CN112489162B - 一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，属于煤矿开采技术领域，包括以下步骤：采集统计探煤钻孔群的施工数据信息并整理成为钻孔施工电子台账；利用三角函数计算钻孔的煤层顶/底板的层位数据并存储；将求得的钻孔层位数据辅以巷道层位标高进行修正；利用“拉格朗日插值法”将修正完成的层位标高进行网格细化；将细化后的数据导入数据库进行大数据筛选整理；在Excel工作面上选定单元格建立空白剖面图模板；导入层位数据坐标自动绘制成煤层巷道剖面图和回采区域煤层纵横切片图进行展示。本发明通过对现场施工数据进行实时统计收集，并借助Excel生成可直观展示的实时剖面图，为煤巷的掘进走向及设计提供了精准的数据支撑。

Description

一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法

技术领域

本发明涉及一种煤层钻孔剖面图绘制方法，具体涉及一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，属于煤矿开采技术领域。

背景技术

穿层钻孔作为最为有效的区域防突措施，在矿井的安全生产中占有重要位置，且其也是矿井最为重要也最为庞大的“物探”资源，但其“物探数据价值”却并未得到有效的开发利用，尤其在指导工作面煤巷掘进和工作面回采期间，未能发挥为矿井提供精准地质预报的功效。

当前我国矿井在对采掘工作面进行地质预报数据时，多数倾向于数量有限的且覆盖范围较小的“超前探”和“瞬变电磁”等技术手段，该种技术手段因为数据量小无法相互修正、易受水文或电磁干扰失真等原因，无法做到工作面采掘期间的大范围精准地质预报，故而就需要一种方法能够有效对底板巷穿层区域瓦斯治理钻孔施工情况进行统计分析，并实时展现“煤层巷道剖面图”及“回采区域煤层纵横切片图”等数据资料，为矿井安全生产提供精准的数据支撑。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中对采掘工作面进行地质预报时采用的“超前探”和“瞬变电磁”等技术手段存在的覆盖范围小、数据无法修正、易受外界条件干扰、数据失真误差大等问题；提供一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，通过对现场钻孔施工电子台账进行统计收集，并以大数据形式进行存储分析，能够充分利用现有资料(可避免重新施工钻孔，降低矿井钻探工程量)来最大程度的还原现场工作面煤层分布三维层位图，降低了因为钻探而存在的覆盖范围小、数据无法修正问题，并杜绝了瞬变电磁因受水文或是电磁干扰等而造成的数据失真误差大等问题，实现煤层巷道剖面图及回采区域煤层纵横切片图实时展示功能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，包括以下步骤：

准备工作：在底板岩巷掘进期间，对探煤钻孔群的施工数据信息进行采集统计，基于Excel工作面建立数据库，将钻孔的施工数据进行汇总标定并整理成为钻孔施工电子台账。

钻孔施工的数据信息包括开孔位置、钻孔方位角、仰偏角、见煤长度、见顶长度以及终孔长度、施工异常点位置；基于Excel工作面将煤层顶板和煤层底板的数据进行分类存储，并将煤层倾角、钻孔施工仰角、偏角(默认为0)、见煤长度、见顶长度、终孔孔深、底板巷层位标高和钻孔开孔位置的相应数据采用字母命名的方式进行标定，以方便后期调用。

操作步骤：

S1、对钻孔施工电子台账进行数据汇总分析，并利用三角函数中的正弦sin函数和余弦cos函数计算钻孔覆盖区域范围内不同位置处钻孔的煤层顶板和底板的层位数据，包括钻孔的相对标高和相对水平位置，并将计算结果进行数据存储。

S2、根据数据库的存储信息，对S1中求得的钻孔煤层顶/底板的层位数据辅以巷道层位标高进行修正，待不同位置的层位数据修正计算完毕后，将修正结果进行数据存储。

S3、利用“拉格朗日插值法”将修正完成的钻孔煤层顶/底板标高进行网格细化，首先借助匹配函数找出纵向、横向位置最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，然后采用一阶求导方式对要计算的中心位置的层位标高进行双向差值并修正，进而精准求得细化后的层位数据。

S4、将求得的细化层位数据导入数据库进行大数据筛选整理，筛选出S1中求得的每个钻孔的煤层顶/底板的层位数据坐标，以及S3中求得的中心位置的层位数据坐标，并将这些层位数据坐标进行存储。

S5、在Excel工作面上选定单元格，并制定绘图数据引用区域，根据单元格内的数据依据所要绘制的内容提前建成一个空白剖面图模板。

S6、将S4中筛选整理出的层位数据坐标导入Excel图中选定的单元格内，根据更新的Excel表格制定单元格内数据，自动绘制成煤层巷道剖面图和回采区域煤层纵横切片图进行展示。

所述操作步骤S1中钻孔位置的煤层顶板和底板的层位数据计算公式为：

顶板的相对标高和相对水平位置：

H_相顶＝L_见顶×sin A+h，X_相顶＝L_见顶×cos A+x

底板的相对标高和相对水平位置：

H_相底＝L_见煤×sin A+h，X_相底＝L_见煤×cos A+x

其中H_相顶为顶板相对标高，H_相底为底板相对标高，X_相顶为顶板相对水平位置，X_相底为底板相对水平距离，A为钻孔施工仰角，L_见顶为钻孔见顶深度，L_见煤为钻孔见煤深度，h为开孔位置距离底板巷的底板高度，x为开孔位置距离底板巷的底板水平距离。

所述操作步骤S2中巷道层位标高修正公式为：

H_绝顶＝H_相顶+h_标，H_绝底＝H_相底+h_标

其中H_绝顶代表顶板绝对标高，H_绝底代表底板绝对标高，H_相顶代表顶板相对标高，H_相顶代表底板相对标高，h_标代表底板岩巷地面的水平标高。

所述操作步骤S3中匹配函数为Excel中的MATCH(函数)，通过指定匹配区域，自动筛选出最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，并将其指代给中心位置(指定需要计算的位置)的纵向、横向数据，然后利用四个方位钻孔的层位数据通过拉格朗日插值法来计算中心位置的层位数据；

双向差值修正公式为：

H_o＝0.5×[H_a+(H_a-H_b)/(X_a-X_b)]+0.5×[H_c+(H_c-H_d)/(X_c-X_d)]，

O为需要计算数据的中心位置，Xo为所指定中心位置的水平位置(已知变量，由使用人员根据需要自行确定)，Ho为需要计算的标高数值，Ha、Hb、Hc、Hd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对标高，Xa、Xb、Xc、Xd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对水平位置。

所述操作步骤S6中要绘制某一列钻孔剖面图或某一位置剖面图，则在制定单元格内输入钻孔所在的组号，或相对水平位置Xa的数值，空白剖面图模板所调用的数字自动匹配进入Excel图选定区域，进而生成所需求的煤层巷道剖面图或回采区域煤层纵横切片图。

调用同一列钻孔的煤层顶/底板数据生成巷道剖面图，回采区域煤层纵横切片图的纵切片图，则调用同一列钻孔进行绘制，绘制横切片图则调用所计算出的水平位置相一致或相近的数字进行绘制的Excel图。

本发明的有益效果是：1)本发明通过对现场施工数据进行实时统计收集，并借助Excel快速生成可直观展示的实时剖面图，提供精准度高、覆盖范围广、能够相互修正的煤层巷道剖面图及回采区域煤层纵横切片图等地质资料，为煤巷的掘进走向及设计提供了精准的数据支撑。

2)本发明结合Excel工作面对大量数据进行计算并修正，降低了因为钻探而存在的覆盖范围小、数据无修正问题，极大的提高了钻孔参数设计和纠正效率，确保了钻孔施工的精准性，为企业安全施工工作提供了基础保障；同时还可广泛应用于同一类型(向上穿层钻孔)钻孔的参数自动修正与计算，为穿层钻孔设计自动化提供了技术支撑。

3)本发明可以根据现场施工首个钻孔的见煤、穿煤情况，瞬时求得并修正其余钻孔的参数，杜绝了瞬变电磁因受水文或是电磁干扰等而造成的数据失真误差大等问题，极大的降低了人工测算、计算的工程量，并确保了钻孔设计的精准性和高效性。

附图说明

图1为本发明的算法流程图；

图2为本发明基于Excel表格的钻孔施工数据；

图3为本发明生成的煤巷横剖图；

图4为本发明生成的回采工作面纵剖面图。

图中，图2为基于Excel数据库的数据信息；图4中1#-12#为合格钻孔，补14#、补15#、B-1#、B-0#为不合格需补钻孔，其中10#-11#处的矩形代表煤巷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。

实施例：如图1-4所示，本发明所述的一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，包括以下步骤：

准备工作：在底板岩巷掘进期间，对探煤钻孔群的施工数据信息进行采集统计，基于Excel工作面建立数据库，将钻孔的施工数据进行汇总标定并整理成为钻孔施工电子台账。

钻孔施工的数据信息包括开孔位置、钻孔方位角、仰偏角、见煤长度、见顶长度以及终孔长度、施工异常点位置；基于Excel工作面将煤层顶板和煤层底板的数据进行分类存储，并将煤层倾角、钻孔施工仰角、偏角(默认为0)、见煤长度、见顶长度、终孔孔深、底板巷层位标高和钻孔开孔位置的相应数据采用字母命名的方式进行标定，以方便后期调用。

操作步骤：

S0、经核算现场钻孔施工电子台账与实际钻孔施工情况一致，未经人为修改或调整；存在“小地质单元”(单元精度为1m×1m)，在该小地质单元内煤层顶/底板起伏变化幅度不大，可近似看做一个连续的无变化的单元能够满足起伏褶曲等构造，对于断层等构造单元内的“煤层顶底板赋存变化情况”需要通过“见止煤评价/煤层赋存变化状态”进行详细计算、标定。

S1、对钻孔施工电子台账进行数据汇总分析，并利用三角函数中的正弦sin函数和余弦cos函数计算钻孔覆盖区域范围内不同位置处钻孔的煤层顶板和底板的层位数据，包括钻孔的相对标高和相对水平位置，并将计算结果进行数据存储。

钻孔位置的煤层顶板和底板的层位数据计算公式为：

顶板的相对标高和相对水平位置：

H_相顶＝L_见顶×sinA+h，X_相顶＝L_见顶×cos A+x

底板的相对标高和相对水平位置：

H_相底＝L_见煤×sin A+h，X_相底＝L_见煤×cos A+x

其中H_相顶为顶板相对标高，H_相底为底板相对标高，X_相顶为顶板相对水平位置，X_相底为底板相对水平距离，A为钻孔施工仰角，L_见顶为钻孔见顶深度，L_见煤为钻孔见煤深度，h为开孔位置距离底板巷的底板高度，x为开孔位置距离底板巷的底板水平距离。

S2、根据数据库的存储信息，对S1中求得的钻孔煤层顶/底板的层位数据辅以巷道层位标高进行修正，待不同位置的层位数据修正计算完毕后，将修正结果进行数据存储。

巷道层位标高修正公式为：

H_绝顶＝H_相顶+h_标，H_绝底＝H_相底+h_标

其中H_绝顶代表顶板绝对标高，H_绝底代表底板绝对标高，H_相顶代表顶板相对标高，H_相顶代表底板相对标高，h_标代表底板岩巷地面的水平标高。

S3、利用“拉格朗日插值法”将修正完成的钻孔煤层顶/底板标高进行网格细化，首先借助匹配函数找出纵向、横向位置最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，然后采用一阶求导方式对要计算的中心位置的层位标高进行双向差值并修正，进而精准求得细化后的层位数据。

匹配函数为Excel中的MATCH(函数)，通过指定匹配区域，自动筛选出最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，并将其指代给中心位置(指定需要计算的位置)的纵向、横向数据，然后利用四个方位钻孔的层位数据通过拉格朗日插值法来计算中心位置的层位数据。

双向差值修正公式为：

H_o＝0.5×[H_a+(H_a-H_b)/(X_a-X_b)]+0.5×[H_c+(H_c-H_d)/(X_c-X_d)]，

O为需要计算数据的中心位置，Xo为所指定中心位置的水平位置(已知变量，由使用人员根据需要自行确定)，Ho为需要计算的标高数值，Ha、Hb、Hc、Hd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对标高，Xa、Xb、Xc、Xd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对水平位置。

“拉格朗日插值法”精细化基于小地质单元范围煤层顶/底板起伏幅度不大，且大范围内的煤层顶/底板起伏变动为连续的。

S4、将求得的细化层位数据导入数据库进行大数据筛选整理，筛选出S1中求得的每个钻孔的煤层顶/底板的层位数据坐标，以及S3中求得的中心位置的层位数据坐标，并将这些层位数据坐标进行存储。

S5、在Excel工作面上选定单元格，并制定绘图数据引用区域，根据单元格内的数据依据所要绘制的内容提前建成一个空白剖面图模板。

S6、将S4中筛选整理出的层位数据坐标导入Excel图中选定的单元格内，根据更新的Excel表格制定单元格内数据，自动绘制成煤层巷道剖面图和回采区域煤层纵横切片图进行展示。

空白剖面图模板包括用折线和曲线绘制的模板图，曲线主要为底板岩巷上部的半拱形为曲线，其他都是折线，涵盖了钻孔施工轨迹、煤层顶板、煤层底板、煤巷轮廓线、底板岩巷轮廓线。

Excel中见煤、见岩、顶板巷道轮廓线和底板巷道轮廓线分别用不同粗度和颜色的线型表示。

调用同一列钻孔的煤层顶/底板数据生成巷道剖面图，回采区域煤层纵横切片图的纵切片图，则调用同一列钻孔进行绘制，绘制横切片图则调用所计算出的水平位置相一致或相近的数字进行绘制的Excel图。

要绘制某一列钻孔剖面图或某一位置剖面图，则在制定单元格内输入钻孔所在的组号，或相对水平位置Xa的数值，空白剖面图模板所调用的数字自动匹配进入Excel图选定区域，进而生成所需求的煤层巷道剖面图或回采区域煤层纵横切片图。煤层巷道剖面图或回采区域煤层纵横切片图中包含煤层顶板起伏走向线条、煤层底板起伏走向线条、煤巷剖面相对位置标示、煤巷对应底板岩巷顶板起伏走向线条、煤巷对应底板岩巷低板起伏走向线条以及煤巷对应底板岩巷轮廓线等内容。

图4中的钻孔轨迹：岩段蓝色、煤段黑色为直线段，又称折线，煤层顶板(顶板将顶板相对层位标高数据相连)和底板(底板将底板相对层位标高数据相连)连线也是折线。

穿层钻孔一钻孔一个参数，钻孔孔号自第一个施工的钻孔起依次填写，每施工一个钻孔，即分析该钻孔施工存在问题，立即对下一个钻孔设计进行修正。钻孔见煤较设计晚见、止煤的均需立即分析、对余下所有钻孔设计进行修正，未修正孔间距即可能超出抽采半径，出现空白带。对于见止煤小于设计时，存在钻孔间距过小，整排钻孔施工完毕后，掩护范围不足，需补孔；对于相邻两钻孔煤层变化较大时亦可能在修正后孔间距超的状况，需再次进行如上修正或补孔。

钻孔整体施工完毕后，需绘制剖面图检查钻孔整体掩护是否到位。钻孔抽采分析测定钻孔封孔连抽后两个月的抽采浓度数据，查看钻孔封孔状况，同时根据流量、负压变化对整体封孔抽采进行评价。钻孔施工数据表格每天及时填写并更新，每排钻孔施工完毕后完善施工部分内容，抽采数据后续持续根据测定情况人工填写。

本发明在复杂条件下(煤层赋存不稳定、煤厚变化剧烈，譬如鸡窝煤)，对穿层钻孔群进行实时数据采集，并依据采集的大数据进行煤岩顶/底板分析，将钻孔顶底板施工情况以“大数据”形式进行存储运算分析，并将其中标记为“煤层顶板”、“煤层底板”的大数据进行筛分整理，然后将其绘制成可直观展示煤巷和底板巷的实时剖面图，能够充分利用现有资料(可避免重新施工钻孔，降低矿井钻探工程量)来最大程度的还原现场工作面煤层分布三维层位图，降低了因为钻探而存在的覆盖范围小、数据无法修正问题，并杜绝了瞬变电磁因受水文或是电磁干扰等而造成的数据失真误差大等问题，实现煤层巷道剖面图及回采区域煤层纵横切片图实时展示功能，为煤巷的掘进走向及设计提供精准数据支撑。

本发明还可以根据现场施工首个钻孔的见煤、穿煤情况，瞬时求得并修正其余钻孔的参数，极大的降低了人工测算、计算的工程量，确保了钻孔设计的精准性和高效性；同时还可广泛应用于同一类型(向上穿层钻孔)钻孔的参数自动修正与计算，为穿层钻孔设计自动化提供了技术支撑，极大的提高了钻孔参数设计和纠正效率，确保了钻孔施工的精准性，为企业安全施工工作提供了基础保障。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，其特征在于：包括以下步骤：

准备工作：在底板岩巷掘进期间，对探煤钻孔群的施工数据信息进行采集统计，基于Excel工作面建立数据库，将钻孔的施工数据进行汇总标定并整理成为钻孔施工电子台账；

操作步骤：

S1、对钻孔施工电子台账进行数据汇总分析，并利用三角函数中的正弦sin函数和余弦cos函数计算钻孔覆盖区域范围内不同位置处钻孔的煤层顶板和底板的层位数据，包括钻孔的相对标高和相对水平位置，并将计算结果进行数据存储；

钻孔位置的煤层顶板和底板的层位数据计算公式为：

顶板的相对标高和相对水平位置：

H_相顶＝L_见顶×sinA+h，X_相顶＝L_见顶×cosA+x

底板的相对标高和相对水平位置：

H_相底＝L_见煤×sinA+h，X_相底＝L_见煤×cosA+x

其中H_相顶为顶板相对标高，H_相底为底板相对标高，X_相顶为顶板相对水平位置，X_相底为底板相对水平距离，A为钻孔施工仰角，L_见顶为钻孔见顶深度，L_见煤为钻孔见煤深度，h为开孔位置距离底板巷的底板高度，x为开孔位置距离底板巷的底板水平距离；

S2、根据数据库的存储信息，对S1中求得的钻孔煤层顶/底板的层位数据辅以巷道层位标高进行修正，待不同位置的层位数据修正计算完毕后，将修正结果进行数据存储；

巷道层位标高修正公式为：

H_绝顶＝H_相顶+h_标，H_绝底＝H_相底+h_标，

其中H_绝顶代表顶板绝对标高，H_绝底代表底板绝对标高，H_相顶代表顶板相对标高，H_相顶代表底板相对标高，h_标代表底板岩巷地面的水平标高；

S3、利用“拉格朗日插值法”将修正完成的钻孔煤层顶/底板标高进行网格细化，首先借助匹配函数找出纵向、横向位置最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，然后采用一阶求导方式对要计算的中心位置的层位标高进行双向差值并修正，进而精准求得细化后的层位数据；

匹配函数为Excel中的MATCH函数，通过指定匹配区域，自动筛选出最接近给定条件的四个方位钻孔的层位数据，并将其指代给中心位置的纵向、横向数据，然后利用四个方位钻孔的层位数据通过拉格朗日插值法来计算中心位置的层位数据；

双向差值修正公式为：

H_o＝0.5×[H_a+(H_a-H_b)/(X_a-X_b)]+0.5×[H_c+(H_c-H_d)/(X_c-X_d)]，

O为需要计算数据的中心位置，Xo为所指定中心位置的水平位置，Ho为需要计算的标高数值，Ha、Hb、Hc、Hd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对标高，Xa、Xb、Xc、Xd分别为匹配出来O点的四个方位上的已知相对水平位置；

S4、将求得的细化层位数据导入数据库进行大数据筛选整理，筛选出S1中求得的每个钻孔的煤层顶/底板的层位数据坐标，以及S3中求得的中心位置的层位数据坐标，并将这些层位数据坐标进行存储；

S5、在Excel工作面上选定单元格，并制定绘图数据引用区域，根据单元格内的数据依据所要绘制的内容提前建成一个空白剖面图模板；

S6、将S4中筛选整理出的层位数据坐标导入Excel图中选定的单元格内，根据更新的Excel表格制定单元格内数据，自动绘制成煤层巷道剖面图和回采区域煤层纵横切片图进行展示；

要绘制某一列钻孔剖面图或某一位置剖面图，则在制定单元格内输入钻孔所在的组号，或相对水平位置Xa的数值，空白剖面图模板所调用的数字自动匹配进入Excel图选定区域，进而生成所需求的煤层巷道剖面图或回采区域煤层纵横切片图。

2.根据权利要求1所述的一种大范围微单元煤层地质预报及剖面图绘制的方法，其特征在于：所述准备工作中钻孔施工的数据信息包括开孔位置、钻孔方位角、仰偏角、见煤长度、见顶长度以及终孔长度、施工异常点位置；基于Excel工作面将煤层顶板和煤层底板的数据进行分类存储，并将煤层倾角、钻孔施工仰角、偏角、见煤长度、见顶长度、终孔孔深、底板巷层位标高和钻孔开孔位置的相应数据采用字母命名的方式进行标定，以方便后期调用。

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