張幼振，范 濤，闞志濤，魏宏超，陳洪巖

煤礦巷道掘進(jìn)超前鉆探技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

張幼振1,2，范 濤1，闞志濤1，魏宏超1,2，陳洪巖1

(1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

隨著煤礦巷道智能快速掘進(jìn)的發(fā)展，掘進(jìn)工作面超前精細(xì)化探測(cè)需求日益迫切。結(jié)合巷道掘進(jìn)與坑道鉆探工作技術(shù)特點(diǎn)，分析了煤礦智能綠色開采地質(zhì)保障發(fā)展背景下巷道掘進(jìn)超前鉆探技術(shù)特征與技術(shù)需求。為有效解決探掘矛盾，提升超前鉆探技術(shù)裝備水平，闡述了掘探一體化、雙臂超前鉆探和基于定向鉆孔的綜合探測(cè)等技術(shù)裝備創(chuàng)新實(shí)踐。相關(guān)工程實(shí)踐表明，雙臂鉆機(jī)超前探施工效果明顯，試驗(yàn)巷道單月掘進(jìn)進(jìn)尺效率提升了30%；基于定向鉆孔技術(shù)，綜合使用孔內(nèi)多種物探手段，在山西某礦2203工作面進(jìn)行超前綜合探測(cè)，效果良好，探明多處斷層與陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造情況。結(jié)合智能化礦山技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從自動(dòng)化控制角度探討了由基礎(chǔ)自動(dòng)化層、過程控制層和智能決策層組成的智能鉆進(jìn)閉環(huán)控制策略；從鉆探信息融合發(fā)展角度，按照有數(shù)據(jù)、管數(shù)據(jù)、用數(shù)據(jù)的技術(shù)思路為鉆探信息挖掘與管理提供了新的視角。

超前鉆探；掘進(jìn)工作面；地質(zhì)保障；綜合探測(cè)；智能鉆探；鉆探信息管理

煤礦井下采掘失衡一直是煤礦安全高效生產(chǎn)的主要制約因素，我國煤礦井下巷道掘進(jìn)工程量浩大，每年新掘巷道長度超過12 000 km，巷道快速掘進(jìn)技術(shù)裝備是實(shí)現(xiàn)采掘平衡的根本需求，近年來智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展更為實(shí)現(xiàn)巷道安全快速掘進(jìn)提供了技術(shù)支撐[1-3]。作為煤礦巷道智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)中協(xié)同推進(jìn)的基礎(chǔ)保障，掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)探測(cè)仍然是面臨的主要難題。我國含煤地層沉積巖性、巖相及其組合特征各異，并且隨著煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，愈加復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和隱蔽致災(zāi)因素對(duì)巷道掘進(jìn)速度與安全性影響加劇，對(duì)巷道智能快速超前探測(cè)技術(shù)與裝備需求更為迫切[4-6]。

與范圍圈定的煤礦井下回采工作面相比，掘進(jìn)工作面超前探測(cè)的難度更大。通常利用鉆探和物探的技術(shù)手段，在巷道掘進(jìn)工作面前方探測(cè)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，然后根據(jù)探測(cè)結(jié)果科學(xué)制定掘進(jìn)技術(shù)方案與安全保障措施。鉆探法作為一種最直接的探測(cè)技術(shù)，具有精度高、直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，但鉆孔的探測(cè)范圍有限，受靶區(qū)影響大。地球物理探測(cè)方法多樣，但不同的物探方法存在各自的問題，諸如：易受干擾、探測(cè)距離小、分辨率差等。有效融合兩類探測(cè)方法的綜合探測(cè)技術(shù)研究應(yīng)用越來越多，在掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)、水害精細(xì)探測(cè)以及安全隱患綜合治理等方向取得了良好的實(shí)踐效果[7-10]。

當(dāng)前煤礦智能化建設(shè)正如火如荼，快速智能化勘探是大勢(shì)所趨。筆者從煤礦坑道鉆探角度出發(fā)，在分析煤礦巷道掘進(jìn)地質(zhì)保障鉆探需求的基礎(chǔ)上，分析梳理了近年來超前鉆探技術(shù)裝備從掘探一體化、快速超前探和基于定向鉆孔的綜合探測(cè)技術(shù)等三個(gè)方面開展的技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐，并從自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的視角探討了未來智能鉆探技術(shù)發(fā)展思路，以期為巷道掘進(jìn)地質(zhì)保障工作提供借鑒和思考。

1 巷道掘進(jìn)地質(zhì)保障中的鉆探需求

由于煤炭地質(zhì)保障的核心內(nèi)涵不斷豐富和發(fā)展，已由傳統(tǒng)的資源勘查到服務(wù)于煤礦智能綠色開采的地質(zhì)保障服務(wù)，巷道智能掘進(jìn)地質(zhì)保障中的鉆探需求亦在不斷發(fā)展。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定：煤礦巷道掘進(jìn)前，應(yīng)當(dāng)掌握掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)構(gòu)造、煤層及其頂?shù)装鍘r性、煤(巖)與瓦斯/二氧化碳突出危險(xiǎn)區(qū)、受水威脅區(qū)等地質(zhì)情況[11]。

井下坑道鉆探技術(shù)是實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)超前探測(cè)的最直觀和最重要的途徑。從鉆進(jìn)方式主要分為常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、穩(wěn)定組合鉆具受控定向鉆進(jìn)和隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)三種，近年來研制了系列坑道液壓鉆機(jī)、泥漿泵車、專用鉆具、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、沖洗液循環(huán)凈化系統(tǒng)等裝備，促進(jìn)了煤礦井下坑道鉆探裝備的升級(jí)換代。尤其近年來鉆進(jìn)裝備自動(dòng)化水平的提高和快速發(fā)展的井下長距離隨鉆定向測(cè)控鉆進(jìn)技術(shù)提升了鉆探安全與效率，保障了鉆探地質(zhì)服務(wù)質(zhì)量和精細(xì)化勘探水平。在探測(cè)掘進(jìn)面前方、巷道兩幫、巷道頂?shù)装宓却嬖诘碾[伏和構(gòu)造(包括斷層、陷落柱、褶曲、煤厚等)，查明地下水的賦存狀況、瓦斯異常以及災(zāi)害防治等方面發(fā)揮著重要作用。

鉆探是煤礦巷道快速掘進(jìn)的地質(zhì)保障關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于掘進(jìn)工作面超前探測(cè)具有以下技術(shù)要求：首先應(yīng)通過智能化手段提升鉆探質(zhì)量與鉆進(jìn)速度，進(jìn)一步發(fā)揮鉆探精準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)；其次應(yīng)從時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)掘探的協(xié)同作業(yè)，減少相互干擾，確保掘探施工的協(xié)調(diào)性；再次應(yīng)基于鉆探進(jìn)一步發(fā)展兩探融合技術(shù)，如基于超前鉆孔的瞬變電磁法與激發(fā)極化法[12-13]；最后應(yīng)確立鉆探信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足各種三維地質(zhì)仿真應(yīng)用系統(tǒng)共享和煤礦應(yīng)用集成要求。

隨著礦井人工智能、大數(shù)據(jù)、5G通信、云平臺(tái)等先進(jìn)通用技術(shù)的不斷發(fā)展，快速智能勘探是大勢(shì)所趨，綜合現(xiàn)有技術(shù)，掘進(jìn)超前鉆探需要實(shí)現(xiàn)從單一掘進(jìn)超前探測(cè)服務(wù)到快速掘進(jìn)生產(chǎn)智能地質(zhì)保障系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。鉆探不僅是一種初期巷道前方勘查、試驗(yàn)與后期驗(yàn)證的技術(shù)手段，未來更應(yīng)成為滿足煤礦智能化快速掘進(jìn)安全生產(chǎn)需要與地質(zhì)條件透明化需求的快速智能超前探測(cè)手段，為推動(dòng)智能化掘進(jìn)快速健康發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。

2 巷道掘進(jìn)超前鉆探技術(shù)裝備的創(chuàng)新實(shí)踐

我國煤礦掘進(jìn)工作面裝備種類繁多，工序復(fù)雜，包括掘進(jìn)、支護(hù)、轉(zhuǎn)運(yùn)和勘探等多種施工作業(yè)在有限的空間內(nèi)相互干擾，為超前鉆探施工帶來很大困難。近年來，超前鉆探技術(shù)裝備從掘探一體化、快速超前探和基于定向鉆孔的綜合探測(cè)技術(shù)等三個(gè)方面開展了創(chuàng)新實(shí)踐，推動(dòng)了煤礦井下坑道勘探技術(shù)進(jìn)步。

2.1 掘探一體化技術(shù)裝備

掘進(jìn)工作面超前鉆探，一般由液壓鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面前方與掘進(jìn)機(jī)交替作業(yè)。掘探過程工作流程復(fù)雜，裝備反復(fù)移位、裝拆，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，鉆探效率低。還有一類超前鉆探方式需要在巷道側(cè)幫根據(jù)掘進(jìn)速度每隔一定距離開拓專門的鉆場，工作量顯著增加，且超前探距離和精度有限，勘探效率也無法滿足巷道快速掘進(jìn)的要求。

針對(duì)掘進(jìn)與勘探不能連續(xù)作業(yè)，影響掘進(jìn)速度的問題，借鑒掘錨一體機(jī)的思想，國內(nèi)相關(guān)掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)從掘探一體化工藝優(yōu)化、鉆機(jī)搭載與定位技術(shù)、液壓系統(tǒng)集成化及可靠性研究等方面開展一系列技術(shù)攻關(guān)，以中煤科工集團(tuán)太原研究院和石家莊煤礦機(jī)械公司等為代表生產(chǎn)的EBZ160T、EBZ220T、EBZ260T等系列掘探一體機(jī)已在大中型煤礦井下得到應(yīng)用[14-15]。以鉆機(jī)安裝位置區(qū)分，掘探一體機(jī)主要有2種型式，如圖1所示，圖1a所示鉆機(jī)位于截割部的上側(cè)，通過兩級(jí)伸縮油缸和旋轉(zhuǎn)油缸的調(diào)節(jié)進(jìn)行不同角度的鉆探，鉆機(jī)中間加桿，可以實(shí)現(xiàn)多角度、多方位的小直徑淺孔鉆進(jìn)，但鉆進(jìn)能力有限，對(duì)整機(jī)的截割性能有一定影響。圖1b所示鉆機(jī)位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身一側(cè)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的滑軌裝置，施工前探孔時(shí)，鉆機(jī)從機(jī)身一側(cè)推出到指定位置，前探孔施工完成后退回到原來位置，不影響正常掘進(jìn)，在保證掘進(jìn)機(jī)正常工作的情況下，能夠有效完成綜掘工作面、頂板、底板以及兩幫一定范圍內(nèi)的鉆進(jìn)探測(cè)。但2種型式的掘探一體機(jī)均存在鉆孔深度和孔徑受到有限空間的極大制約，適應(yīng)性較差的問題。

圖1 掘探一體機(jī)鉆機(jī)安裝型式

掘探一體機(jī)作業(yè)分為掘進(jìn)狀態(tài)和鉆探狀態(tài)，鉆機(jī)一般以掘進(jìn)機(jī)主機(jī)液壓系統(tǒng)為動(dòng)力源，其工作液壓回路與掘進(jìn)機(jī)工作液壓系統(tǒng)相互閉鎖，并與電氣控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作狀態(tài)的互鎖功能，確保不能同時(shí)工作；并具有集中潤滑系統(tǒng)和工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保整機(jī)操控的安全性和可靠性。EBZ160T 型掘探一體機(jī)在山西潞安集團(tuán)某礦的生產(chǎn)工業(yè)性試驗(yàn)表明，機(jī)載鉆機(jī)使用過程中性能穩(wěn)定，減少了輔助作業(yè)時(shí)間，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了鉆探效率和掘進(jìn)進(jìn)尺速度，滿足一定條件下超前探測(cè)需求。

2.2 超前探雙臂鉆機(jī)及配套工藝

為提高掘進(jìn)工作面超前鉆探效率，在一定條件下多工作臂同時(shí)施工無疑是有效方法之一。公、鐵路隧道爆破鉆孔施工中，已廣泛應(yīng)用了多臂鑿巖鉆車，這類鉆車一般配備2～3個(gè)工作臂，有的甚至配有5個(gè)工作臂，各工作臂可獨(dú)立工作，互不影響。但其整體尺寸偏大，并且爆破鉆孔的深度較淺、孔徑較小，煤礦井下超前鉆探無法直接照搬這類工程機(jī)械鉆車的結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合礦方需求，中煤科工集團(tuán)西安研究院開發(fā)出ZDY2-1000LF、ZDY2-3200LF型分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機(jī)[16]，主要用于煤礦巷道掘進(jìn)工作面探放水、地質(zhì)構(gòu)造等隱蔽致災(zāi)因素探查孔的快速施工。

1) 整機(jī)設(shè)計(jì)方案

分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路是采用分體履帶形式，寬度窄、移動(dòng)靈活，可與掘進(jìn)機(jī)交替施工；具有2個(gè)可獨(dú)立操作的工作臂，可同時(shí)施工不同方位、角度的探測(cè)鉆孔；配備液驅(qū)水泵和礦用本安型鉆機(jī)開孔定位儀，利于實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)和開孔角度的精確測(cè)量。ZDY2-1000LF型鉆機(jī)三維模型如圖2所示。

圖2 分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機(jī)

2) 雙臂鉆機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)由于受到掘進(jìn)工作面空間的限制，設(shè)計(jì)為油缸鏈條給進(jìn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)身長度受限情況下給進(jìn)行程最大；變幅機(jī)構(gòu)采用多自由度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)主軸傾角在±90o范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；滑動(dòng)平臺(tái)使兩鉆臂主軸水平間距在1.2～1.9 m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。此外，回轉(zhuǎn)器主軸采用中心通孔式結(jié)構(gòu)，主軸的前后端蓋設(shè)計(jì)無骨架油封和V形旋轉(zhuǎn)圈配合密封的方式，提高防治水條件下的可靠性。

3) 鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用開式循環(huán)四泵系統(tǒng)，Ⅰ泵為負(fù)載敏感泵，配合負(fù)載敏感閥組成負(fù)載敏感泵閥系統(tǒng)，主要用于調(diào)節(jié)液壓水泵的輸入流量、壓力；Ⅱ泵和Ⅲ泵為變量柱塞泵，可實(shí)現(xiàn)泵車履帶行走、主機(jī)姿態(tài)調(diào)整及主機(jī)回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、起拔，并能控制穩(wěn)固油缸實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆車的調(diào)平；Ⅳ泵為變量柱塞泵，可實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)夾持器、卡盤的獨(dú)立工作。

4)配套快速成孔工藝的開發(fā)

ZDY2-1000LF型鉆機(jī)施工時(shí)，配套鉆具采用?75 mm金剛石復(fù)合片內(nèi)凹鉆頭和?50 mm、長度1 000 mm的高強(qiáng)度外平鉆桿。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)冷卻采用井下靜壓水，為防止靜壓水壓力過大損壞冷卻器，水路中增加截止閥。為縮短輔助鉆進(jìn)時(shí)間，提高鉆孔效率，采用中間加桿、后端卸桿的加卸鉆桿方式，無需反復(fù)拆卸水便。

2018年9月，ZDY2-1000LF型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)在山西高河能源有限公司E2308膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行了超前探放水現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。針對(duì)常規(guī)鉆機(jī)移位、穩(wěn)鉆及調(diào)角等輔助時(shí)間過長，導(dǎo)致鉆探施工效率低下等問題，根據(jù)現(xiàn)場探掘分離和一個(gè)檢修班內(nèi)完成全部超前探鉆孔施工的需求，應(yīng)用新型雙臂鉆機(jī)在每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)設(shè)計(jì)4個(gè)超前探鉆孔，每探100 m掘進(jìn)70 m，留設(shè)30 m安全距離，超前探放水鉆孔布置如圖3所示。鉆機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)累計(jì)鉆孔深度1 065 m，最大能力鉆孔深度200 m，雙主機(jī)同時(shí)作業(yè)3 h內(nèi)可完成2個(gè)100 m鉆孔。雙臂鉆機(jī)超前探施工效果良好，該巷道單月掘進(jìn)進(jìn)尺效率提升了30%。

圖3 掘進(jìn)超前探放水鉆孔布置

為提高勘探范圍與精細(xì)化程度，考慮配合雙臂鉆機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)工作面超前探測(cè)鉆孔的孔間無線電波透視技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)，完成前探鉆孔之間地質(zhì)異常體精細(xì)探測(cè)。重點(diǎn)對(duì)孔中高頻螺旋電磁波發(fā)射接收天線研發(fā)和非平行水平鉆孔間電磁波透視數(shù)據(jù)處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，形成超前探雙臂鉆機(jī)和孔間透視技術(shù)的綜合探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

2.3 基于定向鉆孔的綜合探測(cè)技術(shù)

煤礦井下定向鉆孔具有精度高、距離遠(yuǎn)、綜合成本低等優(yōu)勢(shì)，隨著近年來定向鉆孔施工能力和工程效率不斷提升，開發(fā)基于定向鉆孔的孔中物探技術(shù)是有效解決探掘矛盾，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)超前長距離、精準(zhǔn)探測(cè)的有效手段[17-18]。

定向鉆孔可直接探測(cè)地質(zhì)異常，利用側(cè)鉆分支技術(shù)可在地質(zhì)異常體附近施工多個(gè)角度的分支鉆孔，進(jìn)一步獲取地質(zhì)異常體空間信息；孔中物探能夠遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面各類干擾，在提高預(yù)測(cè)精度的同時(shí)有效擴(kuò)展鉆孔探測(cè)范圍。例如：利用常規(guī)鉆探+物探的施工方式掩護(hù)掘進(jìn)，每1 000 m的巷道至少需要進(jìn)行10次鉆探和物探施工；而采用定向鉆探+孔中物探施工方式，則只需進(jìn)行2次定向鉆孔與物探的施工。這將大大降低物探、鉆探施工總時(shí)間，在節(jié)約成本和提高掘進(jìn)效率上具有明顯優(yōu)勢(shì)?；诙ㄏ蜚@孔+孔中物探方法的選擇上，應(yīng)以瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)二者結(jié)合，確保一次施工完成孔旁隱伏水害和地質(zhì)構(gòu)造的綜合探測(cè)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、物探、鉆探三者有機(jī)結(jié)合。

山西某礦井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，已開采工作面內(nèi)部斷層、陷落柱分布十分密集，給巷道掘進(jìn)和工作面回采帶來了很大困難。為了在巷道開拓前對(duì)掘進(jìn)巷道遭遇地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行預(yù)估，在2203工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面采用定向鉆探+孔中物探技術(shù)開展了超前探測(cè)試驗(yàn)。定向鉆場施工主孔1個(gè)，孔深468 m，分支孔8個(gè)，進(jìn)尺663 m，累計(jì)進(jìn)尺1 131 m。1號(hào)定向鉆孔主孔、分支孔施工鉆孔軌跡剖面如圖4所示。該定向鉆孔在2203工作面2號(hào)煤與3號(hào)煤之間的夾層鉆進(jìn)，主孔探查構(gòu)造、分支孔用于探測(cè)煤層頂板和底板的空間位置。定向鉆探施工選用ZDY12000LD型全液壓坑道定向鉆機(jī)，BLY390/12型泥漿泵車，YHD3-3000型泥漿脈沖無線測(cè)量系統(tǒng)；定向鉆進(jìn)鉆具組合為：?89 mm高韌性螺旋鉆桿+ ?89 mm過濾鉆桿+ ?89 mm螺桿馬達(dá)+?120 mm定向鉆頭。采用復(fù)合定向鉆進(jìn)方式，即泥漿泵向孔底泵送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鉆機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，有效提高鉆進(jìn)效率，降低鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 1號(hào)定向鉆孔軌跡剖面

配合應(yīng)用的單孔時(shí)域、頻域電磁探測(cè)技術(shù)及裝備有效用于長度≥500 m、孔徑≥73 mm的定向鉆孔，徑向探測(cè)能力15～30 m，異常分辨率0.5～2 m，連續(xù)工作時(shí)間≥8 h。鉆孔瞬變電磁探測(cè)施工時(shí)，將探頭接于鉆桿前端，鉆桿每推進(jìn)2 m，通過防爆手機(jī)無線操作探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄該點(diǎn)的三分量二次場衰減曲線與測(cè)斜數(shù)據(jù)，直到完成整個(gè)鉆孔測(cè)量。

鉆孔瞬變電磁解釋成果如圖5所示，根據(jù)視電阻率值高低分為4層，在剖面圖上按照離鉆孔遠(yuǎn)近，依次對(duì)應(yīng)鉆孔所在的砂泥層、煤層、鉆孔以上煤層頂板/鉆孔以下煤層底板和更遠(yuǎn)地層，圖中紅色層電阻率最大值對(duì)應(yīng)層位為煤層。綜合兩探信息，可判斷掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)構(gòu)造情況，例如：在探測(cè)半徑5 m處，煤層標(biāo)識(shí)層出現(xiàn)多處斷裂不連續(xù)，與鉆孔雷達(dá)探測(cè)成果和自然伽馬測(cè)井成果吻合，推斷存在多處斷層與陷落柱；在主孔400～420 m之間，煤層標(biāo)識(shí)信號(hào)明顯減弱，且下方出現(xiàn)明顯的煤層信號(hào)反應(yīng)，鉆進(jìn)異常與返渣情況，推測(cè)該處存在陷落柱。總體來說，物探解釋的異常區(qū)域，能夠與定向鉆探探查的斷層、陷落柱位置以及鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)塌孔卡鉆和鉆壓異常區(qū)相互對(duì)應(yīng)，基于定向鉆孔結(jié)合孔內(nèi)多種物探手段的綜合探測(cè)效果較好。

圖5 鉆孔瞬變電磁解釋成果

3 智能超前鉆探技術(shù)發(fā)展思考

智能化礦山建設(shè)的浪潮為煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)發(fā)展帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，結(jié)合我國煤礦井下巷道超前鉆探施工特點(diǎn)及鉆探技術(shù)裝備發(fā)展水平，為構(gòu)建特定時(shí)空條件下的透明化掘進(jìn)巷道地質(zhì)模型，滿足智能快速掘進(jìn)地質(zhì)保障需求，更多的科技要素將引入到煤礦井下超前探測(cè)技術(shù)中。

3.1 智能化鉆探

我國煤礦區(qū)鉆探技術(shù)及裝備近年來得到迅速發(fā)展，逐步形成了適用于復(fù)雜地質(zhì)條件的煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備體系。其中，隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平[19-21]。作為煤礦安全與地質(zhì)保障的基礎(chǔ)支撐，鉆探技術(shù)及裝備的智能化研發(fā)迫在眉睫。

確保鉆探安全與提升鉆探效率仍然是當(dāng)前智能化鉆探技術(shù)發(fā)展的基本任務(wù)。對(duì)于煤礦巷道超前鉆探來說，還需要能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造、礦井災(zāi)害及危險(xiǎn)源進(jìn)行超前感知和防治，在復(fù)雜含煤地層和地質(zhì)構(gòu)造智能表征方面取得突破，從而保障快速掘進(jìn)等工作的順利進(jìn)行，滿足“透明礦井”超前鉆探安全高效探索未知的需求[22-23]。從自動(dòng)化控制的角度出發(fā)，提出智能化鉆探應(yīng)具有的鉆進(jìn)過程監(jiān)測(cè)、施鉆地層建模、鉆進(jìn)工況識(shí)別、智能鉆進(jìn)決策控制等功能模塊[24]。圖6為智能鉆進(jìn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于智能鉆進(jìn)系統(tǒng)軟件架構(gòu)與數(shù)據(jù)框架構(gòu)建，依據(jù)分層遞階的設(shè)計(jì)思想，集成包括基礎(chǔ)自動(dòng)化層、過程控制層和智能決策層的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

智能鉆進(jìn)控制實(shí)施過程中，首先利用基于多源信息融合的鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與孔底工程參數(shù)智能測(cè)量系統(tǒng)，獲取高價(jià)值密度的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)；然后提出基于特征聚類的地質(zhì)環(huán)境建模技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)獲取的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜施鉆地層的有效描述；在此基礎(chǔ)上，研發(fā)鉆進(jìn)工況智能識(shí)別技術(shù)和鉆進(jìn)過程智能控制技術(shù)，通過實(shí)時(shí)感知地層環(huán)境，智能調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆柱運(yùn)動(dòng)、泥漿循環(huán)、鉆孔軌跡延伸的有效控制，最終提升定向鉆探效率，保障鉆探工作安全。通過上述方法和技術(shù)集成的智能鉆進(jìn)控制策略，為智能化鉆探奠定了基礎(chǔ)，也是智能快速掘進(jìn)裝備機(jī)群協(xié)同控制的有機(jī)組成。

圖6 智能鉆進(jìn)控制系統(tǒng)模塊

3.2 鉆探信息挖掘與管理

智能鉆探的精細(xì)化地質(zhì)保障對(duì)信息管控提出了更高的要求，鉆探大數(shù)據(jù)的特性促使掘進(jìn)超前探測(cè)亟需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上做出轉(zhuǎn)變。基于鉆探的超前綜合探測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)為中心、計(jì)算為手段、智能數(shù)據(jù)解析與決策為需求的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)術(shù)思維，為鉆探信息挖掘與管理提供了新的技術(shù)思路。

由于鉆探可以獲取層狀地質(zhì)體中的最準(zhǔn)確、最有效的三維數(shù)據(jù)，成為早期地質(zhì)勘探工作中分析地質(zhì)環(huán)境、成礦規(guī)律、地層巖性的最直接、最重要的手段。新需求下的鉆探信息挖掘以隨鉆地質(zhì)信息的三維動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建為基礎(chǔ)，考慮探、掘、支、運(yùn)的快速掘進(jìn)工序，通過多源數(shù)據(jù)有效融合，開展鉆孔信息的三維建模和可視化平臺(tái)建設(shè)，并能根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)和巷道掘進(jìn)二次揭露數(shù)據(jù)自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三維模型的交互漫游、屬性查詢和剖切分析等，成為智能礦山建設(shè)的空間信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)(4D- GIS)的有機(jī)組成部分[25-26]。

鉆探信息管理要求為多工況交替變換、多隨機(jī)因素影響下的智能掘進(jìn)地質(zhì)保障動(dòng)態(tài)演化過程提供底層支持。如圖7所示煤礦巷道鉆探地質(zhì)信息協(xié)同架構(gòu)中，按照有數(shù)據(jù)，管數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)的整體思路，體現(xiàn)以智能化鉆探技術(shù)裝備為主的邊緣設(shè)備層、以大數(shù)據(jù)分析計(jì)算為主的云端平臺(tái)層和以礦山應(yīng)用保障為主的業(yè)務(wù)應(yīng)用層，以及各層對(duì)應(yīng)的信息感知、數(shù)據(jù)服務(wù)、智能決策和業(yè)務(wù)管理的協(xié)同運(yùn)行。

圖7 煤礦巷道鉆探地質(zhì)信息協(xié)同架構(gòu)

智能化鉆探裝備技術(shù)綜合物探和化探等方法為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在線處理提供基礎(chǔ)，云端平臺(tái)層向上可為礦井地質(zhì)、安全保障、應(yīng)急救援和調(diào)度決策等提供信息保障，向下與邊緣設(shè)備層進(jìn)行交互控制。最終通過信息流程化管理，逐漸深入到透明化勘探、智能化掘進(jìn)設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)綜合調(diào)度等實(shí)際環(huán)節(jié)，有利于主動(dòng)制訂新的礦山服務(wù)計(jì)劃，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低運(yùn)營成本。

4 結(jié)語

煤礦智能化的發(fā)展離不開基礎(chǔ)地質(zhì)工作的保障，但包括巷道掘進(jìn)工程在內(nèi)的煤炭地質(zhì)保障工作仍存在探測(cè)精度不足、動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)困難、信息融合不夠等難題。亟需提高鉆探智能化和鉆探信息深度挖掘與管理等對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境的辨識(shí)與適應(yīng)性能，切實(shí)發(fā)揮鉆探和物探等煤礦巷道掘進(jìn)超前探測(cè)在井下巷道前方地質(zhì)情況精細(xì)化探測(cè)和重大危險(xiǎn)源感知與預(yù)警等方面的關(guān)鍵作用，最終通過理論突破和技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)我國煤炭地質(zhì)保障體系的進(jìn)一步健康快速發(fā)展。

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Application and development of advanced drilling technology for coal mine roadway heading

ZHANG Youzhen1,2, FAN Tao1, KAN Zhitao1, WEI Hongchao1,2, CHEN Hongyan1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China；2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

With the development of intelligent and fast roadway heading in coal mines, the demand for advanced and fine exploration of heading face is becoming increasingly urgent. Considering the technical characteristics of roadway heading and tunnel drilling, this paper firstly analyzes the technical characteristics and technical requirements of roadway heading advanced drilling under the background of intelligent green mining of coal mines and describes the innovative practice of technology and equipment, such as the integration of excavation and exploration, dual-arm advanced drilling and comprehensive exploration based on directional drilling to effectively solve the contradiction of exploration and excavation and improve the level of advanced drilling technology and equipment. The related engineering practice shows that the advanced exploration construction effect of dual-arm drill is obvious, and the single month drivage efficiency of the field test roadway is improved by 30%. The advanced comprehensive detection effect is good at the working face 2203 in a coal mine of Shanxi based on a variety of geophysical exploration methods, and many geological structures such as faults and collapse columns have been verified. Combined with the development trend of intelligent mining technology, the closed-loop control strategy of intelligent drilling, which consists of basic automation layer, process control layer and intelligent decision layer, is discussed from the perspective of automatic control. From the perspective of drilling information integration development, it provides a new insight for drilling information mining and management following the technical ideas of data acquisition, data management and data application.

advanced drilling; heading face; geological security; integrated detection; intelligent drilling; drilling information management

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語音講解

TU41

A

1001-1986(2021)05-0286-08

2021-05-28；

2021-07-05

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51774320)；天地科技股份有限公司科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2020-TD-ZD003)；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020GY-089)

張幼振，1976年生，男，寧夏石嘴山人，博士，研究員，研究方向?yàn)槊旱V井下鉆探機(jī)具與工藝. E-mail：zhangyouzhen@cctegxian.com

張幼振，范濤，闞志濤，等. 煤礦巷道掘進(jìn)超前鉆探技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：286–293. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.033

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(責(zé)任編輯 郭東瓊)