CN112906148A - 一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，所述计算方法包括：S1、预抽煤巷穿层钻孔的设计模型确定以及设计；S11、穿层钻孔设计：依据数据库、规则库、输出参数进行设计；S12、各钻场终孔点坐标；S13、各钻场开孔点坐标；S2、穿层钻孔设计模型确定以及设计；S21：穿层钻孔设计规则；S22：穿层钻孔计算。本发明基于动态三维瓦斯地质模型，建立瓦斯防治钻孔信息数据库、提出瓦斯防治无人化智能钻孔设计原则与方法，实现了三维瓦斯地质模型的自动建立与精准纠正、抽采单元的自动划分与更新、钻孔智能设计与动态调整、钻孔合理性评判以及智能补救。

Description

一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯抽采钻孔技术领域，特别涉及一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法。

背景技术

瓦斯防治钻孔的设计考虑多个方面的因素，一是煤岩层结构、倾角、构造等地质特征；二是煤层透气性、瓦斯含量等瓦斯赋存特征；三是煤巷、底板巷或顶板巷道布置方式；四是回采设计、采掘接替时空要求等相关的采掘计划；五是瓦斯治理过程中发现的局部不达标或钻孔不到位问题。

目前瓦斯防治钻孔的设计主要是技术人员依据以上因素进行人工设计，利用CAD等软件绘制钻孔布置图，其效率低、工作量大，对于复杂的抽采设计，则不能很好反映设计思想和清楚表达钻孔工程与岩层之间的相互关系。在进行抽采设计时，设计人员首先选用设计模版或者惯用的设计参数，而这种选择不一定是当前条件下的最优设计参数，甚至不符合煤矿井下复杂变化的赋存条件，导致产生空白带、不符合规程等不良后果。另外，人工设计必然带来一些问题，首先，钻孔设计时考虑的因素较多，人工设计不可避免会出现遗漏某种因素的问题，特别是面临构造等复杂地质条件时，人工设计难以很好的把握构造影响范围，尤其是三维尺度的影响范围；其次，实际煤层的赋存状态不是均一的，三维尺度上煤层的赋存状态更为复杂，人工设计时普遍忽略煤层三维尺度的变化，这就导致钻孔施工的轨迹出现与设计轨迹不一致的现象；再次，钻孔施工过程受到煤岩层物理性质差异的影响，也会受到钻机钻杆本身性能方面的影响，钻孔实际轨迹会出现偏移现象，而目前人工钻孔施工还无法实现钻孔轨迹的自动修正，也无法回馈钻孔轨迹参数。这就需要根据前期施工钻孔的实际抽采特征进行智能分析或诊断，及时修正钻孔设计或进行补救钻孔设计等工作。

这些问题的出现，不是技术人员的专业技术能力的问题，更多是现有技术水平的限制而导致的。特别是考虑众多因素约束条件时的钻孔合理设计、前期施工的钻孔群瓦斯抽采数据的智能分析、钻孔实际轨迹的三维成像及合理性评判等，均需要极大的工作量，而人工智能则成为最可能的解决办法。但是，目前还没有智能钻孔设计的先例，特别是针对含有瓦斯气体的复杂煤层环境。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提出一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，通过数据库、规则库以及输出参数确定设计模型，实现三维瓦斯地质模型的自动建立与精准纠正、抽采单元的自动划分与更新、钻孔智能设计与动态调整、钻孔合理性评判与智能补救等。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，所述计算方法包括：

S1、预抽煤巷穿层钻孔的设计模型确定以及设计；

S11、穿层钻孔设计：

依据数据库、规则库、输出参数进行设计；

具体计算方法见实施例；

S12、各钻场终孔点坐标，具体计算方法见实施例：

S13、各钻场开孔点坐标，具体计算方法见实施例。

进一步的，所述计算方法还包括：

S2、穿层钻孔设计模型确定以及设计：

S21：穿层钻孔设计规则

(1)所有设计的钻孔孔长需要≤钻机的实际施工能力，以钻机最大的施工能力作为单条底板巷的控制范围；

(2)三条底板巷设计的钻孔，均按照最大的控制范围设计，当存在部分钻孔设计重叠，此时需要钻孔优化，相邻底板巷重叠的钻孔，按照钻孔长度进行比较，优选重叠部分钻孔长度较短的进行施工；

S22：穿层钻孔计算，具体计算方法见实施例。

进一步的，所述S11中穿层钻孔设计中的数据库包括空间坐标确定、抽采参数、煤层厚度、煤层倾角、瓦斯含量、瓦斯压力、施工钻场；规则库包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度计算、钻孔开孔位置、钻孔终孔位置、钻孔数量确定；输出参数包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度、钻孔开孔点坐标、钻孔终孔点坐标、钻孔数量。

有益效果：本发明基于动态三维瓦斯地质模型，建立瓦斯防治钻孔信息数据库、提出瓦斯防治无人化智能钻孔设计原则与方法，实现了三维瓦斯地质模型的自动建立与精准纠正、抽采单元的自动划分与更新、钻孔智能设计与动态调整、钻孔合理性评判以及智能补救。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的预抽煤巷钻孔控制范围示意图；

图3为本发明实施例所述的各钻场终孔点位置平面示意图；

图4为本发明实施例所述的穿层钻孔钻场开孔点位置平面示意图；

图5为本发明实施例所述的钻场控制点几何坐标位置示意图；

图6为本发明实施例所述的钻场内开孔点位置平面示意图；

图7为本发明实施例所述的目标煤层理想状态下的空间几何坐标示意图；

图8为本发明实施例所述的底板巷设计平面图；

图9为本发明实施例所述的底板巷钻孔设计剖面图；

图10为本发明实施例所述的第一条巷道钻孔布置剖面图；

图11为本发明实施例所述的第二条巷道钻孔布置剖面图；

图12为本发明实施例所述的第三条巷道钻孔布置剖面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

参见图1-12：一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，所述计算方法包括：

S1、预抽煤巷穿层钻孔的设计模型确定以及设计；

S11、穿层钻孔设计：

依据数据库、规则库、输出参数进行设计；所述S11中穿层钻孔设计中的数据库包括空间坐标确定、抽采参数、煤层厚度、煤层倾角、瓦斯含量、瓦斯压力、施工钻场；规则库包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度计算、钻孔开孔位置、钻孔终孔位置、钻孔数量确定；输出参数包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度、钻孔开孔点坐标、钻孔终孔点坐标、钻孔数量。

假定在理想条件下，施工穿层钻孔的钻场所在的巷道，和目标煤层的倾角，煤层沿走向夹角，以及方位角的都相同；

预抽煤巷条带沿工作面走向长：L_z＝L_AB，m

预抽煤巷条带宽度：L_宽＝L_AD，m

每个钻场钻孔个数，个；

n＝i*j

式中，i为每个钻场沿走向钻孔个数，个；

j为每个钻场沿倾向钻孔个数，个；

巷道方位角α：

煤层走向与水平面夹角β：

煤层倾角γ：

预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制区段内的整个开采块段、两侧回采巷道及其外侧一定范围内的煤层；要求钻孔控制回采巷道外侧的范围是：倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m；其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m；考虑理想条件下，在预抽煤层的整个煤层工作面外围增加L_p的抽采范围；

参见图2为预抽煤巷钻孔控制范围示意图；那么控制点坐标可重新计算确定：

A₁：(x₁′，y₁′，z₁′)

x₁′＝x₁-L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₁′＝y₁-L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₁′＝z₁-L_p sinβ-L_p sinγ

B₁：(x₂′，y₂′，z₂′)

x₂′＝x₂+L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₂′＝y₂+L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₂′＝z₂+L_p sinβ-L_p sinγ

C₁：(x₃′，y₃′，z₃′)

x₃′＝x₃+L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₃′＝y₃+L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₃′＝z₃+L_p sinβ+L_p sinγ

D₁：(x₄′，y₄′，z₄′)

x₄′＝x₄-L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₄′＝y₄-L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₄′＝z₄-L_p sinβ+L_p sinγ

加上预抽控制范围之后确定的走向长度：

加上预抽控制范围之后确定的预抽煤巷条带宽度：

钻场个数：

S12、各钻场终孔点坐标：

参见图3为各钻场终孔点位置平面示意图；第1个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′-(j-1)d₂ cosγsinα+(i-1)d₁ cosβcosα

y_j，i＝y₁′+(j-1)d₂ cosγcosα+(i-1)d₁ cosβsinα

z_j，i＝z₁′+(j-1)d₂ sinγ+(i-1)d₁ sinβ

第2个钻场(1，i)#钻孔终孔点坐标：

x_1，i＝x₁′+(2i-1)d₁ cosβcosα

y_1，i＝y₁′+(2i-1)d₁ cosβsinα

z_1，i＝z₁′+(2i-1)d₁ sinβ

第2个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′+(2i-1)d₁ cosβcosα-(j-1)d₂ cosγsinα

y_j，i＝y₁′+(2i-1)d₁ cosβsinα+(j-1)d₂ cosγcosα

z_j，i＝z₁′+(2i-1)d₁ sinβ+(j-1)d₂ sinγ

第m个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′+(mi-1)d₁ cosβcosα-(j-1)d₂ cosγsinα

y_j，i＝y₁′+(mi-1)d₁ cosβsinα+(j-1)d₂ cosγcosα

z_j，i＝z₁′+(mi-1)d₁ sinβ+(j-1)d₂ sinγ

S13、各钻场开孔点坐标：

参见图4为穿层钻孔钻场开孔点位置平面示意图，图5为钻场控制点几何坐标位置示意图；

图中：A₂＝E₁

假定第1个钻场的控制点坐标E₁：(x₀，y₀，z₀)

那么每个钻场的坐标可表示为：

第2个钻场控制点位置坐标：E₂：(x_e2，y_e2，z_e2)

x_e2＝x₀+id₁ cosβcosα

y_e2＝y_n+id₁ cosβsinα

z_e2＝z₀+id₁ sinβ

第m个钻场控制点位置坐标E_m：(x_em，y_em，z_em)

x_em＝x₀+(m-1)id₁ cosβcosα

y_em＝y₀+(m-1)id₁ cosβsinα

z_em＝z₀+(m-1)id₁ sinβ

参见图6为钻场内开孔点位置平面示意图；第1个钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x₀-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

y_j，i′＝y₀+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

z_j，i′＝z₀+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

第2个钻场(j，1)#钻孔开孔点坐标：

x_j，1′＝x₀+id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα

y_j，1′＝y₀+id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα

z_j，1′＝z₀+id₁ sinβ+(j-1)d₄ sinγ

第2个钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x_e2-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+[id₁+(i-1)d₃]cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα

y_j，i′＝y_e2+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+[id₁+(i-1)d₃]cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα#

z_j，i′＝z_e2+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+id₁ sinβ+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+[id₁+(i-1)d₃]sinβ+(j-1)d₄ sinγ#

第m钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x_em-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+(m-1)id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα#

y_j，i′＝y_em+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+(m-1)id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα#

z_j，i′＝z_em+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+(m-1)id₁ sinβ+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]sinβ+(j-1)d₄ sinγ#

各钻孔的钻孔长度：L_孔长

各钻孔的钻孔方位角：α₁

本实施例通过依据瓦斯防治钻孔信息数据库、规则库以及输出参数，建立预抽煤巷穿层钻孔的设计模型，从而构建动态的三维瓦斯地质模型。

进一步的，所述计算方法还包括：

S2、穿层钻孔设计模型确定以及设计：

S21：穿层钻孔设计规则

(3)所有设计的钻孔孔长需要≤钻机的实际施工能力，以钻机最大的施工能力作为单条底板巷的控制范围；

(4)三条底板巷设计的钻孔，均按照最大的控制范围设计，当存在部分钻孔设计重叠，此时需要钻孔优化，相邻底板巷重叠的钻孔，按照钻孔长度进行比较，优选重叠部分钻孔长度较短的进行施工；

S22：穿层钻孔计算

A：(x₁，y₁，z₁)，控制点坐标A；

B：(x₂，y₂，z₂)，控制点坐标B；

C：(x₃，y₃，z₃)，控制点坐标C；

D：(x₄，y₄，z₄)，控制点坐标D；

d：钻孔间距

L_z：预抽煤层工作面沿走向长：L_z＝L_AB，m

L_面长：预抽煤层工作面长度：L_面长＝L_AD，m

L_孔长：钻孔长度，m；

α：巷道方位角(单位°)；

β：煤层走向与水平面夹角(单位°)；

γ：：煤层倾角(单位°)；

假定在理想条件下，底板巷和目标煤层的倾角，煤层沿走向夹角，以及方位角的都相同；

巷道方位角α：

煤层走向与水平面夹角β：

煤层倾角γ：

预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制区段内的整个开采块段外侧一定范围内的煤层；

那么控制点坐标可重新计算确定：

A₁：(x₁′，y₁′，z₁′)

x₁′＝x₁-L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₁′＝y₁-L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₁′＝z₁-L_psinβ-L_p sinγ

B₁：(x₂′，y₂′，z₂′)

x₂′＝x₂+L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₂′＝y₂+L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₂′＝z₂+L_p sinβ-L_p sinγ

C₁：(x₃′，y₃′，z₃′)

x₃′＝x₃+L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₃′＝y₃+L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₃′＝z₃+L_p sinβ+L_p sinγ

D₁：(x₄′，y₄′，z₄′)

x₄′＝x₄-L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₄′＝y₄-L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₄′＝z₄-L_p sinβ+L_p sinγ

加上预抽控制范围之后确定的走向长度：

加上预抽控制范围之后确定的煤层工作面长度：

参见图7为目标煤层理想状态下的空间几何坐标示意图；图中各个点的三维坐标为：

A(x₁，y₁，z₁)，B(x₂，y₂，z₂)，C(x₃，y₃，z₃)，D(x₄，y₄，z₄)

A₁(x₁′，y₁′，z₁′)，B₁(x₂′，y₂′，z₂′)，C₁(x₃′，y₃′，z₃′)，D₁(x₄′，y₄′，z₄′)

参见图8为底板巷设计平面图；图9为底板巷钻孔设计剖面图；假设三条底板巷的控制点坐标分别为(x₀，y₀，2₀)，(x′₀，y′₀，z′₀)，(x″₀，y″₀，z″₀)

每条底板巷内设计施工m组钻孔

每组钻孔设计2n-1个钻孔，且：

且

式中：D为钻机打钻能力，m；

h为底板中心线开孔点到煤层的垂直距离，即开孔点对应的中心点终孔坐标的距离；

设计的钻孔长度最长不超过钻机可以施工的最大长度，假设钻机可以施工的最大长度为80m，则设计中的所有孔长均小于80m；

第一条底板巷内：

参见图10为第一条巷道钻孔布置剖面图。

第m个开孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα

z₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

中心点坐标

x₀+(m-1)d cosβcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h

中心点向下第2个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα+d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα-d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h-d sinγ

中心点向下第n个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα+(n-1)d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα-(n-1)d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h-(n-1)d sinγ

中心点向上第2个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα-d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα+d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h+d sinγ

中心点向上第n个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα-(n-1)d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα+(n-1)d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h+(n-1)d sinγ

钻孔长度计算：

且L_孔长小于钻机的打钻能力，一般为80m；

第二条底板巷内：

参见图11为第二条巷道钻孔布置剖面图。

第m个开孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα

z′₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

中心点坐标

x′₀+(m-1)d cosβcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h

中心点向下第2个终孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα+d cosγcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα-d cosγsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h-d sinγ

中心点向下第n个终孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα+(n-1)d cosγcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα-(n-1)d cosγsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h-(n-1)d sinγ

中心点向上第2个终孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα-2 cosγcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα+d cosγsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h+d sinγ

中心点向上第n个终孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα-(n-1)d cosγcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα+(n-1)d cosγsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h+(n-1)d sinγ

第三条底板巷内：

参见图12为第三条巷道钻孔布置剖面图。

第m个开孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα

z″₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

中心点坐标

x″₀+(m-1)d cosβcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα

z′₀+(m-1)d sinβ+h

中心点向下第2个终孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα+d cosγcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα-d cosγsinα

z″₀+(m-1)d sinβ+h-d sinγ

中心点向下第n个终孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα+(n-1)d cosγcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα-(n-1)d cosγsinα

z″₀+(m-1)d sinβ+h-(n-1)d sinγ

中心点向上第2个终孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα-d cosγcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα+d cosγsinα

z″₀+(m-1)d sinβ+h+d sinγ

中心点向上第n个终孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα-(n-1)d cosγcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα+(n-1)d cosγsinα

z″₀+(m-1)d sinβ+h+(n-1)d sinγ

钻孔长度计算：

且L孔长小于钻机的打钻能力，一般为80m；

各钻孔的钻孔方位角α₁：

本实施例通过建立瓦斯防治无人化智能钻孔设计规则，从而确定穿层钻孔设计模型，实现了三维瓦斯地质模型的自动建立与精准纠正、抽采单元的自动划分与更新、钻孔智能设计与动态调整、钻孔合理性评判以及智能补救。

需要说明的是，我国煤矿穿层瓦斯钻孔施工普遍采用等间距的钻孔设计方法，其精度差、设计工作量大，不利于矿井的高效、安全生产。因此，研究煤矿瓦斯抽采钻孔的智能设计方法，具有十分重要的意义。本实施例具有以下有益效果：1)技术层面的预期效益：围绕瓦斯防治钻孔需求，进行瓦斯地质单元划分，提出钻孔优选判别原则，构建典型瓦斯抽采单元钻孔设计数据库，基于煤层瓦斯抽采单元划分结论及采掘时空布置，提出区域瓦斯防治钻孔无人化智能设计方法，设计面向钻孔机器人的瓦斯防治钻孔信息数据库；编制钻孔无人化智能设计与分析系统与钻孔机器人数据交互通信协议；开发钻孔无人化智能设计与分析系统。提高瓦斯防治钻孔设计的效率和科学性，提升企业经济效益，促进行业安全技术装备的升级换代，具有巨大的社会和经济效益。2)产业层面的预期指标及效益：在深刻认识主动扰动条件下瓦斯防治钻孔群周围多场耦合规律的基础上，形成瓦斯防治钻孔的智能设计方法，建成钻孔无人化智能设计系统软件平台。通过煤矿现场应用，实现对新技术、新装备的验证、改进，从而引领行业整体创新，推动行业技术全面进步，产生巨大的经济、社会效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：

S1、预抽煤巷穿层钻孔的设计模型确定以及设计；

S11、穿层钻孔设计：

依据数据库、规则库、输出参数进行设计；

假定在理想条件下，施工穿层钻孔的钻场所在的巷道，和目标煤层的倾角，煤层沿走向夹角，以及方位角的都相同；

预抽煤巷条带沿工作面走向长：L_z＝L_AB，m

预抽煤巷条带宽度：L_宽＝L_AD，m

每个钻场钻孔个数，个；

n＝i*j

式中，i为每个钻场沿走向钻孔个数，个；

j为每个钻场沿倾向钻孔个数，个；

巷道方位角α：

煤层走向与水平面夹角β：

煤层倾角γ：

预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制区段内的整个开采块段、两侧回采巷道及其外侧一定范围内的煤层；要求钻孔控制回采巷道外侧的范围是：倾斜、急倾斜煤层巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m；其他为巷道两侧轮廓线外至少各15m；考虑理想条件下，在预抽煤层的整个煤层工作面外围增加L_p的抽采范围；

那么控制点坐标可重新计算确定：

A₁：(x₁′，y₁′，z₁′)

x₁′＝x₁-L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₁′＝y₁-L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₁′＝z₁-L_p sinβ-L_p sinγ

B₁：(x₂′，y₂′，z₂′)

x₂′＝x₂+L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₂′＝y₂+L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₂′＝z₂+L_p sinβ-L_p sinγ

C₁：(x₃′，y₃′，z₃′)

x₃′＝x₃+L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₃′＝y₃+L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₃′＝z₃+L_p sinβ+L_p sinγ

D₁：(x₄′，y₄′，z₄′)

x₄′＝x₄-L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₄′＝y₄-L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₄′＝z₄-L_p sinβ+L_p sinγ

加上预抽控制范围之后确定的走向长度：

加上预抽控制范围之后确定的预抽煤巷条带宽度：

钻场个数：

S12、各钻场终孔点坐标：

第1个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′-(j-1)d₂ cosγsinα+(i-1)d₁ cosβcosα

y_j，i＝y₁′+(j-1)d₂ cosγcosα+(i-1)d₁cosβsinα

z_j，i＝z₁′+(j-1)d₂ sinγ+(i-1)d₁ sinβ

第2个钻场(1，i)#钻孔终孔点坐标：

x_1，i＝x₁′+(2i-1)d₁ cosβcosα

y_1，i＝y₁′+(2i-1)d₁ cosβsinα

z_1，i＝z₁′+(2i-1)d₁ sinβ

第2个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′+(2i-1)d₁ cosβcosα-(j-1)d₂ cosγsinα

y_j，i＝y₁′+(2i-1)d₁ cosβsinα+(j-1)d₂ cosγcosα

z_j，i＝z₁′+(2i-1)d₁ sinβ+(j-1)d₂ sinγ

第m个钻场(j，i)#钻孔终孔点坐标：

x_j，i＝x₁′+(mi-1)d₁ cosβcosα-(j-1)d₂ cosγsinα

y_j，i＝y₁′+(mi-1)d₁ cosβsinα+(j-1)d₂ cosγcosα

z_j，i＝z₁′+(mi-1)d₁ sinβ+(j-1)d₂ sinγ

S13、各钻场开孔点坐标：

A₂＝E₁

假定第1个钻场的控制点坐标E₁：(x₀，y₀，z₀)

那么每个钻场的坐标可表示为：

第2个钻场控制点位置坐标：E₂：(x_e2，y_e2，z_e2)

x_e2＝x₀+id₁ cosβcosα

y_e2＝y₀+id₁ cosβsinα

z_e2＝z₀+id₁ sinβ

第m个钻场控制点位置坐标E_m：(x_em，y_em，z_em)

x_em＝x₀+(m-1)id₁ cosβcosα

y_em＝y₀+(m-1)id₁ cosβsinα

z_em＝z₀+(m-1)id₁ sinβ

第1个钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x₀-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

y_j，i′＝y₀+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

z_j，i′＝z₀+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

第2个钻场(j，1)#钻孔开孔点坐标：

x_j，1′＝x₀+id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα

y_j，1′＝y₀+id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα

z_j，1′＝z₀+id₁ sinβ+(j-1)d₄ sinγ

第2个钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x_e2-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+[id₁+(i-1)d₃]cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα

y_j，i′＝y_e2+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+[id₁+(i-1)d₃]cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα#

z_j，i′＝z_e2+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+id₁ sinβ+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+[id₁+(i-1)d₃]sinβ+(j-1)d₄ sinγ#

第m钻场(j，i)#钻孔开孔点坐标：

x_j，i′＝x_em-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+(m-1)id₁ cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα+(i-1)d₃ cosβcosα

＝x₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]cosβcosα-(j-1)d₄ cosγsinα#

y_j，i′＝y_em+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+(m-1)id₁ cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα+(i-1)d₃ cosβsinα

＝y₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]cosβsinα+(j-1)d₄ cosγcosα#

z_j，i′＝z_em+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃sinβ

＝z₀+(m-1)id₁sinβ+(j-1)d₄ sinγ+(i-1)d₃ sinβ

＝z₀+[(m-1)id₁+(i-1)d₃]sinβ+(j-1)d₄ sinγ#

各钻孔的钻孔长度：L_孔长

各钻孔的钻孔方位角：α₁

2.根据权利要求1所述的煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

S2、穿层钻孔设计模型确定以及设计：

S21：穿层钻孔设计规则

(1)所有设计的钻孔孔长需要≤钻机的实际施工能力，以钻机最大的施工能力作为单条底板巷的控制范围；

(2)三条底板巷设计的钻孔，均按照最大的控制范围设计，当存在部分钻孔设计重叠，此时需要钻孔优化，相邻底板巷重叠的钻孔，按照钻孔长度进行比较，优选重叠部分钻孔长度较短的进行施工；

S22：穿层钻孔计算

A：(x₁，y₁，z₁)，控制点坐标A；

B：(x₂，y₂，z₂)，控制点坐标B；

C：(x₃，y₃，z₃)，控制点坐标C；

D：(x₄，y₄，z₄)，控制点坐标D；

d：钻孔间距

L_Z：预抽煤层工作面沿走向长：L_Z＝L_AB，m

L面长：预抽煤层工作面长度：L_面长＝L_AD，m

L_孔长：钻孔长度，m；

α：巷道方位角(单位°)；

β：煤层走向与水平面夹角(单位°)；

γ：：煤层倾角(单位°)；

假定在理想条件下，底板巷和目标煤层的倾角，煤层沿走向夹角，以及方位角的都相同；

巷道方位角α：

煤层走向与水平面夹角β：

煤层倾角γ：

预抽区段煤层瓦斯区域防突措施的钻孔应当控制区段内的整个开采块段外侧一定范围内的煤层；

那么控制点坐标可重新计算确定：

A₁：(x₁′，y₁′，z₁′)

x₁′＝x₁-L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₁′＝y₁-L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₁′＝z₁-L_p sinβ-L_p sinγ

B₁：(x₂′，y₂′，z₂′)

x₂′＝x₂+L_p cosβcosα+L_p cosγsinα

y₂′＝y₂+L_p cosβsinα-L_p cosγsinα

z₂′＝z₂+L_p sinβ-L_p sinγ

C₁：(x₃′，y₃′，z₃′)

x₃′＝x₃+L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₃′＝y₃+L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₃′＝z₃+L_p sinβ+L_p sinγ

D₁：(x₄′，y₄′，z₄′)

x₄′＝x₄-L_p cosβcosα-L_p cosγsinα

y₄′＝y₄-L_p cosβsinα+L_p cosγsinα

z₄′＝z₄-L_p sinβ+L_p sinγ

加上预抽控制范围之后确定的走向长度：

加上预抽控制范围之后确定的煤层工作面长度：

各个点的三维坐标为：

A(x₁，y₁，z₁)，B(x₂，y₂，z₂)，C(x₃，y₃，z₃)，D(x₄，y₄，z₄)

A₁(x₁′，y₁′，z₁′)，B₁(x₂′，y₂′，z₂′)，C₁(x₃′，y₃′，z₃′)，D₁(x₄′，y₄′，z₄′)

假设三条底板巷的控制点坐标分别为(x₀，y_0，z₀)，(x′₀，y′₀，z′₀)，(x″₀，y″₀，z″₀)

每条底板巷内设计施工m组钻孔

每组钻孔设计2n-1个钻孔，且：

且

式中：D为钻机打钻能力，m；

h为底板中心线开孔点到煤层的垂直距离，即开孔点对应的中心点终孔坐标的距离；

设计的钻孔长度最长不超过钻机可以施工的最大长度，假设钻机可以施工的最大长度为80m，则设计中的所有孔长均小于80m；

第一条底板巷内：

第m个开孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα

z₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

中心点坐标

x₀+(m-1)d cosβcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h

中心点向下第2个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα+d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα-d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h-d sinγ

中心点向下第n个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα+(n-1)d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα-(n-1)d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h-(n-1)d sinγ

中心点向上第2个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα-d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα+d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h+dsinγ

中心点向上第n个终孔点坐标：

x₀+(m-1)d cosβcosα-(n-1)d cosγcosα

y₀+(m-1)d cosβsinα+(m-1)d cosγsinα

z₀+(m-1)d sinβ+h+(n-1)d sinγ

钻孔长度计算：

且L_孔长小于钻机的打钻能力，一般为80m；

第二条底板巷内：

第m个开孔点坐标：

x′₀+(m-1)d cosβcosα

y′₀+(m-1)d cosβsinα

z′₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

第三条底板巷内：

第m个开孔点坐标：

x″₀+(m-1)d cosβcosα

y″₀+(m-1)d cosβsinα

z″₀+(m-1)d sinβ

那么第m个开孔点对应的第m组终孔点坐标为：

钻孔长度计算：

且L孔长小于钻机的打钻能力，一般为80m；

各钻孔的钻孔方位角α₁：

3.根据权利要求1所述的煤巷穿层瓦斯防治钻孔设计计算方法，其特征在于，所述S11中穿层钻孔设计中的数据库包括空间坐标确定、抽采参数、煤层厚度、煤层倾角、瓦斯含量、瓦斯压力、施工钻场；规则库包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度计算、钻孔开孔位置、钻孔终孔位置、钻孔数量确定；输出参数包括钻孔倾角、钻孔方位角、巷道方位角、钻孔长度、钻孔开孔点坐标、钻孔终孔点坐标、钻孔数量。

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