一种顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔布置方法及探测方法与流程

本发明属于隧道工程超前探测预报，涉及一种顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔布置方法及探测方法。

背景技术：

1、

2、超前钻孔能够探测隧道掌子面前方煤层变化情况，准确预测煤层参数和瓦斯参数，是穿煤隧道开展瓦斯预抽预排处治煤层瓦斯的基础条件，可保障开挖过程中的生产安全。超前钻孔是目前使用较为广泛的一项瓦斯隧道施工阶段补充地质勘察、瓦斯防突排放的主要技术措施，《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》、公开号为cn115126529a的中国专利一种特定为预测隧道瓦斯气体的施工方法以及公开号为cn204299584u的中国专利一种隧道穿越煤层施工用超前探测钻孔施工结构都给出了穿煤隧道掌子面超前钻孔布孔方法。但是，该方法只针对隧道开挖方向与煤层走向夹角较大、短距离揭露穿过煤层的穿煤隧道。对于隧道开挖方向与煤层走向平行的顺煤层或者小夹角长距离穿过煤层的隧道，现有的超前钻孔布孔方法存在部分或全部超前钻孔和煤层走向平行，无法准确探测掌子面前方煤层赋存状态的问题，进而导致施工过程中对煤层瓦斯超前处治措施不到位，最终可能引发隧道掌子面开挖过程中出现瓦斯事故，威胁隧道施工安全。

3、因此，根据煤系地层隧道地勘情况，结合掌子面已揭露围岩特征，对于隧道开挖方向与煤层走向平行或小夹角长距离穿过煤层的隧道，在按照相关标准规范要求的超前钻孔布置方式的前提下，提出一种顺煤层长距离穿煤隧道扇形超前探测钻孔布置方法及探测方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔布置方法及探测方法，该顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔施工方法及探测方法能够准确且高效的探测前方顺煤层的煤层走向和煤层倾角在空间上分布特征，为进一步开展瓦斯预抽预排提供必要条件，对穿煤隧道防治瓦斯灾害具有重要作用，以解决现有的超前钻孔探测顺煤层会导致钻孔探煤的准确性变差、钻孔探煤效率低，无法准确探测掌子面前方煤层赋存状态，进而导致施工过程中对煤层瓦斯超前处治措施不到位的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔布置方法，煤层为位于隧道一侧的顺煤层，且所述顺煤层由后向前逐渐向隧道开挖面倾斜，具体包括以下步骤：

4、在隧道掌子面中心处以同一钻孔为起点依次施工五个超前探测钻孔，五个超前探测钻孔分别为一号钻孔、二号钻孔、三号钻孔、四号钻孔以及五号钻孔；

5、首先进行一号钻孔勘探：调整钻孔以向上倾斜角度α1、且向煤层所在一侧水平倾斜角度β1方向开始钻孔，并在钻渣中出现煤渣时记录此时钻孔深度为r1；

6、一号钻孔勘探完毕后，开始二号钻孔勘探：调整钻孔以向上倾斜角度α2、且向煤层所在一侧水平倾斜角度β2方向开始钻孔，并在钻渣中出现煤渣时记录此时钻孔深度为r2；

7、二号钻孔勘探完毕后，开始三号钻孔勘探：调整钻孔以向上倾斜角度α3、且向煤层所在一侧水平倾斜角度β3方向开始钻孔，并在钻渣中出现煤渣时记录此时钻孔深度为r3；

8、三号钻孔勘探完毕后，开始四号钻孔勘探：调整钻孔以向上倾斜角度α4、且向煤层所在一侧水平倾斜角度β4方向开始钻孔，并在钻渣中出现煤渣时记录此时钻孔深度为r4；

9、四号钻孔勘探完毕后，开始五号钻孔勘探：调整钻孔以向上倾斜角度α5、且向煤层所在一侧水平倾斜角度β5方向开始钻孔，并在钻渣中出现煤渣时记录此时钻孔深度为r5；

10、其中，所述α5>α4>α3＝α1>α2，所述β1>β4>β5＝β2>β3。

11、进一步，α1为10°～20°，β1为30°～40°；α2为0°～10°，β2为20°～30°；α3为10°～20°，β3为10°～20°；α4为20°～30°，β4为25°～30°；α5为30°～40°，β5为20°～30°。

12、进一步，煤层为位于隧道左侧的顺煤层。

13、进一步，煤层为位于隧道右侧的顺煤层。

14、进一步，在记录钻孔深度为r1后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r1"，记录钻孔穿越煤层的长度为b1＝r1"-r1，然后继续钻孔，当钻孔深度为r1"+0.5m以上时停止钻孔，一号钻孔勘探完毕；

15、在记录钻孔深度为r2后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r2"，记录钻孔穿越煤层的长度为b2＝r2"-r2，然后继续钻孔，当钻孔深度为r2"+0.5m以上时停止钻孔，二号钻孔勘探完毕；

16、在记录钻孔深度为r3后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r3"，记录钻孔穿越煤层的长度为b3＝r3"-r3，然后继续钻孔，当钻孔深度为r3"+0.5m以上时停止钻孔，三号钻孔勘探完毕；

17、在记录钻孔深度为r4后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r4"，记录钻孔穿越煤层的长度为b4＝r4"-r4，然后继续钻孔，当钻孔深度为r4"+0.5m以上时停止钻孔，四号钻孔勘探完毕；

18、在记录钻孔深度为r5后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r5"，记录钻孔穿越煤层的长度为b5＝r5"-r5，然后继续钻孔，当钻孔深度为r5"+0.5m以上时停止钻孔，五号钻孔勘探完毕。

19、另一方面，本发明还提供一种顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔探测方法，采用上述的顺煤层穿煤隧道超前探测钻孔布置方法，具体包括以下步骤：

20、以隧道掌子面中心处为原点o建立空间直角坐标系，以隧道中心线开挖方向为x轴正方向，以竖直向上方向为z轴正方向，以水平面上垂直x轴向左方向为y轴正方向，超前探测钻孔接触煤层的位置为点a，点a在直角空间坐标系内的坐标值为(xa，ya，za)，钻孔方向与xoy面的夹角即为钻孔竖直方向的倾角方向α，钻孔方向与xoz面的夹角即为钻孔水平方向的倾角β，钻孔原点o到煤层接触点a的直线距离即为钻孔中钻渣出现煤渣时的钻孔长度r，令点a到隧道中心线的距离为s；

21、其中，钻孔竖向倾角α、钻孔水平倾角β、钻孔中钻渣出现煤渣时的钻孔长度r均为已知数据，由α、β、r根据如下公式可以推断点a坐标(xa，ya，za)的值以及点a到隧道中心线的距离s的值；

22、

23、则五个超前探测钻孔的s值分别为以及

24、s1～s5中的最小值smin＝{s1，s2，s3，s4，s5}，若smin小于规定煤层距隧道极限安全值时，隧道应停止开挖并采取煤层瓦斯排放措施，若smin大于规定煤层距隧道极限安全值时无需进行煤层瓦斯排放。

25、进一步，根据一号钻孔、二号钻孔、四号钻孔以及五号钻孔与煤层接触点坐标值可以探测出煤层的倾角和走向，令煤层与xoz面的夹角为θ，煤层与xoy面的夹角为ω，具体包括以下步骤：

26、由一号钻孔与煤层接触点坐标值的(x1,y1,z1)、二号钻孔与煤层接触点坐标值的(x2,y2,z2)确定煤层接触面上的一个向量

27、由四号钻孔与煤层接触点坐标值的(x4,y4,z4)、五号钻孔与煤层接触点坐标值的(x5,y5,z5)确定煤层接触面上的另一个向量

28、由不共线的两个向量的叉积确定一个垂直于煤层接触面的法向量

29、

30、根据煤层接触面法向量和xoz面的一个法向量可以算出煤层接触面与xoz面之间的夹角θ:

31、

32、根据煤层接触面法向量和xoy面的一个法向量可以算出煤层接触面与xoy面之间的夹角ω:

33、

34、

35、所述煤层与xoz面的夹角θ为煤层走向线与隧道走向线之间夹角，煤层与xoy面的夹角ω为煤层的倾角，当smin小于规定煤层距隧道极限安全值时，隧道应停止开挖并采取煤层瓦斯排放措施，并结合上述的煤层的倾角及走向，为后续抽排钻孔布置方案提供依据。

36、进一步，在记录钻孔深度为r1后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r1"，记录钻孔穿越煤层的长度为b1＝r1"-r1，然后继续钻孔，当钻孔深度为r1"+0.5m以上时停止钻孔，一号钻孔勘探完毕；

37、在记录钻孔深度为r2后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r2"，记录钻孔穿越煤层的长度为b2＝r2"-r2，然后继续钻孔，当钻孔深度为r2"+0.5m以上时停止钻孔，二号钻孔勘探完毕；

38、在记录钻孔深度为r3后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r3"，记录钻孔穿越煤层的长度为b3＝r3"-r3，然后继续钻孔，当钻孔深度为r3"+0.5m以上时停止钻孔，三号钻孔勘探完毕；

39、在记录钻孔深度为r4后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r4"，记录钻孔穿越煤层的长度为b4＝r4"-r4，然后继续钻孔，当钻孔深度为r4"+0.5m以上时停止钻孔，四号钻孔勘探完毕；

40、在记录钻孔深度为r5后，继续钻孔，当钻渣中不含煤渣时记录此时钻孔深度为r5"，记录钻孔穿越煤层的长度为b5＝r5"-r5，然后继续钻孔，当钻孔深度为r5"+0.5m以上时停止钻孔，五号钻孔勘探完毕；

41、根据任一钻孔的布置角度α和β、钻孔穿越煤层的长度b、煤层接触面与坐标系平面夹角θ和ω可以计算出煤层的厚度h为：

42、

43、以探测所述的煤层厚度，为后续抽排钻孔布置方案提供依据。

44、本发明的有益效果在于：

45、本发明提供的一种顺煤层长距离穿煤隧道瓦斯探孔布置方法及探测方法，采用扇形钻孔布置探煤方法可以准确且高效的探测前方煤层走向、煤层厚度和煤层倾角在空间上的分布特征，可以避免盲目打孔所浪费的时间，使其能够更有效地排放隧道煤层瓦斯，提高隧道瓦斯治理的效率和安全性。

46、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。