)-Y_n×sin(λ+β)

D_n＝D₀+Z_n

式中：E_n为东偏值；N_n为北偏值；D_n为高程；E₀为开孔点东偏值；N₀为开孔点北偏值；D₀为开孔点高程；X_n为水平位移；Y_n为左右位移；Z_n为上下位移；λ为钻孔主设计方位角；β为磁偏角。

4.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，基于下式建立底界线高程折线方程：

$D_a=D_m-\frac{X_m-X_a}{X_m-X_{m-1}}$

式中：D_a为第m段底界线折线上任意水平位移的高程，D_m为第m段底界线折线终点的高程；X_m为第m段底界线折线终点的水平位移；X_m-1为第m段底界线折线起点的水平位移；X_a为第m段底界线折线上任意一点的水平位移。

5.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，等倍高程点的水平位移基于底界线高程折线方程和/或作图法获得；其中，作图法包括：在水平位移与高程的平面坐标系中，连接相同的等倍高程点形成等倍高程线，等倍高程线与底界线的交点即为等倍高程点，从图中直接量出等倍高程点的横坐标，即为等倍高程点的水平位移。

6.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，近水平井下定向孔钻进过程中，每隔60-100m施工上向分支探查顶界线，以确保井下定向孔沿煤层延伸；并且每钻进3-6m进行一次钻孔轨迹参数测量，获得井下定向孔对应孔深处的倾角和方位角。

7.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，以井下定向孔开孔点为坐标原点，钻孔主设计方位线延伸方向为X轴正方向，水平顺时针旋转90°为Y轴正方向，竖直向上为Z轴正方向，建立井下定向孔相对坐标系；利用测量间隔、倾角和方位角等参数，采用已知的均角全距法计算出不同孔深处的相对坐标值，即水平位移、左右位移和上下位移。

8.根据权利要求1所述的一种基于井下定向孔的煤层等高线绘制方法，其特征在于，所述等高线绘制步骤中：采用圆滑曲线依次连接高程相同的相邻等倍高程点，形成煤层等高线；将井下定向孔覆盖区域内的等高线与未知区域的原有等高线连接；在等高线上或一侧标注上高程值，完成等高线绘制。