基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法與流程
2023-05-12 19:56:11 3
本發明涉及一種等高線繪製方法，屬於煤礦井下坑道鑽探領域，具體涉及一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法。
背景技術：
採掘工程平面圖是將開採煤層或其分層內的採掘工程和地質情況，採用高程投影的原理，按一定比例尺繪製而成的圖紙。採掘工程平面圖是礦井生產施工的重要參考依據，可根據其中的煤層等高線獲得煤層起伏情況，進行採掘工程和鑽孔布置，並輔助探查探查隱蔽致災地質異常體，確保安全施工，作用重大。
但是我國煤層採掘工作以井工開採為主，採掘空間一般位於地面以下300～800m，煤層起伏情況無法直觀觀察到，目前主要在礦井建設投產之前，利用前期地面勘探孔施工資料，結合地面物探探查結果繪製煤層等高線，礦井投產後，未對採掘工程平面圖煤層等高線進行修正或重新繪製。由於地面勘探孔探查間距大、地面物探探查精度低，因此煤礦採掘工程平面圖煤層等高線與實際偏差較大，不能反映出真實的煤層起伏情況，為煤層高效開採和安全防護帶來極大危害。
為滿足礦井安全採煤需要，在採掘工程進行之前，會提前施工大量井下定向孔進行超前煤層瓦斯抽採，其鑽孔密度和覆蓋面積大，並鑽孔實鑽軌跡容易獲得。但井下定向孔均採用相對坐標系描述，與採掘平面圖採用的高程系統和礦井平面坐標系不同。
因此，本發明結合煤層採掘過程中提前掌握煤層起伏情況需要，針對目前煤礦採掘工程平面圖煤層等高線誤差偏大的不足，研究設計了一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，克服了上述缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的是針對目前煤礦採掘工程平面圖煤層等高線誤差偏大的不足，提供了一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法。該方法利用井下定向孔的探查頂板、探查底板數據，結合井下定向孔描述採用的相對坐標系與煤礦採掘工程平面圖採用的高程系統和礦井平面坐標系轉換，計算出鑽孔延伸方向上的煤層底界線高程，得到等倍高程點的高程值和礦井平面坐標值，然後依次連線繪製出實際煤層等高線。解決了當前採用前期地面勘探孔施工資料和地面物探探查結果繪製的煤層等高線存在的誤差偏大的問題，實現了煤層等高線的準確繪製和實時修正，為煤礦採掘工程設計與施工、隱蔽地質異常體探查等提供精確參考，確保煤層安全高效開採。
本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：
一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，包括：
以井下定向孔的開孔點為坐標原點，建立井下定向孔相對坐標系，計算出井下定向孔不同孔深處的相對坐標值；將井下定向孔不同孔深處的相對坐標值的上下位移轉換為礦井高程系統中的高程值；
計算出井下定向孔見底點的高程，建立水平位移與高程的平面坐標系，採用內插法獲得底界線高程折線方程；
選擇合適等高距，計算等倍高程點的水平位移；根據井下定向孔水平位移得到對應點處的左右位移，並將等倍高程點的相對坐標值轉換為礦井平面坐標值；
獲得所有井下定向孔延伸方向上的等倍高程點高程值和礦井平面坐標值，將等倍高程點繪製在煤礦採掘工程平面圖中並繪製煤層等高線。
優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，所述井下定向孔相對坐標系基於以下公式建立：
式中，Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鑽孔主設計方位角，是鑽孔主設計方位線與磁北方向的夾角；△Li為測量間距。優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，
基於以下公式進行井下定向孔相對坐標系和礦井平面坐標系及高程系統的轉換：
En＝E0+Yn×cos(λ+β)+Xn×sin(λ+β)
Nn＝N0+Xn×cos(λ+β)-Yn×sin(λ+β)
Dn＝D0+Zn
式中：En為東偏值；Nn為北偏值；Dn為高程；E0為開孔點東偏值；N0為開孔點北偏值；D0為開孔點高程；Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鑽孔主設計方位角；β為磁偏角。優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，基於下式建立底界線高程折線方程：
式中：Da為第m段底界線折線上任意水平位移的高程，Dm為第m段底界線折線終點的高程；Xm為第m段底界線折線終點的水平位移；Xm-1為第m段底界線折線起點的水平位移；Xa為第m段底界線折線上任意一點的水平位移。
優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，等倍高程點的水平位移基於底界線高程折線方程和/或作圖法獲得；其中，作圖法包括：在水平位移與高程的平面坐標系中，連接相同的等倍高程點形成等倍高程線，等倍高程線與底界線的交點即為等倍高程點，從圖中直接量出等倍高程點的橫坐標，即為等倍高程點的水平位移。
優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，近水平井下定向孔鑽進過程中，每隔60-100m施工上向分支探查頂界線，以確保井下定向孔沿煤層延伸；並且每鑽進3-6m進行一次鑽孔軌跡參數測量，獲得井下定向孔對應孔深處的傾角和方位角。
優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，以井下定向孔開孔點為坐標原點，鑽孔主設計方位線延伸方向為X軸正方向，水平順時針旋轉90°為Y軸正方向，豎直向上為Z軸正方向，建立井下定向孔相對坐標系；利用測量間隔、傾角和方位角等參數，採用已知的均角全距法計算出不同孔深處的相對坐標值，即水平位移、左右位移和上下位移。
優化的，上述的一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，所述等高線繪製步驟中：採用圓滑曲線依次連接高程相同的相鄰等倍高程點，形成煤層等高線；將井下定向孔覆蓋區域內的等高線與未知區域的原有等高線連接；在等高線上或一側標註上高程值，完成等高線繪製。
因此，本發明利用煤礦企業大量施工的井下定向孔的探查頂板、探查底板數據，結合井下定向孔描述採用的相對坐標系與煤礦採掘工程平面圖採用的礦井平面坐標系和高程系統轉換，計算出鑽孔延伸方向上的煤層底界線高程，得到等倍高程點的高程值和礦井平面坐標值，然後依次連線繪製出實際煤層等高線。該方法解決了當前採用前期地面勘探孔施工資料和地面物探探查結果繪製的煤層等高線存在的誤差偏大的問題，實現了煤層等高線的準確繪製和實時修正，為煤礦採掘工程設計與施工、隱蔽地質異常體探查等提供精確參考，確保煤層安全高效開採。
附圖說明
附圖1是建立的水平位移與高程的平面坐標系及等倍高程點繪圖法計算示例；
附圖2是本發明的一種工作流程圖；
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
圖中，井下定向孔1、煤層2、頂板3、底板4、頂界線5、底界線6、開孔點7、見頂點8、見底點9、等倍高程點10、等倍高程線11、等高線12、覆蓋區域13、未知區域14。
實施例：
參見圖1，一種基於井下定向孔的煤層等高線繪製方法，包括以下步驟：
步驟一：井下定向孔1施工與軌跡參數測量。在煤礦採掘空間內施工近水平井下定向孔1，鑽進過程中，每隔60～100m施工上向分支探查頂界線5，確保井下定向孔1沿煤層2延伸。同時，每鑽進3～6m利用隨鑽測量量裝置進行一次鑽孔軌跡參數測量，獲得井下定向孔1對應孔深處的傾角和方位角，孔深通過鑽杆累加得到。
步驟二：鑽孔相對坐標值計算。以井下定向孔1開孔點7為坐標原點，鑽孔主設計方位線延伸方向為X軸正方向，水平順時針旋轉90°為Y軸正方向，豎直向上為Z軸正方向，建立井下定向孔1相對坐標系；利用測量間隔、傾角和方位角等參數，採用已知的均角全距法計算出不同孔深處的相對坐標值，即水平位移、左右位移和上下位移。
步驟三：上下位移與高程轉換。從採掘工程平面圖中上獲得開孔點7礦井平面坐標值和高程值，即東偏值E0、北偏值N0和高程D0；利用井下定向孔1相對坐標系和高程系統轉換公式，將井下定向孔1不同孔深的相對坐標值上下位移轉換為高程值。
步驟四：底界線6高程折線方程。根據同一孔深時見底點9高程等於見頂點8高程減去煤層2厚度，計算出井下定向孔1見底點9的高程；以水平位移為X軸，高程為Y軸，建立水平位移與高程的平面坐標系，採用直線依次連接井下定向孔1的見底點9，形成多條折線；採用內插法獲得折線上任意水平位移的高程計算公式，即底界線6高程折線方程：
式中：Da為第m段底界線6折線上任意水平位移的高程，Dm為第m段底界線6折線終點的高程；Xm為第m段底界線6折線終點的水平位移；Xm-1為第m段底界線6折線起點的水平位移；Xa為第m段底界線6折線上任意一點的水平位移。
步驟五：等倍高程點10計算。參見圖2，根據繪圖精細度需要，選擇合適等高距；利用底界線6高程折線方程計算出等倍高程點10的水平位移；此外可以採用作圖法進行等倍高程點10計算，即在水平位移與高程的平面坐標系中，連接相同的等倍高程點10，形成等倍高程線11，等倍高程線11與底界線6的交點即為等倍高程點10，從圖中可直接量出該點的橫坐標，即為等倍高程點10的水平位移。根據井下定向孔1水平位移得到對應點處的左右位移。
步驟六：等倍高程點10坐標轉換。利用井下定向孔1相對坐標系和礦井平面坐標系轉換公式，將等倍高程點10的相對坐標值，即水平位移和左右位移，轉換為礦井平面坐標值，即東偏值和北偏值。
步驟七：重複步驟1～6，進行多個井下定向孔1施工，並獲得井下定向孔1延伸方向上的等倍高程點10高程值和礦井平面坐標值。
步驟八：等倍高程點上圖。將所有井下定向孔1的等倍高程點10繪製在煤礦採掘工程平面圖中。
步驟九：等高線12繪製。採用圓滑曲線依次連接高程相同的相鄰等倍高程點10，形成煤層2等高線12；將井下定向孔1覆蓋區域13內的等高線12與未知區域14的原有等高線12連接；在等高線12上或一側標註上高程值，完成等高線12繪製。
其中：開孔點7是指井下定向孔1的起點；底界線6是指煤層2與其下部底板4的交界線；頂界線5是指煤層2與其上部頂板3的交界線；見底點9是指井下定向孔1與底界線6的交點；見頂點8是指井下定向孔1與頂界線5的交點；等高距是指相鄰兩根等高線12的高程差值；等倍高程點10是指井下定向孔1軌跡延伸方向上高程為等高距整數倍的點。
其中，井下定向孔1相對坐標值由水平位移、左右位移和上下位移組成，採用均角全距法進行計算的公式為：
式中：Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鑽孔主設計方位角，是鑽孔主設計方位線與磁北方向的夾角；△Li為測量間距，3～6m。
其中，井下定向孔1礦井平面坐標值包括東偏值和北偏值兩個參數，相對坐標系和礦井平面坐標系及高程系統的轉換公式為：
En＝E0+Yn×cos(λ+β)+Xn×sin(λ+β)
Nn＝N0+Xn×cos(λ+β)-Yn×sin(λ+β)
Dn＝D0+Zn
式中：En為東偏值；Nn為北偏值；Dn為高程；E0為開孔點7東偏值；N0為開孔點7北偏值；D0為開孔點7高程；Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鑽孔主設計方位角；β為磁偏角。
儘管本文較多地使用了井下定向孔1、煤層2、頂板3、底板4、頂界線5、底界線6、開孔點7、見頂點8、見底點9、等倍高程點10、等倍高程線11、等高線12、覆蓋區域13、未知區域14等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。