張幼振,范 濤,闞志濤,魏宏超,陳洪巖
煤礦巷道掘進超前鉆探技術應用與發展
張幼振1,2,范 濤1,闞志濤1,魏宏超1,2,陳洪巖1
(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;2. 煤炭科學研究總院,北京 100013)
隨著煤礦巷道智能快速掘進的發展,掘進工作面超前精細化探測需求日益迫切。結合巷道掘進與坑道鉆探工作技術特點,分析了煤礦智能綠色開采地質保障發展背景下巷道掘進超前鉆探技術特征與技術需求。為有效解決探掘矛盾,提升超前鉆探技術裝備水平,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等技術裝備創新實踐。相關工程實踐表明,雙臂鉆機超前探施工效果明顯,試驗巷道單月掘進進尺效率提升了30%;基于定向鉆孔技術,綜合使用孔內多種物探手段,在山西某礦2203工作面進行超前綜合探測,效果良好,探明多處斷層與陷落柱等地質構造情況。結合智能化礦山技術的發展趨勢,從自動化控制角度探討了由基礎自動化層、過程控制層和智能決策層組成的智能鉆進閉環控制策略;從鉆探信息融合發展角度,按照有數據、管數據、用數據的技術思路為鉆探信息挖掘與管理提供了新的視角。
超前鉆探;掘進工作面;地質保障;綜合探測;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的主要制約因素,我國煤礦井下巷道掘進工程量浩大,每年新掘巷道長度超過12 000 km,巷道快速掘進技術裝備是實現采掘平衡的根本需求,近年來智能快速掘進系統的發展更為實現巷道安全快速掘進提供了技術支撐[1-3]。作為煤礦巷道智能快速掘進系統中協同推進的基礎保障,掘進工作面前方的地質探測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展,愈加復雜的地質構造和隱蔽致災因素對巷道掘進速度與安全性影響加劇,對巷道智能快速超前探測技術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,掘進工作面超前探測的難度更大。通常利用鉆探和物探的技術手段,在巷道掘進工作面前方探測工程地質及水文地質情況,然后根據探測結果科學制定掘進技術方案與安全保障措施。鉆探法作為一種最直接的探測技術,具有精度高、直觀性強、適應面廣等優點,但鉆孔的探測范圍有限,受靶區影響大。地球物理探測方法多樣,但不同的物探方法存在各自的問題,諸如:易受干擾、探測距離小、分辨率差等。有效融合兩類探測方法的綜合探測技術研究應用越來越多,在掘進工作面前方地質構造探測、水害精細探測以及安全隱患綜合治理等方向取得了良好的實踐效果[7-10]。
當前煤礦智能化建設正如火如荼,快速智能化勘探是大勢所趨。筆者從煤礦坑道鉆探角度出發,在分析煤礦巷道掘進地質保障鉆探需求的基礎上,分析梳理了近年來超前鉆探技術裝備從掘探一體化、快速超前探和基于定向鉆孔的綜合探測技術等三個方面開展的技術創新與工程實踐,并從自動化控制和數據驅動的視角探討了未來智能鉆探技術發展思路,以期為巷道掘進地質保障工作提供借鑒和思考。
由于煤炭地質保障的核心內涵不斷豐富和發展,已由傳統的資源勘查到服務于煤礦智能綠色開采的地質保障服務,巷道智能掘進地質保障中的鉆探需求亦在不斷發展。《煤礦安全規程》中規定:煤礦巷道掘進前,應當掌握掘進工作面前方地質構造、煤層及其頂底板巖性、煤(巖)與瓦斯/二氧化碳突出危險區、受水威脅區等地質情況[11]。
井下坑道鉆探技術是實現巷道掘進超前探測的最直觀和最重要的途徑。從鉆進方式主要分為常規回轉鉆進、穩定組合鉆具受控定向鉆進和隨鉆測量定向鉆進三種,近年來研制了系列坑道液壓鉆機、泥漿泵車、專用鉆具、隨鉆測量系統、沖洗液循環凈化系統等裝備,促進了煤礦井下坑道鉆探裝備的升級換代。尤其近年來鉆進裝備自動化水平的提高和快速發展的井下長距離隨鉆定向測控鉆進技術提升了鉆探安全與效率,保障了鉆探地質服務質量和精細化勘探水平。在探測掘進面前方、巷道兩幫、巷道頂底板等存在的隱伏和構造(包括斷層、陷落柱、褶曲、煤厚等),查明地下水的賦存狀況、瓦斯異常以及災害防治等方面發揮著重要作用。
鉆探是煤礦巷道快速掘進的地質保障關鍵技術之一,對于掘進工作面超前探測具有以下技術要求:首先應通過智能化手段提升鉆探質量與鉆進速度,進一步發揮鉆探精準的技術特點;其次應從時間和空間上實現掘探的協同作業,減少相互干擾,確保掘探施工的協調性;再次應基于鉆探進一步發展兩探融合技術,如基于超前鉆孔的瞬變電磁法與激發極化法[12-13];最后應確立鉆探信息數據標準,以滿足各種三維地質仿真應用系統共享和煤礦應用集成要求。
隨著礦井人工智能、大數據、5G通信、云平臺等先進通用技術的不斷發展,快速智能勘探是大勢所趨,綜合現有技術,掘進超前鉆探需要實現從單一掘進超前探測服務到快速掘進生產智能地質保障系統的轉變。鉆探不僅是一種初期巷道前方勘查、試驗與后期驗證的技術手段,未來更應成為滿足煤礦智能化快速掘進安全生產需要與地質條件透明化需求的快速智能超前探測手段,為推動智能化掘進快速健康發展提供有效的技術支撐。
我國煤礦掘進工作面裝備種類繁多,工序復雜,包括掘進、支護、轉運和勘探等多種施工作業在有限的空間內相互干擾,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技術等三個方面開展了創新實踐,推動了煤礦井下坑道勘探技術進步。
掘進工作面超前鉆探,一般由液壓鉆機在掘進工作面前方與掘進機交替作業。掘探過程工作流程復雜,裝備反復移位、裝拆,工人勞動強度大,鉆探效率低。還有一類超前鉆探方式需要在巷道側幫根據掘進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的要求。
針對掘進與勘探不能連續作業,影響掘進速度的問題,借鑒掘錨一體機的思想,國內相關掘進機生產研發機構從掘探一體化工藝優化、鉆機搭載與定位技術、液壓系統集成化及可靠性研究等方面開展一系列技術攻關,以中煤科工集團太原研究院和石家莊煤礦機械公司等為代表生產的EBZ160T、EBZ220T、EBZ260T等系列掘探一體機已在大中型煤礦井下得到應用[14-15]。以鉆機安裝位置區分,掘探一體機主要有2種型式,如圖1所示,圖1a所示鉆機位于截割部的上側,通過兩級伸縮油缸和旋轉油缸的調節進行不同角度的鉆探,鉆機中間加桿,可以實現多角度、多方位的小直徑淺孔鉆進,但鉆進能力有限,對整機的截割性能有一定影響。圖1b所示鉆機位于掘進機機身一側,馬達驅動的滑軌裝置,施工前探孔時,鉆機從機身一側推出到指定位置,前探孔施工完成后退回到原來位置,不影響正常掘進,在保證掘進機正常工作的情況下,能夠有效完成綜掘工作面、頂板、底板以及兩幫一定范圍內的鉆進探測。但2種型式的掘探一體機均存在鉆孔深度和孔徑受到有限空間的極大制約,適應性較差的問題。

圖1 掘探一體機鉆機安裝型式
掘探一體機作業分為掘進狀態和鉆探狀態,鉆機一般以掘進機主機液壓系統為動力源,其工作液壓回路與掘進機工作液壓系統相互閉鎖,并與電氣控制系統共同實現兩個工作狀態的互鎖功能,確保不能同時工作;并具有集中潤滑系統和工況監測系統,確保整機操控的安全性和可靠性。EBZ160T 型掘探一體機在山西潞安集團某礦的生產工業性試驗表明,機載鉆機使用過程中性能穩定,減少了輔助作業時間,降低了工人的勞動強度,有效提高了鉆探效率和掘進進尺速度,滿足一定條件下超前探測需求。
為提高掘進工作面超前鉆探效率,在一定條件下多工作臂同時施工無疑是有效方法之一。公、鐵路隧道爆破鉆孔施工中,已廣泛應用了多臂鑿巖鉆車,這類鉆車一般配備2~3個工作臂,有的甚至配有5個工作臂,各工作臂可獨立工作,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械鉆車的結構型式。結合礦方需求,中煤科工集團西安研究院開發出ZDY2-1000LF、ZDY2-3200LF型分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機[16],主要用于煤礦巷道掘進工作面探放水、地質構造等隱蔽致災因素探查孔的快速施工。
1) 整機設計方案
分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機的總體設計思路是采用分體履帶形式,寬度窄、移動靈活,可與掘進機交替施工;具有2個可獨立操作的工作臂,可同時施工不同方位、角度的探測鉆孔;配備液驅水泵和礦用本安型鉆機開孔定位儀,利于實現快速鉆進和開孔角度的精確測量。ZDY2-1000LF型鉆機三維模型如圖2所示。

圖2 分體履帶式雙臂液壓坑道鉆機
2) 雙臂鉆機機械結構設計
鉆機給進機構由于受到掘進工作面空間的限制,設計為油缸鏈條給進機構,實現機身長度受限情況下給進行程最大;變幅機構采用多自由度結構,實現鉆機主軸傾角在±90o范圍內調節;滑動平臺使兩鉆臂主軸水平間距在1.2~1.9 m范圍內調節。此外,回轉器主軸采用中心通孔式結構,主軸的前后端蓋設計無骨架油封和V形旋轉圈配合密封的方式,提高防治水條件下的可靠性。
3) 鉆機負載敏感液壓系統設計
鉆機液壓系統采用開式循環四泵系統,Ⅰ泵為負載敏感泵,配合負載敏感閥組成負載敏感泵閥系統,主要用于調節液壓水泵的輸入流量、壓力;Ⅱ泵和Ⅲ泵為變量柱塞泵,可實現泵車履帶行走、主機姿態調整及主機回轉器的回轉、給進、起拔,并能控制穩固油缸實現對鉆車的調平;Ⅳ泵為變量柱塞泵,可實現鉆機夾持器、卡盤的獨立工作。
4)配套快速成孔工藝的開發
ZDY2-1000LF型鉆機施工時,配套鉆具采用?75 mm金剛石復合片內凹鉆頭和?50 mm、長度1 000 mm的高強度外平鉆桿。鉆機液壓系統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。為縮短輔助鉆進時間,提高鉆孔效率,采用中間加桿、后端卸桿的加卸鉆桿方式,無需反復拆卸水便。
2018年9月,ZDY2-1000LF型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機在山西高河能源有限公司E2308膠帶運輸巷掘進工作面進行了超前探放水現場工業性試驗。針對常規鉆機移位、穩鉆及調角等輔助時間過長,導致鉆探施工效率低下等問題,根據現場探掘分離和一個檢修班內完成全部超前探鉆孔施工的需求,應用新型雙臂鉆機在每個掘進循環設計4個超前探鉆孔,每探100 m掘進70 m,留設30 m安全距離,超前探放水鉆孔布置如圖3所示。鉆機現場試驗累計鉆孔深度1 065 m,最大能力鉆孔深度200 m,雙主機同時作業3 h內可完成2個100 m鉆孔。雙臂鉆機超前探施工效果良好,該巷道單月掘進進尺效率提升了30%。

圖3 掘進超前探放水鉆孔布置
為提高勘探范圍與精細化程度,考慮配合雙臂鉆機進行掘進工作面超前探測鉆孔的孔間無線電波透視技術研發與試驗,完成前探鉆孔之間地質異常體精細探測。重點對孔中高頻螺旋電磁波發射接收天線研發和非平行水平鉆孔間電磁波透視數據處理技術等關鍵技術開展攻關,形成超前探雙臂鉆機和孔間透視技術的綜合探測優勢。
煤礦井下定向鉆孔具有精度高、距離遠、綜合成本低等優勢,隨著近年來定向鉆孔施工能力和工程效率不斷提升,開發基于定向鉆孔的孔中物探技術是有效解決探掘矛盾,實現巷道掘進超前長距離、精準探測的有效手段[17-18]。
定向鉆孔可直接探測地質異常,利用側鉆分支技術可在地質異常體附近施工多個角度的分支鉆孔,進一步獲取地質異常體空間信息;孔中物探能夠遠離掘進工作面各類干擾,在提高預測精度的同時有效擴展鉆孔探測范圍。例如:利用常規鉆探+物探的施工方式掩護掘進,每1 000 m的巷道至少需要進行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、鉆探施工總時間,在節約成本和提高掘進效率上具有明顯優勢。基于定向鉆孔+孔中物探方法的選擇上,應以瞬變電磁和地質雷達二者結合,確保一次施工完成孔旁隱伏水害和地質構造的綜合探測,實現掘進、物探、鉆探三者有機結合。
山西某礦井田地質構造復雜,已開采工作面內部斷層、陷落柱分布十分密集,給巷道掘進和工作面回采帶來了很大困難。為了在巷道開拓前對掘進巷道遭遇地質構造情況進行預估,在2203工作面回風巷掘進工作面采用定向鉆探+孔中物探技術開展了超前探測試驗。定向鉆場施工主孔1個,孔深468 m,分支孔8個,進尺663 m,累計進尺1 131 m。1號定向鉆孔主孔、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號煤與3號煤之間的夾層鉆進,主孔探查構造、分支孔用于探測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,BLY390/12型泥漿泵車,YHD3-3000型泥漿脈沖無線測量系統;定向鉆進鉆具組合為:?89 mm高韌性螺旋鉆桿+ ?89 mm過濾鉆桿+ ?89 mm螺桿馬達+?120 mm定向鉆頭。采用復合定向鉆進方式,即泥漿泵向孔底泵送高壓水驅動孔底螺桿馬達帶動鉆頭轉動,同時鉆機動力頭帶動鉆具回轉并向鉆具施加鉆壓,有效提高鉆進效率,降低鉆進風險。

圖4 1號定向鉆孔軌跡剖面
配合應用的單孔時域、頻域電磁探測技術及裝備有效用于長度≥500 m、孔徑≥73 mm的定向鉆孔,徑向探測能力15~30 m,異常分辨率0.5~2 m,連續工作時間≥8 h。鉆孔瞬變電磁探測施工時,將探頭接于鉆桿前端,鉆桿每推進2 m,通過防爆手機無線操作探頭進行數據采集,記錄該點的三分量二次場衰減曲線與測斜數據,直到完成整個鉆孔測量。
鉆孔瞬變電磁解釋成果如圖5所示,根據視電阻率值高低分為4層,在剖面圖上按照離鉆孔遠近,依次對應鉆孔所在的砂泥層、煤層、鉆孔以上煤層頂板/鉆孔以下煤層底板和更遠地層,圖中紅色層電阻率最大值對應層位為煤層。綜合兩探信息,可判斷掘進巷道前方的地質構造情況,例如:在探測半徑5 m處,煤層標識層出現多處斷裂不連續,與鉆孔雷達探測成果和自然伽馬測井成果吻合,推斷存在多處斷層與陷落柱;在主孔400~420 m之間,煤層標識信號明顯減弱,且下方出現明顯的煤層信號反應,鉆進異常與返渣情況,推測該處存在陷落柱。總體來說,物探解釋的異常區域,能夠與定向鉆探探查的斷層、陷落柱位置以及鉆進過程中出現塌孔卡鉆和鉆壓異常區相互對應,基于定向鉆孔結合孔內多種物探手段的綜合探測效果較好。

圖5 鉆孔瞬變電磁解釋成果
智能化礦山建設的浪潮為煤礦坑道鉆探裝備技術發展帶來了機遇與挑戰,結合我國煤礦井下巷道超前鉆探施工特點及鉆探技術裝備發展水平,為構建特定時空條件下的透明化掘進巷道地質模型,滿足智能快速掘進地質保障需求,更多的科技要素將引入到煤礦井下超前探測技術中。
我國煤礦區鉆探技術及裝備近年來得到迅速發展,逐步形成了適用于復雜地質條件的煤礦井下坑道鉆探技術裝備體系。其中,隨鉆測量定向鉆進技術與裝備實現了關鍵核心技術自主可控,整體達到國際領先水平[19-21]。作為煤礦安全與地質保障的基礎支撐,鉆探技術及裝備的智能化研發迫在眉睫。
確保鉆探安全與提升鉆探效率仍然是當前智能化鉆探技術發展的基本任務。對于煤礦巷道超前鉆探來說,還需要能夠對地質構造、礦井災害及危險源進行超前感知和防治,在復雜含煤地層和地質構造智能表征方面取得突破,從而保障快速掘進等工作的順利進行,滿足“透明礦井”超前鉆探安全高效探索未知的需求[22-23]。從自動化控制的角度出發,提出智能化鉆探應具有的鉆進過程監測、施鉆地層建模、鉆進工況識別、智能鉆進決策控制等功能模塊[24]。圖6為智能鉆進控制系統,該系統基于智能鉆進系統軟件架構與數據框架構建,依據分層遞階的設計思想,集成包括基礎自動化層、過程控制層和智能決策層的閉環控制系統。
智能鉆進控制實施過程中,首先利用基于多源信息融合的鉆進參數監測系統與孔底工程參數智能測量系統,獲取高價值密度的鉆進數據;然后提出基于特征聚類的地質環境建模技術,結合實時獲取的鉆進數據,實現復雜施鉆地層的有效描述;在此基礎上,研發鉆進工況智能識別技術和鉆進過程智能控制技術,通過實時感知地層環境,智能調節鉆壓、轉速、泵量等操作參數,實現鉆柱運動、泥漿循環、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集成的智能鉆進控制策略,為智能化鉆探奠定了基礎,也是智能快速掘進裝備機群協同控制的有機組成。

圖6 智能鉆進控制系統模塊
智能鉆探的精細化地質保障對信息管控提出了更高的要求,鉆探大數據的特性促使掘進超前探測亟需在現有基礎上做出轉變。基于鉆探的超前綜合探測系統為基礎、數據為中心、計算為手段、智能數據解析與決策為需求的數據驅動學術思維,為鉆探信息挖掘與管理提供了新的技術思路。
由于鉆探可以獲取層狀地質體中的最準確、最有效的三維數據,成為早期地質勘探工作中分析地質環境、成礦規律、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信息的三維動態模型構建為基礎,考慮探、掘、支、運的快速掘進工序,通過多源數據有效融合,開展鉆孔信息的三維建模和可視化平臺建設,并能根據生產狀態和巷道掘進二次揭露數據自動更新,實現大規模三維模型的交互漫游、屬性查詢和剖切分析等,成為智能礦山建設的空間信息基礎支撐平臺(4D- GIS)的有機組成部分[25-26]。
鉆探信息管理要求為多工況交替變換、多隨機因素影響下的智能掘進地質保障動態演化過程提供底層支持。如圖7所示煤礦巷道鉆探地質信息協同架構中,按照有數據,管數據,用數據的整體思路,體現以智能化鉆探技術裝備為主的邊緣設備層、以大數據分析計算為主的云端平臺層和以礦山應用保障為主的業務應用層,以及各層對應的信息感知、數據服務、智能決策和業務管理的協同運行。

圖7 煤礦巷道鉆探地質信息協同架構
智能化鉆探裝備技術綜合物探和化探等方法為多源異構數據在線處理提供基礎,云端平臺層向上可為礦井地質、安全保障、應急救援和調度決策等提供信息保障,向下與邊緣設備層進行交互控制。最終通過信息流程化管理,逐漸深入到透明化勘探、智能化掘進設計、安全生產綜合調度等實際環節,有利于主動制訂新的礦山服務計劃,提高系統運行效率,降低運營成本。
煤礦智能化的發展離不開基礎地質工作的保障,但包括巷道掘進工程在內的煤炭地質保障工作仍存在探測精度不足、動態信息監測困難、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復雜多變環境的辨識與適應性能,切實發揮鉆探和物探等煤礦巷道掘進超前探測在井下巷道前方地質情況精細化探測和重大危險源感知與預警等方面的關鍵作用,最終通過理論突破和技術創新推動我國煤炭地質保障體系的進一步健康快速發展。
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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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TU41
A
1001-1986(2021)05-0286-08
2021-05-28;
2021-07-05
國家自然科學基金面上項目(51774320);天地科技股份有限公司科技創新創業資金專項重點項目(2020-TD-ZD003);陜西省重點研發計劃項目(2020GY-089)
張幼振,1976年生,男,寧夏石嘴山人,博士,研究員,研究方向為煤礦井下鉆探機具與工藝. E-mail:zhangyouzhen@cctegxian.com
張幼振,范濤,闞志濤,等. 煤礦巷道掘進超前鉆探技術應用與發展[J]. 煤田地質與勘探,2021,49(5):286–293. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.033
ZHANG Youzhen,FAN Tao,KAN Zhitao,et al. Application and development of advanced drilling technology for coal mine roadway heading[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):286–293. doi:10. 3969/j.issn.1001-1986. 2021. 05.033
(責任編輯 郭東瓊)