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煤矿坑道智能化钻探技术发展框架分析

发表时间：2020/11/25 来源：《基层建设》2020年第22期作者：高猛

[导读] 摘要：作为煤炭地质保障系统的重要组成部分，煤矿井下坑道智能化钻探在矿井灾害防治、智能开采透明工作面构建等方面将发挥关键作用。

        兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿山东济宁 272000
        摘要：作为煤炭地质保障系统的重要组成部分，煤矿井下坑道智能化钻探在矿井灾害防治、智能开采透明工作面构建等方面将发挥关键作用。我国专家学者在煤矿井下坑道智能化钻探方面进行了长期探索，取得了一定成就。本文就该技术的发展进行了探究。
        关键词：煤矿坑道；智能化钻探；煤矿钻探
        引言
        现阶段我国煤矿井下坑道智能化钻探的研究基础较为薄弱，坑道智能化钻探缺乏科学化、精细化的技术手段。传统的数据传输方式传输容量小、速率低，难以满足钻探数据实时数据上传和指令下传的需要，导致煤矿坑道钻探智能分析、智能决策缺乏数据支撑。而精准导向系统的研究还处于起步阶段，有待进一步突破。因此，在技术创新与应用方面，还需要继续加强研究。
        1钻探技术应用要求
        1.1钻探前的要求
        在进行钻探工作前，钻探技术的应用要求主要体现在对工作人员的要求这一方面，首先，在煤层的探测工作中应该详细测量煤岩层的倾角，并且根据测量情况来分析煤岩层的成分和岩性，通过各方面的探测后，全面分析煤矿工程，才能进行最后的钻孔工作。对于钻孔的专业工作人员而言，必须要做到持证上岗，并且在正式工作前还要做好相应的培训工作，让工作人员对钻探技术有一个正确的认识，这样才能熟练掌握钻探技术。在进行钻探工作前还要进行检查维护工作，不仅要确保煤矿地面安全无积水，还要注意检查顶板支护设备，对于有积水的煤矿工程，必须要在做好了排水工作后才能正式开始施工。
        1.2钻探中的要求
        在钻探施工过程中，工作人员应该严格按照行为规范来进行工作，在操作钻探设备时，不能站在转动部的下方，必须要站在机器的侧面来操控机器，除此之外，转动部分不能堆放杂物，必须要保持空旷。同时，在进行延伸钻杆操作时，工作人员不能戴手套操作，降低在操作过程中出现意外事故的可能性。钻探过程中还要保持对钻探部位的观察，通过钻孔的深度来判断有无出现卡钻的问题，当出现卡钻问题时，一定不能强拉设备。在钻探前要根据测量结果来标记钻孔的位置、方向和角度等，因此，工作人员在进行钻孔工作时，严格按照标记的位置来钻孔，不能随意更改位置。测量工作人员还应该要做好每次钻探工作时的岩层变化，并且根据变化的具体情况来改善钻探技术，重新选择合适的钻探设备。而在更换钻探设备时，还要注意测量钻杆的数量，确定钻孔的数量和深度。
        1.3钻探后的要求
        钻孔完成后，还要对钻孔和煤矿工程进行详细的检查，当钻孔存在出水的问题时，应该先安排专业的工作人员观察出水部位，并且做好相应的测量工作，将出水的具体情况详细记录下来。对于还有作用的钻孔，还要进行初步修复，确定钻孔能完成工作，对于已经没用的钻孔，必须要做好封孔工作，从而防止因为废弃钻孔而出现其他意外事故。
        2坑道智能化钻探技术发展框架
        2.1精准导向系统
        目前，我国已开发出矿用小直径旋转导向系统，采用推靠式结构设计，利用信号双向有线传输方式进行测量数据上传和控制指令实时下达，满足系统连续工作需求。该矿用推靠式旋转导向系统的动力系统用于向导向机构和多参数测量系统供电，采用复合供电方式：由孔口防爆计算机通过有线传输通道为多参数测量系统供电，实现孔内工程参数实时监控；采用孔内防爆型涡轮发电装置为导向机构供电，实现导向机构准确动作[1]。旋转导向系统采用本质安全+隔爆的组合防爆设计方案，多参数测量系统工作电流小、功耗低，导向机构创新设计连接面连接方式，保障在井下爆炸性气体环境中工作的安全性。

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        2.2数据测量系统
        通过地质参数测量获取地层岩性、地层界面和地层富水特征等参数，实现煤岩层精确辨识，大幅提升目标地层钻遇率，满足薄煤层瓦斯抽采、富水层疏放和煤系地层精确探测等定向钻孔施工需要；通过几何参数测量获取钻孔轨迹参数和导向工具姿态参数，为钻头钻进方向调整提供依据，使钻孔尽可能按照设计轨迹延伸。通过工程参数测量实时获取孔底钻压、转矩、横向振动、轴向振动、环空压力、温度及转速等参数，综合评估孔内工况环境和钻具状态，为钻进工艺参数调整提供重要数据支撑。同时依托高可靠性数据解释软件对随钻测量数据进行集中处理，提取关键有效信息，建立基于多维多参数联合反演的模型，实现钻进过程的动态预测与评价[2]。利用数据测量系统还可获取目标区域内点、线等关键空间信息和断层、陷落柱等重要地质信息，指导建立三维可视化地质模型，并综合运用实时传输的随钻测量信息对该地质模型进行动态修正，以更好地指导钻孔施工，服务于矿井透明工作面构建和智能化开采。
        2.3数据传输系统
        目前，煤矿井下数据传输方式包括有线传输和无线传输2种。有线传输方式传输速度快、稳定性高，但依赖于专用通缆钻杆，信号传输容量小；泥浆脉冲无线随钻传输方式利用正脉冲进行信号传输，传输速率低；电磁波无线随钻传输方式易受地层电阻率影响。为实现信息的高速稳定双向传输，需在进一步完善现有数据传输系统的基础上，开发新的数据传输系统[3]。开发矿用连续脉冲无线传输系统，解决现有泥浆脉冲无线随钻传输方式速率低的问题。开发抗高阻电磁波无线数据传输系统，解决现有电磁波无线随钻传输方式受强噪声干扰难题。开发智能钻杆高速传输系统，其由过线钻杆和磁耦合接头组合而成，采用磁耦合无线方式实现过线钻杆间数据传输，具有传输容量大、速度快、密封性好等特点，可保证多参数随钻测量信息实时上传和控制指令快速下达。
        2.4智能决策系统
        智能决策系统是实现坑道智能化钻探的核心。目前坑道智能化钻探过程控制方法比较单一，自动化钻进方法依赖于程序自动化控制，缺乏对坑道环境、钻进工况的智能感知，因而无法实现钻探过程智能决策控制。需要从钻进过程智能模拟、智能协同分析、钻进过程人机交互、远程决策控制等方面开展技术攻关，构建“人-机-环境”于一体的坑道钻探智能决策系统。
        2.5自动控制系统
        （1）钻机自主导航定位。针对煤矿井下非结构化地形、狭窄巷道空间限制，开发基于激光制导、惯性导航和激光雷达、传感器、热成像等技术联合的钻机自主导航系统，结合钻机姿态自动调控技术，实现钻机自行走、自定位、自平衡等功能。（2）钻杆自动装卸。开发连续自动装卸系统，优化钻杆输送路径，进一步提高装卸钻杆的精度和效率。（3）自动钻进施工。开发大功率防爆电力直驱技术、智能传感技术和钻进参数智能决策协调控制技术，实现井下钻进过程人工智能控制、钻进动作精准自执行、钻进操作自主设定与自适应决策[4]。（4）智能检测与诊断。建立智能钻机检修管理平台，通过对智能钻机进行实时监测、在线诊断、风险管理和检修决策，实现智能钻机全寿命周期管理。
        结束语
        总之，现阶段我国煤矿坑道智能化钻探的研究基础较为薄弱，坑道智能化钻探缺乏科学化、精细化的技术手段，且缺乏系统性发展框架。通过坑道智能化钻探的发展框架的探究，找到实现坑道智能化钻探的重点攻关方向，这对于我国煤矿开采有着重要的促进作用。
        参考文献：
        [1]班金彭，畅利民，代云鹏，谭代卫，郝海洋，付芝康，黄明勇，刘万龙.黔西南水银洞金矿涌水坑道钻探难点与对策[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2019，46（11）：14-20.
        [2]畅利民，郝海洋，宋继伟，谭代卫，杨宇，黄明勇，代云鹏.贵州贞丰水银洞金矿坑道钻探施工技术[J].西部探矿工程，2019，31（01）：21-23+26.
        [3]许秋华.坑道钻探找煤技术的应用[J].能源与环境，2017（02）：47-48.
        [4]庞森.坑道钻探矿在雅满苏井下矿的应用[J].矿业工程，2016，14（01）：7-9.