一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，包括：步骤1：地质探测获得建模数据来源，构建工作面初始地质模型；步骤2：设计煤矿井下底板定向梳状孔，进行定向钻孔并收集钻探数据；步骤3：根据钻探数据得到岩性分层曲线，岩性分层曲线与钻孔轨迹联合得到目标层顶底界面数据集；步骤4：在分层的基础上，提取各钻孔实钻轨迹上构造的位置并对工作面初始地质模型进行修正，将目标层内修正的构造进行联合，形成构造的数据集；步骤5：根据所述目标层顶底界面数据集和构造的数据集，绘制三维空间分布即得。本发明专利技术可精细探测煤层界面、煤层内部的构造，构建透明工作面，为智能开采提供精细探测的数据。智能开采提供精细探测的数据。智能开采提供精细探测的数据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法


[0001]本专利技术涉及煤矿井下定向钻孔及智能开采
，具体涉及一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法。

技术介绍

[0002]采用底板梳状长钻孔技术，将主孔布置在适宜定向钻进且成孔性好的岩层中，通过分支孔在煤层段延伸，可以解决底板岩巷密集穿层钻孔采前抽采煤巷条带瓦斯方法中钻孔工程量大、穿层孔有效孔段利用率低的问题，将主孔布置在硬岩层位以上，避免所有穿层钻孔全部需要穿越硬岩层的问题，节约煤巷条带预抽瓦斯的时间，同时，在待采工作面施工底板梳状钻孔也可替代本煤层抽放钻孔，完成待采煤层瓦斯超前治理。另外，该技术采用定向钻进技术，解决构造复杂条件下难以施工长距离顺层钻孔的难题，为工作面接替和矿井安全生产提供保障。目前底板梳状定向长钻孔仅用于抽放瓦斯的目的，未能充分利用，可以在底板梳状定向长钻孔成孔过程中探测煤岩起伏走向、地质异常体、水害的位置，形成透明工作面，为后续的精准采煤提供更精细的地质条件和灾害预报。
[0003]现有技术存在以下缺陷：
[0004]煤矿井下底板长距离梳状定向钻进技术相比常规钻探技术，它可以实时测量钻孔轨迹，动态控制钻孔偏斜，还可以通过分支孔进行煤层的探顶、探底作业，对煤层顶底板标高、煤厚变化、地质异常体探测精度能够达到分米级别。目前透明工作面的实现方法大都基于物探方法，还未对定向钻探获取的数据进行有效利用，完全可以基于定向钻进对工作面地质条件的探测结果，实现工作面透明化，为煤矿智能开采提供高精度的地质模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，解决的技术问题是通过底板长距离梳状定向钻进获取的精确钻探数据，对基于初始地质探测工程数据建立的工作面地质模型进行修正，形成待开采煤层透明工作面。
[0006]一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，包括：
[0007]步骤1：地质探测获得建模数据来源，构建工作面初始地质模型；
[0008]步骤2：设计煤矿井下底板定向梳状孔，进行定向钻孔并收集钻探数据；
[0009]所述的煤矿井下底板定向梳状孔包括主孔和分支孔，主孔的开孔倾角大于底板岩层倾角5～10
°
，选择砂岩层为主孔延伸层位；
[0010]所述的分支孔由主孔预留分支点向上穿岩进入煤层，得到一个煤层底板探查点，继续沿钻孔轨迹平滑上穿煤层探查到顶板得到一个顶板探查点，获得探顶次分支孔及探底次分支孔交替行进；
[0011]步骤3：根据钻探数据得到岩性分层曲线，岩性分层曲线与钻孔轨迹联合得到目标层顶底界面数据集；
[0012]步骤4：在分层的基础上，提取各钻孔实钻轨迹上构造的位置并对工作面初始地质
模型进行修正，将目标层内修正的构造进行联合，形成构造的数据集；
[0013]步骤5：根据所述目标层顶底界面数据集和构造的数据集，绘制三维空间分布即得。
[0014]可选的，所述主孔的钻孔轨迹弯曲强度不超过1
°
/3m；相邻探底次分支孔或探顶次分支孔间距保持在3～5m。
[0015]可选的，在满足瓦斯抽采要求下宜控制主孔间距在5～10m，，主孔采用前进式开分支的方式施工，轨迹设计时应相隔一定距离预留分支点，分支点间距不大于分支孔在煤层中延伸距离。
[0016]可选的，当煤层厚度大于5m且沿煤层厚度方向煤岩性质差异f系数相差超过0.3，将分支孔布置在靠近成孔稳定性好的一侧；次分支孔数量为分支孔最大延伸距离与次分支孔间距的比值。
[0017]可选的，当待抽采煤层透气性极差使钻孔抽采影响半径小于3m，主孔间隔距离5m仍存在抽采覆盖盲区时，分支孔进入煤层后第一个探顶次分支孔靠钻孔轨迹前进方向偏左或右布置，下一个探顶次分支孔则相应地靠右或左布置，同理布置探底分支孔；孔间隔距离在2～3m且不超过抽采影响范围，同时左右两侧的次分支孔应能实现前后搭接，避免前进方向的探查及抽采盲区。
[0018]可选的，所述步骤2的定向钻孔包括：
[0019]步骤一：依次连接钻头、孔底马达、下无磁钻杆、测量探管、上无磁钻杆、下绝缘钻杆、钻杆、水便等孔内钻具及测量仪器，并接好水泵及准备好钻机；
[0020]步骤二：打开钻机轨迹测量防爆电脑和水泵，启动钻机进行底板岩层主孔定向钻进，钻至设计分支点后进行第一个主分支孔前进式开分支，继续探顶次分支孔和探底次分支孔的钻进；
[0021]步骤三：测量探管用于测量钻孔轨迹信息并由钻机轨迹测量防爆电脑记录及存储，钻进过程中关注返渣情况，从而判断岩性变化并及时记录；
[0022]步骤四：应初步利用第一个分支孔探明目标煤层顶底板状况，遇实钻揭露与初始地质模型差距较大时，及时根据实钻结果调整后续主孔及分支钻孔设计；
[0023]步骤五：完成第一个分支孔施工后将钻具提回主孔后，继续进行主孔及后续分支孔施工；
[0024]步骤六：完成全部分支钻孔施工后提钻，提取孔内测量的存储数据；
[0025]步骤七：根据第一个钻孔的施工数据进行其余钻孔的设计调整，并重复步骤一至六完成其余设计钻孔的施工后，提取各钻孔的孔内施钻数据。
[0026]可选的，所述步骤3的根据钻探数据得到岩性分层曲线包括：
[0027]将目标层在钻孔轨迹上的分界点提取出来，形成顶底界面分界点数据集，然后进行分层数据集的处理，连接各层分界点，建立岩性分层曲线。
[0028]可选的，所述分层数据集的处理方法为，将目标层沿层高垂直面网格划分，则确定了各网格点的x、y坐标，各网格点顶底界面z坐标数据通过其最近3个实测点插值计算得到，相邻网格点间距为2～3m。
[0029]可选的，以顶板网格点W
ij
(x
ij
，y
ij
，z
ij
)为例，网格点z轴顶板坐标z
ij
插值计算方法为，其相邻3个最近的实际揭露顶板界面坐标点为M
D1
(x
D1
，y
D1
，z
D1
)、M
D2
(x
D2
，y
D2
，z
D2
)、M
D3
(x
D3
，
y
D3
，z
D3
)，两个点的方向向量M
D1
M
D2
＝(x
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‑
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，y
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‑
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，z
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，包括：步骤1：地质探测获得建模数据来源，构建工作面初始地质模型；步骤2：设计煤矿井下底板定向梳状孔，进行定向钻孔并收集钻探数据；所述的煤矿井下底板定向梳状孔包括主孔和分支孔，主孔的开孔倾角大于底板岩层倾角5～10
°
，选择砂岩层为主孔延伸层位；所述的分支孔由主孔预留分支点向上穿岩进入煤层，得到一个煤层底板探查点，继续沿钻孔轨迹平滑上穿煤层探查到顶板得到一个顶板探查点，获得探顶次分支孔及探底次分支孔交替行进；步骤3：根据钻探数据得到岩性分层曲线，岩性分层曲线与钻孔轨迹联合得到目标层顶底界面数据集；步骤4：在分层的基础上，提取各钻孔实钻轨迹上构造的位置并对工作面初始地质模型进行修正，将目标层内修正的构造进行联合，形成构造的数据集；步骤5：根据所述目标层顶底界面数据集和构造的数据集，绘制三维空间分布即得。2.根据权利要求1所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，所述主孔的钻孔轨迹弯曲强度不超过1
°
/3m；相邻探底次分支孔或探顶次分支孔间距保持在3～5m。3.根据权利要求1或2所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，在满足瓦斯抽采要求下宜控制主孔间距在5～10m，，主孔采用前进式开分支的方式施工，轨迹设计时应相隔一定距离预留分支点，分支点间距不大于分支孔在煤层中延伸距离。4.根据权利要求1或2所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，当煤层厚度大于5m且沿煤层厚度方向煤岩性质差异f系数相差超过0.3，将分支孔布置在靠近成孔稳定性好的一侧；次分支孔数量为分支孔最大延伸距离与次分支孔间距的比值。5.根据权利要求1或2所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，当待抽采煤层透气性极差使钻孔抽采影响半径小于3m，主孔间隔距离5m仍存在抽采覆盖盲区时，分支孔进入煤层后第一个探顶次分支孔靠钻孔轨迹前进方向偏左或右布置，下一个探顶次分支孔则相应地靠右或左布置，同理布置探底分支孔；孔间隔距离在2～3m且不超过抽采影响范围，同时左右两侧的次分支孔应能实现前后搭接，避免前进方向的探查及抽采盲区。6.根据权利要求1或2所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤2的定向钻孔包括：步骤一：依次连接钻头、孔底马达、下无磁钻杆、测量探管、上无磁钻杆、下绝缘钻杆、钻杆、水便等孔内钻具及测量仪器，并接好水泵及准备好钻机；步骤二：打开钻机轨迹测量防爆电脑和水泵，启动钻机进行底板岩层主孔定向钻进，钻至设计分支点后进行第一个主分支孔前进式开分支，继续探顶次分支孔和探底次分支孔的钻进；步骤三：测量探管用于测量钻孔轨迹信息并由钻机轨迹测量防爆电脑记录及存储，钻进过程中关注返渣情况，从而判断岩性变化并及时记录；
步骤四：应初步利用第一个分支孔探明目标煤层顶底板状况，遇实钻揭露与初始地质模型差距较大时，及时根据实钻结果调整后续主孔及分支钻孔设计；步骤五：完成第一个分支孔施工后将钻具提回主孔后，继续进行主孔及后续分支孔施工；步骤六：完成全部分支钻孔施工后提钻，提取孔内测量的存储数据；步骤七：根据第一个钻孔的施工数据进行其余钻孔的设计调整，并重复步骤一至六完成其余设计钻孔的施工后，提取各钻孔的孔内施钻数据。7.根据权利要求1或2所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤3的根据钻探数据得到岩性分层曲线包括：将目标层在钻孔轨迹上的分界点提取出来，形成顶底界面分界点数据集，然后进行分层数据集的处理，连接各层分界点，建立岩性分层曲线。8.根据权利要求7所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，所述分层数据集的处理方法为，将目标层沿层高垂直面网格划分，则确定了各网格点的x、y坐标，各网格点顶底界面z坐标数据通过其最近3个实测点插值计算得到，相邻网格点间距为2～3m。9.根据权利要求8所述的基于底板定向梳状孔的碎软煤层透明工作面构建方法，其特征在于，以顶板网格点W
ij
(x
ij
，y
ij
，z
ij
)为例，网格点z轴顶板坐标z
ij
插值计算方法为，其相邻3个最近的实际揭露顶板界面坐标点为M
D1
(x
D1
，y
D1
，z
D1
)、M
D2
(x
D2
，y
D2
，z
D2
)、M
D3
(x
D3
，y
D3
，z
D3
)，两个点的方向向量M
D1
M
D2
＝(x
D2
‑
x
D1
，y
D2
‑
y
D1
，z
D2
‑
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D1
)，M
D1
M
D3
＝(x

【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，张金宝，姚宁平，宋海涛，魏宏超，田宏亮，管强盛，陈天柱，
申请(专利权)人：中煤科工西安研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：