CN117473792A - 一种瓦斯抽采孔的优化设计方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种瓦斯抽采孔的优化设计方法、系统、设备及介质，涉及煤层瓦斯抽采技术领域，方法包括：从三维煤层模型获取基准孔位置；获取已施工终孔位置信息；根据已施工终孔位置信息得到已施工终孔投影位置；将基准孔位置与和其相邻的任意两个已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有三角区域形成第一区域；将基准孔位置和与其相邻的已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；第二区域完全覆盖第一区域时，按照下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；未完全覆盖时，调整下一施工钻孔的预设终孔位置直至第二区域完全覆盖第一区域。本申请的方法能最大程度地满足抽采要求，有利于在开采煤矿时降低出现安全事故的概率。
Description
技术领域
本申请涉及煤层瓦斯抽采技术领域，尤其涉及一种瓦斯抽采孔的优化设计方法、系统、设备及介质。
背景技术
我国大部分矿区瓦斯含量较高，瓦斯灾害防控压力大，制约矿井安全生产。因此在对煤矿进行开采之前，首先需要对煤矿内的瓦斯进行抽采。钻孔抽采煤层瓦斯技术是降低瓦斯含量、预防瓦斯事故、实现煤炭安全开采的根本措施。钻孔抽采瓦斯技术具体的方法是：首先建立三维模型，然后在三维模型内，对位于钻场内的钻孔的起始位置（开孔位置）以及位于煤层上表面的钻孔的终止位置（终孔位置）进行设计，进而获得钻孔施工图。然而，在实际施工时，由于存在较硬的岩石层或者煤层坍塌的情况，导致钻孔的路径必须调整，即实际钻孔路径会与之前设计的钻孔路径有一定偏差，如果其他待施工的钻孔仍按照原来布置的钻孔路径进行施工，就有可能导致实际施工后的钻孔所形成的抽采区域无法满足抽采要求，容易导致在开采煤矿时出现安全事故。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种瓦斯抽采孔的优化设计方法、系统、设备及介质。
第一方面，本申请提供一种瓦斯抽采孔的优化设计方法，包括如下步骤：
从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置；所述三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；所述三维煤层的对应所述设计钻孔钻出的面为设计钻孔穿出面；所述设计钻孔穿出面上设有若干所述预设终孔位置；
获取与所述下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息；
将所述已施工终孔位置信息输入所述三维煤层模型中，使其投影在所述设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置；
将所述基准孔位置与和其相邻的任意两个所述已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的所述三角区域形成第一区域；
将所述基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的所述已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；
判断所述第二区域完全覆盖所述第一区域时，按照所述下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；
判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域。
根据本申请提供的技术方案，判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，确定所述第一区域中未被所述第二区域覆盖的区域，形成空白区域；所述调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域，包括如下步骤：
确定所述空白区域的最长的宽度线，将所述最长的宽度线的中点作为所述空白区域的中点；
将所述下一施工钻孔的预设终孔位置沿第一方向移动第一距离；所述第一方向为所述下一施工钻孔的预设终孔位置与所述空白区域的中点连线的方向；所述第一距离为所述空白区域在所述第一方向的宽度。
根据本申请提供的技术方案，所述瓦斯抽采孔的优化设计方法还包括如下步骤：
获取最新的已施工钻孔的实际出煤深度；所述实际出煤深度为所述最新的已施工钻孔的钻出孔与钻入孔之间的距离；
从所述三维煤层模型中获取所述最新的已施工钻孔的设计出煤深度；所述设计出煤深度为所述最新的已施工钻孔对应的预设终孔位置与预设开孔位置之间的距离；所述三维钻场场壁的对应所述设计钻孔钻入的面为设计钻孔穿入面；所述设计钻孔穿入面上设有若干所述预设开孔位置；
判断所述实际出煤深度比所述设计出煤深度大，且二者差值大于设定阈值时，调整所述下一施工钻孔的钻入角度。
根据本申请提供的技术方案，通过以下方法调整所述下一施工钻孔的钻入角度：
获取所述最新的已施工钻孔的钻入角度以及抽采半径；
根据所述最新的已施工钻孔的钻入角度、所述最新的已施工钻孔的实际出煤深度、以及所述抽采半径，计算得到调整钻入角度；
将所述下一施工钻孔的钻入角度调整为所述调整钻入角度，并以所述调整钻入角度对所述下一施工钻孔进行施工。
根据本申请提供的技术方案，根据如下公式计算得到所述调整钻入角度：
；
其中，为调整钻入角度；d 0为最新的已施工钻孔的实际出煤深度；/>为最新的已施工钻孔的钻入角度；R为抽采半径。
根据本申请提供的技术方案，在所有钻孔施工完毕后，获取所有已施工钻孔的已施工钻孔路径；
将所述已施工钻孔路径输入所述三维煤层模型中；
对应每条所述已施工钻孔路径在所述三维煤层中形成总抽采区域；
在所述三维煤层中确定未被所述总抽采区域覆盖的若干离散的抽采空白区；
为每个所述抽采空白区设计至少一个补录预设终孔位置，以所述补录预设终孔位置向所述三维钻场的中心连线形成补录钻孔路径，并以所述补录钻孔路径的参数进行补录钻孔施工。
第二方面，本申请提供一种瓦斯抽采孔的优化设计系统，包括：
获取模块，配置用于：从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置；获取与所述下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息；所述三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；所述三维煤层的对应所述设计钻孔钻出的面为设计钻孔穿出面；所述设计钻孔穿出面上设有若干所述预设终孔位置；
处理模块，配置用于：将所述已施工终孔位置信息输入所述三维煤层模型中，使其投影在所述设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置；将所述基准孔位置与和其相邻的任意两个所述已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的所述三角区域形成第一区域；将所述基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的所述已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；
判断模块，配置用于：判断所述第二区域完全覆盖所述第一区域时，按照所述下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域。
第三方面，本申请提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有瓦斯抽采孔的优化设计程序，所述瓦斯抽采孔的优化设计程序被处理器执行时实现如上所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请提供的瓦斯抽采孔的优化设计方法，在对下一施工钻孔进行施工之前，首先从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置得到基准孔位置，获取与下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息得到已施工终孔位置信息，并将已施工终孔位置信息输入至三维煤层模型中，使其投影在设计钻孔穿出面得到已施工终孔投影位置，然后将基准孔位置与和其相邻的任意两个已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域进而形成第一区域，将基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域，最后对第二区域与第一区域的覆盖关系进行判断，当判断第二区域完全覆盖第一区域时，按照下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工，当判断第二区域未完全覆盖第一区域时，调整下一施工钻孔的预设终孔位置直至第二区域完全覆盖第一区域。
该瓦斯抽采孔的优化设计方法在对下一施工钻孔进行施工之前，根据下一施工钻孔原来的预设终孔位置以及已施工钻孔的实际终孔位置进行判断，当判断若按照原来的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工可能会存在空白区域的情况时，对预设终孔位置进行调整，以使按照调整后的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工后能够满足施工要求，避免出现抽采空白区域。与严格按照设计钻孔的预设终孔位置进行施工的方法相比，本申请的方法在施工的过程中对待施工钻孔的预设终孔位置进行优化调整，有利于确保施工后所有钻孔所形成的抽采区域能够最大程度地满足抽采要求，从而有利于在开采煤矿时降低出现安全事故的概率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的瓦斯抽采孔的优化设计方法的流程图；
图2为设计钻孔穿出面上部分预设终孔位置的分布图；
图3为第一区域的结构示意图；
图4为第二区域的结构示意图；
图5为第二区域未完全覆盖第一区域的结构示意图；
图6为三维煤层模型的局部结构示意图；
图7为本申请实施例提供的瓦斯抽采孔的优化设计系统的示意图；
图8为本申请实施例提供的电子设备的计算机系统的原理图。
图中所述文字标注表示为：
100、获取模块；200、处理模块；300、判断模块；400、计算机系统；401、CPU；402、ROM；403、RAM；404、总线；405、I/O接口；406、输入部分；407、输出部分；408、存储部分；409、通信部分；410、驱动器；411、可拆卸介质。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用，具体来说，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在进行煤矿开采之前，需要对瓦斯进行抽采，在进行瓦斯抽采之前，需要在钻场内向煤层进行钻孔以形成贯穿煤层的抽采孔，当所有的钻孔施工完成后形成了许多抽采孔，工作人员通过抽采孔对煤层内的瓦斯进行抽采。在实际钻孔施工之前，通常需要对钻孔进行设计，具体是按照实际钻场和煤层的方位信息以及结构尺寸信息等进行三维建模，得到包含钻场和煤层的三维模型，然后在三维模型上布置多个钻孔，对于每个钻孔的布置至少包含开孔位置（钻孔的起点位置，通常是位于钻场内的墙壁上）、以及与开孔位置对应的终孔位置（钻孔的终点位置，通常是位于煤层上表面），连接开孔位置与终孔位置的直线即为该钻孔的延伸路径。钻孔位置以及数量的布置目标为：使所有钻孔所形成的总的抽采区域能够覆盖整个煤层区域（避免出现空白区，即避免出现无法抽采瓦斯的区域），同时又避免钻孔开设的过于密集，因为钻孔数量过多会造成工程量大且施工时间长的问题。
需要说明的是，在施工前根据实际情况建立三维模型、以及在三维模型上布置满足布置目标的钻孔以得到三维煤层模型是现有的技术，在本实施例中不再赘述。
理论上，按照现有技术中所布置的钻孔的数量以及位置进行施工后，所有钻孔所形成的总抽采区域能够覆盖整个煤层；然而在实际对钻孔进行施工时，由于岩层较硬或者钻机钻头偏移等原因，导致无法保证由开孔位置进行钻孔时最终钻至对应的终孔位置，即钻孔的实际终孔位置与设计的终孔位置可能会出现偏差，而上述偏差会导致该钻孔对应的抽采区域可能会发生变化，如果其他待施工的钻孔仍按照原来布置的终孔位置进行施工，有可能会出现所有钻孔所形成的总的抽采区域无法覆盖整个煤层的问题，即无法满足施工要求，因此，需要在施工下一个钻孔之前，根据目前实际的施工情况进行判断，以确定是否能够继续按照之前的设计对下一个钻孔进行施工。
有鉴于此，本实施例提供一种瓦斯抽采孔的优化设计方法，如图1所示，该图为本实施例提供的一种瓦斯抽采孔的优化设计方法的流程图，该方法包括如下步骤：
S11、从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置。
其中，三维煤层模型是设计人员通过对施工现场进行各种勘测后而建立的1：1比例的三维模型，并且设计人员根据施工要求已在其上布置了若干设计钻孔，最终的三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；三维钻场对应于实际施工场景中的钻场，为近似长方体的空间，三维煤层位于钻场的一侧，为了使得布置的设计钻孔既能满足最终抽采区域能够覆盖整个煤层的施工要求，同时又避免因设计钻孔设计太过密集而造成工程量大的问题，设计人员在三维煤层的顶面布置成排成列的若干位置点，相邻的位置点之间的距离为抽采半径的倍，三维煤层的顶面即为设计钻孔穿出面，布置在三维煤层顶面的这些位置点即为设计钻孔的预设终孔位置；为便于设计，设计人员通常会选取三维钻场的中心位置作为起始点，将该起始点与位于三维煤层顶面的各个位置点用直线连接，三维钻场靠近三维煤层一侧的场壁表面为设计钻孔穿入面，各直线与设计钻孔穿入面的交点即为各设计钻孔的预设开孔位置，连接一对预设开孔位置和预设终孔位置的直线即为该设计钻孔的设计施工路径；三维煤层模型中包含了若干设计钻孔的设计施工路径，在三维煤层模型中，根据这些设计施工路径即可以得到施工的方位角以及钻入角度等信息，其中钻入角度即连接预设开孔位置和预设终孔位置的直线与竖直方向所形成的夹角，在施工时，工作人员根据上述方位角和钻入角度即可进行施工。
在施工时，为减少钻机等设备的移动、节约施工时间，一般按照顺序对钻孔进行施工，即完成第一排钻孔的施工后再进行第二排钻孔的施工。本实施例的方法是建立在已经按照三维煤层模型中布置的设计钻孔至少实施了一排钻孔的基础上，即至少已经施工到第二排钻孔，请参考图2，图2为设计钻孔穿出面上部分预设终孔位置的分布图，其中实心圆圈代表该预设终孔位置对应的设计钻孔已经施工，空心圆圈代表该预设终孔位置对应的设计钻孔尚未施工，为便于下文举例说明，对各预设终孔位置进行了编号，对于每一行的预设终孔位置按照从左到右的顺序对其进行编号，第一行的编号分别为：101、102、103、104、105、106、107、108、109、110，第二行的编号分别为：201、202、203、204、205、206、207、208、209、210，第三行的编号分别为：301、302、303、304、305、306、307、308、309、310，可以看出，第一行各预设终孔位置所对应的设计钻孔均已施工，第二行中编号为210、209、208、207的预设终孔位置所对应的设计钻孔也已施工，下一施工钻孔为按照施工顺序即将要施工的钻孔，其预设终孔位置的编号为206，将编号为206的预设终孔位置记作基准孔位置，在对基准孔位置所对应的设计钻孔进行施工之前，需要进行判断，以确定如果按照设计施工路径进行施工是否会产生抽采的空白区。
S12、获取与下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息。
已施工钻孔即已经按照设计施工路径进行施工的钻孔，其为真实场景中施工得到的钻孔，由于煤层中可能会存在较硬的岩层或者是钻机钻头在钻进过程中发生偏移，可能会导致最终施工完成的钻孔的延伸方向与设计施工路径发生偏移，即实际钻孔的钻出位置会与预设终孔位置有一定的偏差，实际钻孔的钻出位置可以由钻机控制器得到，即已施工钻孔的位置信息可以由钻机控制器得到，其至少包含了该已施工钻孔的钻出位置与钻场中心连线的方位角以及该已施工钻孔的钻出角度。
与下一施工钻孔相邻的已施工钻孔包括三个已施工钻孔，三个已施工钻孔分别为：与下一施工钻孔属于同一行的且距离该钻孔最近的已施工钻孔（记作第一钻孔）、位于下一施工钻孔上一行的且距离该钻孔距离最近的已施工钻孔（记作第二钻孔）、位于第一钻孔上一行的且距离第一钻孔距离最近的已施工钻孔（记作第三钻孔），即与下一施工钻孔相邻的已施工钻孔包括第一钻孔、第二钻孔和第三钻孔；在本实施例中，与下一施工中钻孔相邻的已施工钻孔所对应的预设终孔位置的编号分别为207、106、107，也就是说需要通过钻机控制器得到与上述三个预设终孔位置的编号所对应的已施工钻孔的位置信息，进一步可以得到已施工终孔位置信息，这里已施工钻孔的位置信息至少包含了该钻孔的方位角、钻入角度、钻入位置、钻出位置等等，已施工终孔位置信息是指该钻孔的钻出位置信息，三个已施工钻孔的钻出位置信息得到后，接下来要通过该已施工终孔位置信息来与三维煤层模型进行结合，以得到三个已施工钻孔的钻出位置在三维煤层模型中的位置。
S13、将已施工终孔位置信息输入三维煤层模型中，使其投影在设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置。
具体地是指根据三个已施工钻孔的已施工终孔位置信息，在三维煤层模型中标记出相应的已施工终孔的位置，记作已施工终孔投影位置，在理想情况下，在三维煤层模型中，同一个钻孔的预设终孔位置是与其对应的已施工终孔投影位置重合的，而对于一些钻进路径偏离设计施工路径的钻孔，其已施工终孔投影位置是与其对应的预设终孔位置不重合的。
本步骤是将预设终孔位置的编号为207、106、107所对应的三个已施工钻孔的实际终孔位置标记在三维煤层模型中，得到三个已施工终孔投影位置，接下来会根据三个已施工终孔投影位置和基准孔位置的关系，来形成相应的用于判断是否满足施工要求的区域。
S14、将基准孔位置与和其相邻的任意两个已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的三角区域形成第一区域。
请参考图3，在本实施例中，一共有三个已施工终孔投影位置，分别为编号207’(其对应的设计钻孔的预设终孔位置编号为207)、106’(其对应的设计钻孔的预设终孔位置编号为106)、107’(其对应的设计钻孔的预设终孔位置编号为107)，任选两个已施工终孔投影位置与基准孔位置（其对应的设计钻孔的预设终孔位置编号为206）直线连接，可以得到三个三角区域，三个三角区域叠加在一起形成的区域即为第一区域，即图3中四条直线所围成的区域，在对下一施工钻孔进行施工之前，需要考虑该区域是否满足抽采要求。
S15、将基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域。
与某一位置所对应的抽采区域是指以该位置为圆心、以抽采半径为半径所形成的圆形区域，则，基准孔位置对应的抽采区域即是以基准孔位置为圆心、以抽采半径为半径所形成的圆形区域，已施工终孔投影位置对应的抽采区域即是以已施工终孔投影位置为圆心、以抽采半径为半径所形成的圆形区域，在本实施例中，即相当于分别以图3中四个点为圆心，以抽采半径为半径，而得到的四个圆形区域，将这四个圆形区域叠加在一起所形成的区域即为第二区域，即图4中四条弧线所围成的区域，但是不包括中间近似三角形的区域，第二区域表示了下一施工钻孔目前的预设终孔位置、以及与其邻近的三个已施工终孔投影位置所形成的抽采区域。在得到第一区域和第二区域之后，便可以根据二者的覆盖关系，来判断能否按照下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工。
S16、判断第二区域完全覆盖第一区域时，按照下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工。
当第二区域能够完全覆盖第一区域时，说明当前的预设终孔位置及与其相邻的三个已施工终孔投影位置所形成的抽采区域满足施工条件，若按照当前的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工，不会产生抽采的空白区，因此，无需调整下一施工钻孔的预设终孔位置，继续进行施工即可。
S17、判断第二区域未完全覆盖第一区域时，调整下一施工钻孔的预设终孔位置直至第二区域完全覆盖第一区域。
当第二区域不能够完全覆盖第一区域时，说明当前的预设终孔位置及与其相邻的三个已施工终孔投影位置所形成的抽采区域不满足施工条件，若按照当前的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工，会产生抽采的空白区，即形成如图5所示的空白区域（即位于中间的近似三角形的区域），此时需要对下一施工钻孔的预设终孔位置进行调整，调整的目标是使得调整后的预设终孔位置及与其相邻的三个已施工终孔投影位置所形成的新的抽采区域（即第二区域）能够完全覆盖第一区域。
判断第二区域未完全覆盖第一区域时，确定第一区域中未被第二区域覆盖的区域，形成空白区域，调整下一施工钻孔的预设终孔位置直至第二区域完全覆盖第一区域，具体包括如下步骤：
确定空白区域的最长的宽度线，将最长的宽度线的中点作为空白区域的中点。
具体地，画出若干条穿过空白区域的直线，并将各直线被空白区域的边界所截成的线段作为该空白区域的宽度线，从若干宽度线中选出最长的宽度线，取该最长的宽度线的中点作为空白区域的中点，需要说明的是，对于同一个空白区域来说，其对应的最长的宽度线可能不止一条，对于有不止一条最长的宽度线的情况，任选其中一条，并以选中的这条最长的宽度线的中点作为空白区域的中点即可。
将下一施工钻孔的预设终孔位置沿第一方向移动第一距离。
其中，第一方向为下一施工钻孔的预设终孔位置与空白区域的中点连线的方向；第一距离为空白区域在第一方向的宽度，即上一步骤中选出的空白区域的最长的宽度线的长度；因为第一距离为空白区域的最大宽度，所以将下一施工钻孔的预设终孔位置沿着第一方向移动第一距离，就可以使得调整后的预设终孔位置及与其相邻的三个已施工终孔投影位置所形成的抽采区域不会形成空白区域，满足施工条件。
本实施例提供的瓦斯抽采孔的优化设计方法，在对下一施工钻孔进行施工之前，首先从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置得到基准孔位置，获取与下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息得到已施工终孔位置信息，并将已施工终孔位置信息输入至三维煤层模型中，使其投影在设计钻孔穿出面得到已施工终孔投影位置，然后将基准孔位置与和其相邻的任意两个已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域进而形成第一区域，将基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域，最后对第二区域与第一区域的覆盖关系进行判断，当判断第二区域完全覆盖第一区域时，按照下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工，当判断第二区域未完全覆盖第一区域时，调整下一施工钻孔的预设终孔位置直至第二区域完全覆盖第一区域。
该瓦斯抽采孔的优化设计方法在对下一施工钻孔进行施工之前，根据该下一施工钻孔原来的预设终孔位置以及已施工钻孔的实际终孔位置进行判断，当判断若按照原来的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工可能会存在空白区域的情况时，对预设终孔位置进行调整，以使按照调整后的预设终孔位置对下一施工钻孔进行施工后能够满足施工要求，避免出现抽采空白区域。与严格按照设计钻孔的预设终孔位置进行施工的方法相比，本申请的方法在施工的过程中对待施工钻孔的预设终孔位置进行优化调整，有利于确保施工后所有钻孔所形成的抽采区域能够最大程度地满足抽采要求，从而有利于在开采煤矿时降低出现安全事故的概率。
进一步地，在本申请的某些实施例中，该瓦斯抽采孔的优化设计方法还包括如下步骤：
获取最新的已施工钻孔的实际出煤深度；实际出煤深度为最新的已施工钻孔的钻出孔与钻入孔之间的距离。
当施工完一个钻孔之后，即可得到该最新的已施工钻孔的实际出煤深度，在对设计钻孔进行施工时，是按照三维煤层模型给出的方位角和钻入角度进行施工的，至于钻到什么程度停止钻进，主要是根据钻进过程中流出的液体的颜色来进行判断的，当钻头达到煤层时，流出来的液体呈黑色，当钻头钻出煤层时，流出来的液体呈透明色，即当流出来的液体由黑色变透明色时停止钻进，并以此时钻头与钻场场壁上钻入孔之间的距离作为实际出煤深度，实际出煤深度可以在完成一个钻孔的施工后通过钻机控制器直接读取。
从三维煤层模型中获取最新的已施工钻孔的设计出煤深度。
其中，设计出煤深度为最新的已施工钻孔对应的预设终孔位置与预设开孔位置之间的距离；三维钻场场壁的对应设计钻孔钻入的面为设计钻孔穿入面；设计钻孔穿入面上设有若干预设开孔位置。设计出煤深度可以从三维煤层模型直接获得。
判断实际出煤深度比设计出煤深度大，且二者差值大于设定阈值时，调整下一施工钻孔的钻入角度。
其中，设定阈值是提前设定的，例如可以为1米、2米，也可以为其他数值，根据实际需要选取即可；当实际出煤深度比设计出煤深度大，且二者差值大于设定阈值时，说明煤层表面在此处（最新的已施工钻孔）附近可能出现了向上凸起，预测下一施工钻孔施工后的实际出煤深度也可能会大于三维煤层模型中示出的出煤深度，而若此时仍按照原来的钻入角度进行钻进，可能会导致在煤层表面凸起的区域附近出现抽采空白区域，因此需要调整下一施工钻孔的钻入角度。
需要说明的是，前文所述的在施工过程中遇到较硬岩层等原因导致钻进路径偏离设计施工路径的情况（记作第一情况）以及本部分所述的因勘测不精准而导致的实际出煤深度大于设计出煤深度的情况（记作第二情况），二者同时发生的概率很小可以忽略不计。
具体地，通过以下方法调整下一施工钻孔的钻入角度：
获取最新的已施工钻孔的钻入角度以及抽采半径。
抽采半径是工作人员根据实际情况提前设定的。由于本申请不考虑第一情况和第二情况同时发生的情况，所以最新的已施工钻孔的钻入角度实际可以通过三维煤层来直接获得，其为该最新的已施工钻孔对应的预设终孔位置与预设开孔位置的连线与竖直方向所形成的夹角；可以理解，若追求更精准的钻入角度的调整，也可以通过钻机控制器来获取该最新的已施工钻孔钻进结束时钻头的位置信息，并将该位置信息输入三维煤层模型中，在三维煤层模型中得到相应的已施工终孔投影位置，将已施工终孔投影位置与预设开孔位置用直线连接，将其与竖直方向所形成的夹角作为最新的已施工钻孔的钻入角度。
根据最新的已施工钻孔的钻入角度、最新的已施工钻孔的实际出煤深度、以及抽采半径，计算得到调整钻入角度。
请参考图6，图中位于最下方的矩形表示三维钻场在基准竖直平面所形成的投影区域，钻场的中心记作O点，L1表示煤层下表面（平行于水平面）在基准竖直平面形成的投影线，L2表示预设煤层上表面（平行于水平面）在基准竖直平面形成的投影线，L3表示实际煤层上表面（平行于水平面）在基准竖直平面形成的投影线，其中，预设煤层上表面是三维煤层模型中三维煤层的上表面，这是在建立模型前根据勘测结果预测的，实际煤层上表面是根据当前已施工钻孔的实际出煤深度而推测的此区域的煤层上表面。图6中，A0点表示三维煤层模型中最新的已施工钻孔对应的预设终孔位置在基准竖直平面的投影位置，A1点表示三维煤层模型中与最新的已施工钻孔的实际终孔位置所对应的已施工终孔投影位置在基准竖直平面的投影位置，B0点表示三维煤层模型中下一施工钻孔对应的调整前的预设终孔位置在基准竖直平面的投影位置，B1点表示三维煤层模型中下一施工钻孔对应的调整后的预设终孔位置在基准竖直平面的投影位置，M点为自O点向L3作垂线所形成的垂足；连接O点和A1点得到线段OA1，此即为三维煤层模型中最新的已施工钻孔所对应的施工路径（因为相对于钻进深度来说，钻场的大小可以忽略），线段OA1的长度对应最新的已施工钻孔的实际出煤深度d0，线段OA1经过了A0点，说明在钻进的过程中未发生路径偏离；线段OA1与线段OM所形成的夹角为最新的已施工钻孔的钻入角度，记作；连接O点和B0点得到线段OB0，此即为三维煤层模型中下一施工钻孔的设计施工路径，B0点与A0点之间的距离为抽采半径的倍；在L3上取B1点，为避免此区域出现空白区域，B1点与A1点之间的距离设置为抽采半径的/>倍，连接O点和B1点得到线段OB1，此即为三维煤层模型中下一施工钻孔的调整后的设计施工路径，B1点为三维煤层模型中下一施工钻孔的调整后预设终孔位置在基准竖直平面的投影，线段OB1与线段OM所形成的夹角为下一施工钻孔调整后的钻入角度，记作调整钻入角度/>。
通过图6可以看出，当在实际施工过程中发现煤层上表面出现上凸情况时，为满足施工要求，需要调整下一施工钻孔的钻入角度，令线段OM的长度为h，线段A1M的长度为w，则根据三角形关系及三角形相关定理，可知：
；
；
；
整理上述三个公式，可得到调整钻入角度的公式为：
；
其中，为调整钻入角度；d 0为最新的已施工钻孔的实际出煤深度；/>为最新的已施工钻孔的钻入角度；R为抽采半径。
将下一施工钻孔的钻入角度调整为调整钻入角度，并以调整钻入角度对下一施工钻孔进行施工。
本实施例考虑到因前期勘测不够精准而导致的实际出煤深度大于设计出煤深度的情况，对下一施工钻孔的钻入角度进行调整，以避免在煤层上表面的凸出区域出现抽采空白区域，从而进一步保证满足施工要求。
进一步地，在本申请的某些实施例中，该瓦斯抽采孔的优化设计方法还包括如下步骤：
在所有钻孔施工完毕后，获取所有已施工钻孔的已施工钻孔路径；
将已施工钻孔路径输入三维煤层模型中；
对应每条已施工钻孔路径在三维煤层中形成总抽采区域；
在三维煤层中确定未被总抽采区域覆盖的若干离散的抽采空白区；
为每个抽采空白区设计至少一个补录预设终孔位置，以补录预设终孔位置向三维钻场的中心连线形成补录钻孔路径，并以补录钻孔路径的参数进行补录钻孔施工。
具体地，当所有的钻孔全部施工完毕之后，可通过钻机控制器得到所有的已施工钻孔的已施工钻孔路径，该已施工钻孔路径包括了已施工钻孔的钻入角度、钻入位置和钻出位置；将所有的已施工钻孔的已施工钻孔路径所包含的信息全部输入到三维煤层模型中，在三维煤层模型中标记出各个已施工钻孔的钻入位置、钻出位置以钻入位置和钻出位置所形成的钻进路径，根据抽采半径，对应每条已施工钻孔路径在三维煤层中形成总抽采区域，然后在三维煤层中确定未被总抽采区域覆盖的若干离散的抽采空白区，抽采空白区表示现有已施工的所有钻孔均无法抽采瓦斯的区域，为确保采煤安全，需要在每个抽采空白区设计至少一个补录预设终孔位置，将该补录预设终孔位置与三维钻场的中心连线形成补录钻孔路径，并以补录钻孔路径的参数进行补录钻孔施工。
其中，在每个抽采空白区设计至少一个补录预设终孔位置的方法不限，以补录预设终孔位置所形成的补录抽采区域能够覆盖抽采空白区为准，例如，可以获取抽采空白区的最长的宽度线，判断最长的宽度线的一半长度小于或者等于抽采半径的倍时，将该最长的宽度线的中点作为补录预设终孔位置，判断最长的宽度线的一半长度大于抽采半径的倍时，将抽采空白区进行区域划分为至少两个子区域，并确保各子区域的最长的宽度线的一半长度小于或者等于抽采半径的/>倍，将各子区域的最长的宽度线的中点作为该子区域的补录预设终孔位置。当已知补录预设终孔位置时，在三维煤层模型就很容易得到补录钻入角度，根据补录钻入角度进行补录钻孔的施工即可。
本实施例为确保采煤工作的安全顺利进行，在所有钻孔施工完毕后，采煤工作开展之前，对所有已施工钻孔所形成的总抽采区域进行判断，当判断存在抽采空白区时，为各抽采空白区设计合适数量的补录预设终孔位置，以确保补录钻孔施工后，最终形成的抽采区域能够不存在任何的抽采空白区域。
本实施例还提供一种瓦斯抽采孔的优化设计系统，该瓦斯抽采孔的优化设计系统可用于实现如上述实施例中所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，如图7所示，该系统包括：
获取模块100，配置用于：从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置；获取与所述下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息；所述三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；所述三维煤层的对应所述设计钻孔钻出的面为设计钻孔穿出面；所述设计钻孔穿出面上设有若干所述预设终孔位置；
处理模块200，配置用于：将所述已施工终孔位置信息输入所述三维煤层模型中，使其投影在所述设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置；将所述基准孔位置与和其相邻的任意两个所述已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的所述三角区域形成第一区域；将所述基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的所述已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；
判断模块300，配置用于：判断所述第二区域完全覆盖所述第一区域时，按照所述下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域。
本实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述实施例中所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
如图8所示，所述电子设备的计算机系统400包括CPU401，其可以根据存储在ROM402中的程序或者从存储部分408加载到RAM403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU401、ROM402以及RAM403通过总线404彼此相连。I/O接口405也连接至总线404。其中，CPU401表示中央处理单元，ROM402表示只读存储器，RAM403表示随机访问存储器，I/O表示输入/输出。
以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管、液晶显示器等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。
特别地，上述实施例中描述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行上述实施例中所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被CPU401执行时，执行本计算机系统400中限定的上述功能。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有瓦斯抽采孔的优化设计程序，所述瓦斯抽采孔的优化设计程序被处理器执行时实现如上述实施例中所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
具体地，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现如上述实施例中所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法。
需要说明的是，本申请所示的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器、只读存储器、可擦式可编程只读存储器、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置；所述三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；所述三维煤层的对应所述设计钻孔钻出的面为设计钻孔穿出面；所述设计钻孔穿出面上设有若干所述预设终孔位置；
获取与所述下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息；
将所述已施工终孔位置信息输入所述三维煤层模型中，使其投影在所述设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置；
将所述基准孔位置与和其相邻的任意两个所述已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的所述三角区域形成第一区域；
将所述基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的所述已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；
判断所述第二区域完全覆盖所述第一区域时，按照所述下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；
判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域。
2.根据权利要求1所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，确定所述第一区域中未被所述第二区域覆盖的区域，形成空白区域；所述调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域，包括如下步骤：
确定所述空白区域的最长的宽度线，将所述最长的宽度线的中点作为所述空白区域的中点；
将所述下一施工钻孔的预设终孔位置沿第一方向移动第一距离；所述第一方向为所述下一施工钻孔的预设终孔位置与所述空白区域的中点连线的方向；所述第一距离为所述空白区域在所述第一方向的宽度。
3.根据权利要求2所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：
获取最新的已施工钻孔的实际出煤深度；所述实际出煤深度为所述最新的已施工钻孔的钻出孔与钻入孔之间的距离；
从所述三维煤层模型中获取所述最新的已施工钻孔的设计出煤深度；所述设计出煤深度为所述最新的已施工钻孔对应的预设终孔位置与预设开孔位置之间的距离；所述三维钻场场壁的对应所述设计钻孔钻入的面为设计钻孔穿入面；所述设计钻孔穿入面上设有若干所述预设开孔位置；
判断所述实际出煤深度比所述设计出煤深度大，且二者差值大于设定阈值时，调整所述下一施工钻孔的钻入角度。
4.根据权利要求3所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，通过以下方法调整所述下一施工钻孔的钻入角度：
获取所述最新的已施工钻孔的钻入角度以及抽采半径；
根据所述最新的已施工钻孔的钻入角度、所述最新的已施工钻孔的实际出煤深度、以及所述抽采半径，计算得到调整钻入角度；
将所述下一施工钻孔的钻入角度调整为所述调整钻入角度，并以所述调整钻入角度对所述下一施工钻孔进行施工。
5.根据权利要求4所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，根据如下公式计算得到所述调整钻入角度：
；
其中，为调整钻入角度；d 0为最新的已施工钻孔的实际出煤深度；/>为最新的已施工钻孔的钻入角度；R为抽采半径。
6.根据权利要求5所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法，其特征在于，在所有钻孔施工完毕后，获取所有已施工钻孔的已施工钻孔路径；
将所述已施工钻孔路径输入所述三维煤层模型中；
对应每条所述已施工钻孔路径在所述三维煤层中形成总抽采区域；
在所述三维煤层中确定未被所述总抽采区域覆盖的若干离散的抽采空白区；
为每个所述抽采空白区设计至少一个补录预设终孔位置，以所述补录预设终孔位置向所述三维钻场的中心连线形成补录钻孔路径，并以所述补录钻孔路径的参数进行补录钻孔施工。
7.一种瓦斯抽采孔的优化设计系统，其特征在于，包括：
获取模块，配置用于：从三维煤层模型中获取下一施工钻孔的预设终孔位置，得到基准孔位置；获取与所述下一施工钻孔相邻的已施工钻孔的位置信息，得到已施工终孔位置信息；所述三维煤层模型至少包括三维钻场、三维煤层以及从三维钻场场壁延伸直至穿透三维煤层的设计钻孔；所述三维煤层的对应所述设计钻孔钻出的面为设计钻孔穿出面；所述设计钻孔穿出面上设有若干所述预设终孔位置；
处理模块，配置用于：将所述已施工终孔位置信息输入所述三维煤层模型中，使其投影在所述设计钻孔穿出面，得到已施工终孔投影位置；将所述基准孔位置与和其相邻的任意两个所述已施工终孔投影位置直线连接形成若干三角区域，所有的所述三角区域形成第一区域；将所述基准孔位置对应的抽采区域和与其相邻的所述已施工终孔投影位置对应的抽采区域复合形成第二区域；
判断模块，配置用于：判断所述第二区域完全覆盖所述第一区域时，按照所述下一施工钻孔的预设终孔位置对其进行施工；判断所述第二区域未完全覆盖所述第一区域时，调整所述下一施工钻孔的预设终孔位置直至所述第二区域完全覆盖所述第一区域。
8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有瓦斯抽采孔的优化设计程序，所述瓦斯抽采孔的优化设计程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的瓦斯抽采孔的优化设计方法的步骤。
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| CN117708469B (zh) * | 2024-02-06 | 2024-04-16 | 天津矿智科技有限公司 | 基于瓦斯抽采空白区识别的补充钻孔轨迹计算方法和系统 |
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