本發(fā)明涉及一種等高線繪制方法，屬于煤礦井下坑道鉆探領(lǐng)域，具體涉及一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法。

背景技術(shù)：

采掘工程平面圖是將開采煤層或其分層內(nèi)的采掘工程和地質(zhì)情況，采用高程投影的原理，按一定比例尺繪制而成的圖紙。采掘工程平面圖是礦井生產(chǎn)施工的重要參考依據(jù)，可根據(jù)其中的煤層等高線獲得煤層起伏情況，進(jìn)行采掘工程和鉆孔布置，并輔助探查探查隱蔽致災(zāi)地質(zhì)異常體，確保安全施工，作用重大。

但是我國(guó)煤層采掘工作以井工開采為主，采掘空間一般位于地面以下300～800m，煤層起伏情況無法直觀觀察到，目前主要在礦井建設(shè)投產(chǎn)之前，利用前期地面勘探孔施工資料，結(jié)合地面物探探查結(jié)果繪制煤層等高線，礦井投產(chǎn)后，未對(duì)采掘工程平面圖煤層等高線進(jìn)行修正或重新繪制。由于地面勘探孔探查間距大、地面物探探查精度低，因此煤礦采掘工程平面圖煤層等高線與實(shí)際偏差較大，不能反映出真實(shí)的煤層起伏情況，為煤層高效開采和安全防護(hù)帶來極大危害。

為滿足礦井安全采煤需要，在采掘工程進(jìn)行之前，會(huì)提前施工大量井下定向孔進(jìn)行超前煤層瓦斯抽采，其鉆孔密度和覆蓋面積大，并鉆孔實(shí)鉆軌跡容易獲得。但井下定向孔均采用相對(duì)坐標(biāo)系描述，與采掘平面圖采用的高程系統(tǒng)和礦井平面坐標(biāo)系不同。

因此，本發(fā)明結(jié)合煤層采掘過程中提前掌握煤層起伏情況需要，針對(duì)目前煤礦采掘工程平面圖煤層等高線誤差偏大的不足，研究設(shè)計(jì)了一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，克服了上述缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前煤礦采掘工程平面圖煤層等高線誤差偏大的不足，提供了一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法。該方法利用井下定向孔的探查頂板、探查底板數(shù)據(jù)，結(jié)合井下定向孔描述采用的相對(duì)坐標(biāo)系與煤礦采掘工程平面圖采用的高程系統(tǒng)和礦井平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出鉆孔延伸方向上的煤層底界線高程，得到等倍高程點(diǎn)的高程值和礦井平面坐標(biāo)值，然后依次連線繪制出實(shí)際煤層等高線。解決了當(dāng)前采用前期地面勘探孔施工資料和地面物探探查結(jié)果繪制的煤層等高線存在的誤差偏大的問題，實(shí)現(xiàn)了煤層等高線的準(zhǔn)確繪制和實(shí)時(shí)修正，為煤礦采掘工程設(shè)計(jì)與施工、隱蔽地質(zhì)異常體探查等提供精確參考，確保煤層安全高效開采。

本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：

一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，包括：

以井下定向孔的開孔點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立井下定向孔相對(duì)坐標(biāo)系，計(jì)算出井下定向孔不同孔深處的相對(duì)坐標(biāo)值；將井下定向孔不同孔深處的相對(duì)坐標(biāo)值的上下位移轉(zhuǎn)換為礦井高程系統(tǒng)中的高程值；

計(jì)算出井下定向孔見底點(diǎn)的高程，建立水平位移與高程的平面坐標(biāo)系，采用內(nèi)插法獲得底界線高程折線方程；

選擇合適等高距，計(jì)算等倍高程點(diǎn)的水平位移；根據(jù)井下定向孔水平位移得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的左右位移，并將等倍高程點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為礦井平面坐標(biāo)值；

獲得所有井下定向孔延伸方向上的等倍高程點(diǎn)高程值和礦井平面坐標(biāo)值，將等倍高程點(diǎn)繪制在煤礦采掘工程平面圖中并繪制煤層等高線。

優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，所述井下定向孔相對(duì)坐標(biāo)系基于以下公式建立：

$X_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×cos(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×sin(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Z_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)$

式中，X_n為水平位移；Y_n為左右位移；Z_n為上下位移；λ為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角，是鉆孔主設(shè)計(jì)方位線與磁北方向的夾角；△L_i為測(cè)量間距。優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，

基于以下公式進(jìn)行井下定向孔相對(duì)坐標(biāo)系和礦井平面坐標(biāo)系及高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換：

E_n＝E₀+Y_n×cos(λ+β)+X_n×sin(λ+β)

N_n＝N₀+X_n×cos(λ+β)-Y_n×sin(λ+β)

D_n＝D₀+Z_n

式中：E_n為東偏值；N_n為北偏值；D_n為高程；E₀為開孔點(diǎn)東偏值；N₀為開孔點(diǎn)北偏值；D₀為開孔點(diǎn)高程；X_n為水平位移；Y_n為左右位移；Z_n為上下位移；λ為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角；β為磁偏角。優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，基于下式建立底界線高程折線方程：

$D_a=D_m-\frac{X_m-X_a}{X_m-X_{m-1}}$

式中：D_a為第m段底界線折線上任意水平位移的高程，D_m為第m段底界線折線終點(diǎn)的高程；X_m為第m段底界線折線終點(diǎn)的水平位移；X_m-1為第m段底界線折線起點(diǎn)的水平位移；X_a為第m段底界線折線上任意一點(diǎn)的水平位移。

優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，等倍高程點(diǎn)的水平位移基于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(biāo)系中，連接相同的等倍高程點(diǎn)形成等倍高程線，等倍高程線與底界線的交點(diǎn)即為等倍高程點(diǎn)，從圖中直接量出等倍高程點(diǎn)的橫坐標(biāo)，即為等倍高程點(diǎn)的水平位移。

優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，近水平井下定向孔鉆進(jìn)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；并且每鉆進(jìn)3-6m進(jìn)行一次鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量，獲得井下定向孔對(duì)應(yīng)孔深處的傾角和方位角。

優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，以井下定向孔開孔點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，鉆孔主設(shè)計(jì)方位線延伸方向?yàn)閄軸正方向，水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(duì)坐標(biāo)系；利用測(cè)量間隔、傾角和方位角等參數(shù)，采用已知的均角全距法計(jì)算出不同孔深處的相對(duì)坐標(biāo)值，即水平位移、左右位移和上下位移。

優(yōu)化的，上述的一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，所述等高線繪制步驟中：采用圓滑曲線依次連接高程相同的相鄰等倍高程點(diǎn)，形成煤層等高線；將井下定向孔覆蓋區(qū)域內(nèi)的等高線與未知區(qū)域的原有等高線連接；在等高線上或一側(cè)標(biāo)注上高程值，完成等高線繪制。

因此，本發(fā)明利用煤礦企業(yè)大量施工的井下定向孔的探查頂板、探查底板數(shù)據(jù)，結(jié)合井下定向孔描述采用的相對(duì)坐標(biāo)系與煤礦采掘工程平面圖采用的礦井平面坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，計(jì)算出鉆孔延伸方向上的煤層底界線高程，得到等倍高程點(diǎn)的高程值和礦井平面坐標(biāo)值，然后依次連線繪制出實(shí)際煤層等高線。該方法解決了當(dāng)前采用前期地面勘探孔施工資料和地面物探探查結(jié)果繪制的煤層等高線存在的誤差偏大的問題，實(shí)現(xiàn)了煤層等高線的準(zhǔn)確繪制和實(shí)時(shí)修正，為煤礦采掘工程設(shè)計(jì)與施工、隱蔽地質(zhì)異常體探查等提供精確參考，確保煤層安全高效開采。

附圖說明

附圖1是建立的水平位移與高程的平面坐標(biāo)系及等倍高程點(diǎn)繪圖法計(jì)算示例；

附圖2是本發(fā)明的一種工作流程圖；

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)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(diǎn)7、見頂點(diǎn)8、見底點(diǎn)9、等倍高程點(diǎn)10、等倍高程線11、等高線12、覆蓋區(qū)域13、未知區(qū)域14。

實(shí)施例：

參見圖1，一種基于井下定向孔的煤層等高線繪制方法，包括以下步驟：

步驟一：井下定向孔1施工與軌跡參數(shù)測(cè)量。在煤礦采掘空間內(nèi)施工近水平井下定向孔1，鉆進(jìn)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(shí)，每鉆進(jìn)3～6m利用隨鉆測(cè)量量裝置進(jìn)行一次鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量，獲得井下定向孔1對(duì)應(yīng)孔深處的傾角和方位角，孔深通過鉆桿累加得到。

步驟二：鉆孔相對(duì)坐標(biāo)值計(jì)算。以井下定向孔1開孔點(diǎn)7為坐標(biāo)原點(diǎn)，鉆孔主設(shè)計(jì)方位線延伸方向?yàn)閄軸正方向，水平順時(shí)針旋轉(zhuǎn)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(duì)坐標(biāo)系；利用測(cè)量間隔、傾角和方位角等參數(shù)，采用已知的均角全距法計(jì)算出不同孔深處的相對(duì)坐標(biāo)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(zhuǎn)換。從采掘工程平面圖中上獲得開孔點(diǎn)7礦井平面坐標(biāo)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(duì)坐標(biāo)系和高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換公式，將井下定向孔1不同孔深的相對(duì)坐標(biāo)值上下位移轉(zhuǎn)換為高程值。

步驟四：底界線6高程折線方程。根據(jù)同一孔深時(shí)見底點(diǎn)9高程等于見頂點(diǎn)8高程減去煤層2厚度，計(jì)算出井下定向孔1見底點(diǎn)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(biāo)系，采用直線依次連接井下定向孔1的見底點(diǎn)9，形成多條折線；采用內(nèi)插法獲得折線上任意水平位移的高程計(jì)算公式，即底界線6高程折線方程：

$D_a=D_m-\frac{X_m-X_a}{X_m-X_{m-1}}$

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(diǎn)的高程；Xm為第m段底界線6折線終點(diǎn)的水平位移；Xm-1為第m段底界線6折線起點(diǎn)的水平位移；Xa為第m段底界線6折線上任意一點(diǎn)的水平位移。

步驟五：等倍高程點(diǎn)10計(jì)算。參見圖2，根據(jù)繪圖精細(xì)度需要，選擇合適等高距；利用底界線6高程折線方程計(jì)算出等倍高程點(diǎn)10的水平位移；此外可以采用作圖法進(jìn)行等倍高程點(diǎn)10計(jì)算，即在水平位移與高程的平面坐標(biāo)系中，連接相同的等倍高程點(diǎn)10，形成等倍高程線11，等倍高程線11與底界線6的交點(diǎn)即為等倍高程點(diǎn)10，從圖中可直接量出該點(diǎn)的橫坐標(biāo)，即為等倍高程點(diǎn)10的水平位移。根據(jù)井下定向孔1水平位移得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的左右位移。

步驟六：等倍高程點(diǎn)10坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用井下定向孔1相對(duì)坐標(biāo)系和礦井平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式，將等倍高程點(diǎn)10的相對(duì)坐標(biāo)值，即水平位移和左右位移，轉(zhuǎn)換為礦井平面坐標(biāo)值，即東偏值和北偏值。

步驟七：重復(fù)步驟1～6，進(jìn)行多個(gè)井下定向孔1施工，并獲得井下定向孔1延伸方向上的等倍高程點(diǎn)10高程值和礦井平面坐標(biāo)值。

步驟八：等倍高程點(diǎn)上圖。將所有井下定向孔1的等倍高程點(diǎn)10繪制在煤礦采掘工程平面圖中。

步驟九：等高線12繪制。采用圓滑曲線依次連接高程相同的相鄰等倍高程點(diǎn)10，形成煤層2等高線12；將井下定向孔1覆蓋區(qū)域13內(nèi)的等高線12與未知區(qū)域14的原有等高線12連接；在等高線12上或一側(cè)標(biāo)注上高程值，完成等高線12繪制。

其中：開孔點(diǎn)7是指井下定向孔1的起點(diǎn)；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(diǎn)9是指井下定向孔1與底界線6的交點(diǎn)；見頂點(diǎn)8是指井下定向孔1與頂界線5的交點(diǎn)；等高距是指相鄰兩根等高線12的高程差值；等倍高程點(diǎn)10是指井下定向孔1軌跡延伸方向上高程為等高距整數(shù)倍的點(diǎn)。

其中，井下定向孔1相對(duì)坐標(biāo)值由水平位移、左右位移和上下位移組成，采用均角全距法進(jìn)行計(jì)算的公式為：

$X_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×cos(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Y_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)\×sin(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_{i-1}}{2}-\mathrm{\λ})$

$Z_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔL}}_i\×sin\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\θ}}_{i-1}}{2}\right)$

式中：Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角，是鉆孔主設(shè)計(jì)方位線與磁北方向的夾角；△Li為測(cè)量間距，3～6m。

其中，井下定向孔1礦井平面坐標(biāo)值包括東偏值和北偏值兩個(gè)參數(shù)，相對(duì)坐標(biāo)系和礦井平面坐標(biāo)系及高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換公式為：

E_n＝E₀+Y_n×cos(λ+β)+X_n×sin(λ+β)

N_n＝N₀+X_n×cos(λ+β)-Y_n×sin(λ+β)

D_n＝D₀+Z_n

式中：En為東偏值；Nn為北偏值；Dn為高程；E0為開孔點(diǎn)7東偏值；N0為開孔點(diǎn)7北偏值；D0為開孔點(diǎn)7高程；Xn為水平位移；Yn為左右位移；Zn為上下位移；λ為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角；β為磁偏角。

盡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(diǎn)7、見頂點(diǎn)8、見底點(diǎn)9、等倍高程點(diǎn)10、等倍高程線11、等高線12、覆蓋區(qū)域13、未知區(qū)域14等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。