煤矿巷道掘进超前钻探技术应用与发展

张幼振，范 涛，阚志涛，魏宏超，陈洪岩

煤矿巷道掘进超前钻探技术应用与发展

张幼振1,2，范 涛1，阚志涛1，魏宏超1,2，陈洪岩1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 煤炭科学研究总院，北京 100013)

随着煤矿巷道智能快速掘进的发展，掘进工作面超前精细化探测需求日益迫切。结合巷道掘进与坑道钻探工作技术特点，分析了煤矿智能绿色开采地质保障发展背景下巷道掘进超前钻探技术特征与技术需求。为有效解决探掘矛盾，提升超前钻探技术装备水平，阐述了掘探一体化、双臂超前钻探和基于定向钻孔的综合探测等技术装备创新实践。相关工程实践表明，双臂钻机超前探施工效果明显，试验巷道单月掘进进尺效率提升了30%；基于定向钻孔技术，综合使用孔内多种物探手段，在山西某矿2203工作面进行超前综合探测，效果良好，探明多处断层与陷落柱等地质构造情况。结合智能化矿山技术的发展趋势，从自动化控制角度探讨了由基础自动化层、过程控制层和智能决策层组成的智能钻进闭环控制策略；从钻探信息融合发展角度，按照有数据、管数据、用数据的技术思路为钻探信息挖掘与管理提供了新的视角。

超前钻探；掘进工作面；地质保障；综合探测；智能钻探；钻探信息管理

煤矿井下采掘失衡一直是煤矿安全高效生产的主要制约因素，我国煤矿井下巷道掘进工程量浩大，每年新掘巷道长度超过12 000 km，巷道快速掘进技术装备是实现采掘平衡的根本需求，近年来智能快速掘进系统的发展更为实现巷道安全快速掘进提供了技术支撑[1-3]。作为煤矿巷道智能快速掘进系统中协同推进的基础保障，掘进工作面前方的地质探测仍然是面临的主要难题。我国含煤地层沉积岩性、岩相及其组合特征各异，并且随着煤炭开采逐渐向深部发展，愈加复杂的地质构造和隐蔽致灾因素对巷道掘进速度与安全性影响加剧，对巷道智能快速超前探测技术与装备需求更为迫切[4-6]。

与范围圈定的煤矿井下回采工作面相比，掘进工作面超前探测的难度更大。通常利用钻探和物探的技术手段，在巷道掘进工作面前方探测工程地质及水文地质情况，然后根据探测结果科学制定掘进技术方案与安全保障措施。钻探法作为一种最直接的探测技术，具有精度高、直观性强、适应面广等优点，但钻孔的探测范围有限，受靶区影响大。地球物理探测方法多样，但不同的物探方法存在各自的问题，诸如：易受干扰、探测距离小、分辨率差等。有效融合两类探测方法的综合探测技术研究应用越来越多，在掘进工作面前方地质构造探测、水害精细探测以及安全隐患综合治理等方向取得了良好的实践效果[7-10]。

当前煤矿智能化建设正如火如荼，快速智能化勘探是大势所趋。笔者从煤矿坑道钻探角度出发，在分析煤矿巷道掘进地质保障钻探需求的基础上，分析梳理了近年来超前钻探技术装备从掘探一体化、快速超前探和基于定向钻孔的综合探测技术等三个方面开展的技术创新与工程实践，并从自动化控制和数据驱动的视角探讨了未来智能钻探技术发展思路，以期为巷道掘进地质保障工作提供借鉴和思考。

1 巷道掘进地质保障中的钻探需求

由于煤炭地质保障的核心内涵不断丰富和发展，已由传统的资源勘查到服务于煤矿智能绿色开采的地质保障服务，巷道智能掘进地质保障中的钻探需求亦在不断发展。《煤矿安全规程》中规定：煤矿巷道掘进前，应当掌握掘进工作面前方地质构造、煤层及其顶底板岩性、煤(岩)与瓦斯/二氧化碳突出危险区、受水威胁区等地质情况[11]。

井下坑道钻探技术是实现巷道掘进超前探测的最直观和最重要的途径。从钻进方式主要分为常规回转钻进、稳定组合钻具受控定向钻进和随钻测量定向钻进三种，近年来研制了系列坑道液压钻机、泥浆泵车、专用钻具、随钻测量系统、冲洗液循环净化系统等装备，促进了煤矿井下坑道钻探装备的升级换代。尤其近年来钻进装备自动化水平的提高和快速发展的井下长距离随钻定向测控钻进技术提升了钻探安全与效率，保障了钻探地质服务质量和精细化勘探水平。在探测掘进面前方、巷道两帮、巷道顶底板等存在的隐伏和构造(包括断层、陷落柱、褶曲、煤厚等)，查明地下水的赋存状况、瓦斯异常以及灾害防治等方面发挥着重要作用。

钻探是煤矿巷道快速掘进的地质保障关键技术之一，对于掘进工作面超前探测具有以下技术要求：首先应通过智能化手段提升钻探质量与钻进速度，进一步发挥钻探精准的技术特点；其次应从时间和空间上实现掘探的协同作业，减少相互干扰，确保掘探施工的协调性；再次应基于钻探进一步发展两探融合技术，如基于超前钻孔的瞬变电磁法与激发极化法[12-13]；最后应确立钻探信息数据标准，以满足各种三维地质仿真应用系统共享和煤矿应用集成要求。

随着矿井人工智能、大数据、5G通信、云平台等先进通用技术的不断发展，快速智能勘探是大势所趋，综合现有技术，掘进超前钻探需要实现从单一掘进超前探测服务到快速掘进生产智能地质保障系统的转变。钻探不仅是一种初期巷道前方勘查、试验与后期验证的技术手段，未来更应成为满足煤矿智能化快速掘进安全生产需要与地质条件透明化需求的快速智能超前探测手段，为推动智能化掘进快速健康发展提供有效的技术支撑。

2 巷道掘进超前钻探技术装备的创新实践

我国煤矿掘进工作面装备种类繁多，工序复杂，包括掘进、支护、转运和勘探等多种施工作业在有限的空间内相互干扰，为超前钻探施工带来很大困难。近年来，超前钻探技术装备从掘探一体化、快速超前探和基于定向钻孔的综合探测技术等三个方面开展了创新实践，推动了煤矿井下坑道勘探技术进步。

2.1 掘探一体化技术装备

掘进工作面超前钻探，一般由液压钻机在掘进工作面前方与掘进机交替作业。掘探过程工作流程复杂，装备反复移位、装拆，工人劳动强度大，钻探效率低。还有一类超前钻探方式需要在巷道侧帮根据掘进速度每隔一定距离开拓专门的钻场，工作量显著增加，且超前探距离和精度有限，勘探效率也无法满足巷道快速掘进的要求。

针对掘进与勘探不能连续作业，影响掘进速度的问题，借鉴掘锚一体机的思想，国内相关掘进机生产研发机构从掘探一体化工艺优化、钻机搭载与定位技术、液压系统集成化及可靠性研究等方面开展一系列技术攻关，以中煤科工集团太原研究院和石家庄煤矿机械公司等为代表生产的EBZ160T、EBZ220T、EBZ260T等系列掘探一体机已在大中型煤矿井下得到应用[14-15]。以钻机安装位置区分，掘探一体机主要有2种型式，如图1所示，图1a所示钻机位于截割部的上侧，通过两级伸缩油缸和旋转油缸的调节进行不同角度的钻探，钻机中间加杆，可以实现多角度、多方位的小直径浅孔钻进，但钻进能力有限，对整机的截割性能有一定影响。图1b所示钻机位于掘进机机身一侧，马达驱动的滑轨装置，施工前探孔时，钻机从机身一侧推出到指定位置，前探孔施工完成后退回到原来位置，不影响正常掘进，在保证掘进机正常工作的情况下，能够有效完成综掘工作面、顶板、底板以及两帮一定范围内的钻进探测。但2种型式的掘探一体机均存在钻孔深度和孔径受到有限空间的极大制约，适应性较差的问题。

图1 掘探一体机钻机安装型式

掘探一体机作业分为掘进状态和钻探状态，钻机一般以掘进机主机液压系统为动力源，其工作液压回路与掘进机工作液压系统相互闭锁，并与电气控制系统共同实现两个工作状态的互锁功能，确保不能同时工作；并具有集中润滑系统和工况监测系统，确保整机操控的安全性和可靠性。EBZ160T 型掘探一体机在山西潞安集团某矿的生产工业性试验表明，机载钻机使用过程中性能稳定，减少了辅助作业时间，降低了工人的劳动强度，有效提高了钻探效率和掘进进尺速度，满足一定条件下超前探测需求。

2.2 超前探双臂钻机及配套工艺

为提高掘进工作面超前钻探效率，在一定条件下多工作臂同时施工无疑是有效方法之一。公、铁路隧道爆破钻孔施工中，已广泛应用了多臂凿岩钻车，这类钻车一般配备2～3个工作臂，有的甚至配有5个工作臂，各工作臂可独立工作，互不影响。但其整体尺寸偏大，并且爆破钻孔的深度较浅、孔径较小，煤矿井下超前钻探无法直接照搬这类工程机械钻车的结构型式。结合矿方需求，中煤科工集团西安研究院开发出ZDY2-1000LF、ZDY2-3200LF型分体履带式双臂液压坑道钻机[16]，主要用于煤矿巷道掘进工作面探放水、地质构造等隐蔽致灾因素探查孔的快速施工。

1) 整机设计方案

分体履带式双臂液压坑道钻机的总体设计思路是采用分体履带形式，宽度窄、移动灵活，可与掘进机交替施工；具有2个可独立操作的工作臂，可同时施工不同方位、角度的探测钻孔；配备液驱水泵和矿用本安型钻机开孔定位仪，利于实现快速钻进和开孔角度的精确测量。ZDY2-1000LF型钻机三维模型如图2所示。

图2 分体履带式双臂液压坑道钻机

2) 双臂钻机机械结构设计

钻机给进机构由于受到掘进工作面空间的限制，设计为油缸链条给进机构，实现机身长度受限情况下给进行程最大；变幅机构采用多自由度结构，实现钻机主轴倾角在±90º范围内调节；滑动平台使两钻臂主轴水平间距在1.2～1.9 m范围内调节。此外，回转器主轴采用中心通孔式结构，主轴的前后端盖设计无骨架油封和V形旋转圈配合密封的方式，提高防治水条件下的可靠性。

3) 钻机负载敏感液压系统设计

钻机液压系统采用开式循环四泵系统，Ⅰ泵为负载敏感泵，配合负载敏感阀组成负载敏感泵阀系统，主要用于调节液压水泵的输入流量、压力；Ⅱ泵和Ⅲ泵为变量柱塞泵，可实现泵车履带行走、主机姿态调整及主机回转器的回转、给进、起拔，并能控制稳固油缸实现对钻车的调平；Ⅳ泵为变量柱塞泵，可实现钻机夹持器、卡盘的独立工作。

4)配套快速成孔工艺的开发

ZDY2-1000LF型钻机施工时，配套钻具采用ø75 mm金刚石复合片内凹钻头和ø50 mm、长度1 000 mm的高强度外平钻杆。钻机液压系统冷却采用井下静压水，为防止静压水压力过大损坏冷却器，水路中增加截止阀。为缩短辅助钻进时间，提高钻孔效率，采用中间加杆、后端卸杆的加卸钻杆方式，无需反复拆卸水便。

2018年9月，ZDY2-1000LF型煤矿用履带式全液压坑道钻机在山西高河能源有限公司E2308胶带运输巷掘进工作面进行了超前探放水现场工业性试验。针对常规钻机移位、稳钻及调角等辅助时间过长，导致钻探施工效率低下等问题，根据现场探掘分离和一个检修班内完成全部超前探钻孔施工的需求，应用新型双臂钻机在每个掘进循环设计4个超前探钻孔，每探100 m掘进70 m，留设30 m安全距离，超前探放水钻孔布置如图3所示。钻机现场试验累计钻孔深度1 065 m，最大能力钻孔深度200 m，双主机同时作业3 h内可完成2个100 m钻孔。双臂钻机超前探施工效果良好，该巷道单月掘进进尺效率提升了30%。

图3 掘进超前探放水钻孔布置

为提高勘探范围与精细化程度，考虑配合双臂钻机进行掘进工作面超前探测钻孔的孔间无线电波透视技术研发与试验，完成前探钻孔之间地质异常体精细探测。重点对孔中高频螺旋电磁波发射接收天线研发和非平行水平钻孔间电磁波透视数据处理技术等关键技术开展攻关，形成超前探双臂钻机和孔间透视技术的综合探测优势。

2.3 基于定向钻孔的综合探测技术

煤矿井下定向钻孔具有精度高、距离远、综合成本低等优势，随着近年来定向钻孔施工能力和工程效率不断提升，开发基于定向钻孔的孔中物探技术是有效解决探掘矛盾，实现巷道掘进超前长距离、精准探测的有效手段[17-18]。

定向钻孔可直接探测地质异常，利用侧钻分支技术可在地质异常体附近施工多个角度的分支钻孔，进一步获取地质异常体空间信息；孔中物探能够远离掘进工作面各类干扰，在提高预测精度的同时有效扩展钻孔探测范围。例如：利用常规钻探+物探的施工方式掩护掘进，每1 000 m的巷道至少需要进行10次钻探和物探施工；而采用定向钻探+孔中物探施工方式，则只需进行2次定向钻孔与物探的施工。这将大大降低物探、钻探施工总时间，在节约成本和提高掘进效率上具有明显优势。基于定向钻孔+孔中物探方法的选择上，应以瞬变电磁和地质雷达二者结合，确保一次施工完成孔旁隐伏水害和地质构造的综合探测，实现掘进、物探、钻探三者有机结合。

山西某矿井田地质构造复杂，已开采工作面内部断层、陷落柱分布十分密集，给巷道掘进和工作面回采带来了很大困难。为了在巷道开拓前对掘进巷道遭遇地质构造情况进行预估，在2203工作面回风巷掘进工作面采用定向钻探+孔中物探技术开展了超前探测试验。定向钻场施工主孔1个，孔深468 m，分支孔8个，进尺663 m，累计进尺1 131 m。1号定向钻孔主孔、分支孔施工钻孔轨迹剖面如图4所示。该定向钻孔在2203工作面2号煤与3号煤之间的夹层钻进，主孔探查构造、分支孔用于探测煤层顶板和底板的空间位置。定向钻探施工选用ZDY12000LD型全液压坑道定向钻机，BLY390/12型泥浆泵车，YHD3-3000型泥浆脉冲无线测量系统；定向钻进钻具组合为：ø89 mm高韧性螺旋钻杆+ ø89 mm过滤钻杆+ ø89 mm螺杆马达+ø120 mm定向钻头。采用复合定向钻进方式，即泥浆泵向孔底泵送高压水驱动孔底螺杆马达带动钻头转动，同时钻机动力头带动钻具回转并向钻具施加钻压，有效提高钻进效率，降低钻进风险。

图4 1号定向钻孔轨迹剖面

配合应用的单孔时域、频域电磁探测技术及装备有效用于长度≥500 m、孔径≥73 mm的定向钻孔，径向探测能力15～30 m，异常分辨率0.5～2 m，连续工作时间≥8 h。钻孔瞬变电磁探测施工时，将探头接于钻杆前端，钻杆每推进2 m，通过防爆手机无线操作探头进行数据采集，记录该点的三分量二次场衰减曲线与测斜数据，直到完成整个钻孔测量。

钻孔瞬变电磁解释成果如图5所示，根据视电阻率值高低分为4层，在剖面图上按照离钻孔远近，依次对应钻孔所在的砂泥层、煤层、钻孔以上煤层顶板/钻孔以下煤层底板和更远地层，图中红色层电阻率最大值对应层位为煤层。综合两探信息，可判断掘进巷道前方的地质构造情况，例如：在探测半径5 m处，煤层标识层出现多处断裂不连续，与钻孔雷达探测成果和自然伽马测井成果吻合，推断存在多处断层与陷落柱；在主孔400～420 m之间，煤层标识信号明显减弱，且下方出现明显的煤层信号反应，钻进异常与返渣情况，推测该处存在陷落柱。总体来说，物探解释的异常区域，能够与定向钻探探查的断层、陷落柱位置以及钻进过程中出现塌孔卡钻和钻压异常区相互对应，基于定向钻孔结合孔内多种物探手段的综合探测效果较好。

图5 钻孔瞬变电磁解释成果

3 智能超前钻探技术发展思考

智能化矿山建设的浪潮为煤矿坑道钻探装备技术发展带来了机遇与挑战，结合我国煤矿井下巷道超前钻探施工特点及钻探技术装备发展水平，为构建特定时空条件下的透明化掘进巷道地质模型，满足智能快速掘进地质保障需求，更多的科技要素将引入到煤矿井下超前探测技术中。

3.1 智能化钻探

我国煤矿区钻探技术及装备近年来得到迅速发展，逐步形成了适用于复杂地质条件的煤矿井下坑道钻探技术装备体系。其中，随钻测量定向钻进技术与装备实现了关键核心技术自主可控，整体达到国际领先水平[19-21]。作为煤矿安全与地质保障的基础支撑，钻探技术及装备的智能化研发迫在眉睫。

确保钻探安全与提升钻探效率仍然是当前智能化钻探技术发展的基本任务。对于煤矿巷道超前钻探来说，还需要能够对地质构造、矿井灾害及危险源进行超前感知和防治，在复杂含煤地层和地质构造智能表征方面取得突破，从而保障快速掘进等工作的顺利进行，满足“透明矿井”超前钻探安全高效探索未知的需求[22-23]。从自动化控制的角度出发，提出智能化钻探应具有的钻进过程监测、施钻地层建模、钻进工况识别、智能钻进决策控制等功能模块[24]。图6为智能钻进控制系统，该系统基于智能钻进系统软件架构与数据框架构建，依据分层递阶的设计思想，集成包括基础自动化层、过程控制层和智能决策层的闭环控制系统。

智能钻进控制实施过程中，首先利用基于多源信息融合的钻进参数监测系统与孔底工程参数智能测量系统，获取高价值密度的钻进数据；然后提出基于特征聚类的地质环境建模技术，结合实时获取的钻进数据，实现复杂施钻地层的有效描述；在此基础上，研发钻进工况智能识别技术和钻进过程智能控制技术，通过实时感知地层环境，智能调节钻压、转速、泵量等操作参数，实现钻柱运动、泥浆循环、钻孔轨迹延伸的有效控制，最终提升定向钻探效率，保障钻探工作安全。通过上述方法和技术集成的智能钻进控制策略，为智能化钻探奠定了基础，也是智能快速掘进装备机群协同控制的有机组成。

图6 智能钻进控制系统模块

3.2 钻探信息挖掘与管理

智能钻探的精细化地质保障对信息管控提出了更高的要求，钻探大数据的特性促使掘进超前探测亟需在现有基础上做出转变。基于钻探的超前综合探测系统为基础、数据为中心、计算为手段、智能数据解析与决策为需求的数据驱动学术思维，为钻探信息挖掘与管理提供了新的技术思路。

由于钻探可以获取层状地质体中的最准确、最有效的三维数据，成为早期地质勘探工作中分析地质环境、成矿规律、地层岩性的最直接、最重要的手段。新需求下的钻探信息挖掘以随钻地质信息的三维动态模型构建为基础，考虑探、掘、支、运的快速掘进工序，通过多源数据有效融合，开展钻孔信息的三维建模和可视化平台建设，并能根据生产状态和巷道掘进二次揭露数据自动更新，实现大规模三维模型的交互漫游、属性查询和剖切分析等，成为智能矿山建设的空间信息基础支撑平台(4D- GIS)的有机组成部分[25-26]。

钻探信息管理要求为多工况交替变换、多随机因素影响下的智能掘进地质保障动态演化过程提供底层支持。如图7所示煤矿巷道钻探地质信息协同架构中，按照有数据，管数据，用数据的整体思路，体现以智能化钻探技术装备为主的边缘设备层、以大数据分析计算为主的云端平台层和以矿山应用保障为主的业务应用层，以及各层对应的信息感知、数据服务、智能决策和业务管理的协同运行。

图7 煤矿巷道钻探地质信息协同架构

智能化钻探装备技术综合物探和化探等方法为多源异构数据在线处理提供基础，云端平台层向上可为矿井地质、安全保障、应急救援和调度决策等提供信息保障，向下与边缘设备层进行交互控制。最终通过信息流程化管理，逐渐深入到透明化勘探、智能化掘进设计、安全生产综合调度等实际环节，有利于主动制订新的矿山服务计划，提高系统运行效率，降低运营成本。

4 结语

煤矿智能化的发展离不开基础地质工作的保障，但包括巷道掘进工程在内的煤炭地质保障工作仍存在探测精度不足、动态信息监测困难、信息融合不够等难题。亟需提高钻探智能化和钻探信息深度挖掘与管理等对复杂多变环境的辨识与适应性能，切实发挥钻探和物探等煤矿巷道掘进超前探测在井下巷道前方地质情况精细化探测和重大危险源感知与预警等方面的关键作用，最终通过理论突破和技术创新推动我国煤炭地质保障体系的进一步健康快速发展。

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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

国家自然科学基金面上项目(51774320)；天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2020-TD-ZD003)；陕西省重点研发计划项目(2020GY-089)

张幼振，1976年生，男，宁夏石嘴山人，博士，研究员，研究方向为煤矿井下钻探机具与工艺. E-mail：zhangyouzhen@cctegxian.com

张幼振，范涛，阚志涛，等. 煤矿巷道掘进超前钻探技术应用与发展[J]. 煤田地质与勘探，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

(责任编辑 郭东琼)