我國煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展與展望

李泉新，劉飛，方俊，劉建林，褚志偉

我國煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展與展望

李泉新，劉飛，方俊，劉建林，褚志偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備是煤礦智能化建設(shè)的重要組成部分，也是當(dāng)前煤礦企業(yè)深入推進減人增效工作所急需的先進技術(shù)裝備。系統(tǒng)總結(jié)了“十三五”期間我國煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備所取得的階段性成果，重點介紹了自動化鉆機、隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀。全面分析了制約井下智能化鉆探技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵因素：鉆機智能化水平較低、隨鉆探測數(shù)據(jù)類型少、多系統(tǒng)集成控制難。在此基礎(chǔ)上提出深入推進數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與傳統(tǒng)坑道鉆探技術(shù)結(jié)合，強化多學(xué)科融合和協(xié)同創(chuàng)新能力；并不斷加強智能化鉆探技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用人才的培養(yǎng)力度，以技術(shù)裝備為支撐、以數(shù)字化平臺為保障、以人才隊伍建設(shè)為基礎(chǔ)；在智能化鉆機、高精度數(shù)據(jù)獲取與傳輸技術(shù)、鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制技術(shù)、輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備集成控制技術(shù)、數(shù)字化鉆進平臺開展攻關(guān)，以實現(xiàn)煤礦井下鉆孔全流程智能化施工作業(yè)。

智能化鉆探；自動化鉆機；隨鉆測量系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)；研究進展；發(fā)展趨勢

當(dāng)前，煤炭作為我國的主體能源仍然不可替代，2020年，煤炭在一次能源消費總量中的占比約為57%，深入推進煤炭資源安全、高效、智能、綠色開采已成為業(yè)界共識[1]。國家八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，為加快煤礦智能建設(shè)提供綱領(lǐng)性指引，提出了對煤炭地質(zhì)保障技術(shù)發(fā)展的具體目標(biāo)：重點突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測等技術(shù)與裝備[2]。通過智能化鉆探和智能化物探等技術(shù)手段，構(gòu)建面向智能開采的透明工作面，為智能開采提供高精度地質(zhì)導(dǎo)航。此外，在礦井瓦斯、水害和沖擊地壓等災(zāi)害防治鉆孔施工過程中，施工人員面對煤與瓦斯突出、涌水和頂板動力災(zāi)害的直接威脅，為貫徹“少人則安、無人則安”的發(fā)展理念，需要最大限度地減少危險崗位作業(yè)人員，因此亟需研發(fā)煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備。

煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備是煤礦智能化建設(shè)的重要組成，代表著煤礦坑道鉆探發(fā)展的高級階段。我國在煤礦井下智能化鉆探領(lǐng)域進行了長期不懈探索，筆者曾提出煤礦智能化鉆探的發(fā)展路徑：從自動化鉆探向智能化鉆探逐步邁進，并提出圍繞精準(zhǔn)導(dǎo)向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的智能化鉆探發(fā)展框架和重點攻關(guān)方向[3-4]。王清峰等[5]提出從全自動鉆機、智能化鉆機到鉆孔機器人的瓦斯抽采鉆探智能化的發(fā)展路徑，指出從鉆孔智能設(shè)計、鉆探裝備自主導(dǎo)航和定位、鉆進工況智能感知、鉆進過程智能控制和鉆孔質(zhì)量智能評估等方面開展技術(shù)研究。從2005年起，以中煤科工集團西安研究院有限公司(以下簡稱“西安研究院”)和中煤科工集團重慶研究院有限公司(以下簡稱“重慶研究院”)為代表開展了煤礦井下自動化鉆機的研發(fā)工作，相繼研制出多款井下自動化鉆機，具備遠(yuǎn)程遙控、自動裝卸鉆桿、程序控制鉆進、參數(shù)監(jiān)測等功能[6-7]。在透明工作面構(gòu)建方面，采用隨鉆測量定向鉆進技術(shù)輔助進行煤巖界面的識別，利用定向鉆孔軌跡精確可控的特點獲取工作面區(qū)域頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，揭露鉆遇的陷落柱、斷層等地質(zhì)異常體。同時結(jié)合工作面采掘信息，構(gòu)建動態(tài)優(yōu)化的工作面三維地質(zhì)模型，已在神東煤炭集團公司榆家梁煤礦智能無人化工作面開采中得到應(yīng)用[8]，精度達(dá)到0.2 m。

但還應(yīng)該看出，當(dāng)前我國煤礦智能化建設(shè)仍處于初級階段[9]。煤礦井下智能化鉆探在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、基礎(chǔ)平臺、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面存在諸多瓶頸尚待突破。目前煤礦井下鉆探技術(shù)裝備的智能化水平仍然較低，距離無人化操作還有較大差距[10]；利用定向鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進行煤巖界面識別存在一定的滯后性，難以實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)探測，尚不能滿足智能開采對高精度、快速、動態(tài)修正的三維地質(zhì)模型建立的需要。鑒于此，筆者分析了煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備進展，展望了煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展趨勢。

1 智能化鉆探技術(shù)裝備研究進展

為實現(xiàn)煤礦井下“機械化減人、自動化換人、智能化無人”的目標(biāo)，發(fā)展井下智能鉆探技術(shù)裝備是大勢所趨。目前我國煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備研究主要集中在自動化鉆機、隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等方面，均取得了一定的研究進展。

1.1 自動化鉆機

重慶研究院在國內(nèi)最早開展煤礦井下自動化鉆機的研究工作，針對大角度自動加卸鉆桿、遠(yuǎn)程遙控控制、自適應(yīng)鉆進等技術(shù)難題開展科研攻關(guān)，相繼研制出遠(yuǎn)距離控制鉆機、地面控制鉆機、地面遠(yuǎn)距離自動控制鉆機、遙控自動鉆機[5]，具有自動化程度高、操作簡單、作業(yè)人數(shù)少、勞動強度低、安全系數(shù)高等優(yōu)點。在國家重點研發(fā)計劃“煤礦井下瓦斯防治無人化關(guān)鍵技術(shù)與裝備”的支持下，為提高瓦斯抽采鉆孔機器人智能化程度，王清峰等[11]建立了井下鉆孔機器人自動鉆進數(shù)學(xué)模型，研究揭示了鉆進工況智能感知與自適應(yīng)控制機理，開發(fā)了自適應(yīng)鉆進技術(shù)，實現(xiàn)了鉆進工藝參數(shù)的自動調(diào)節(jié)控制；張始齋等[12]介紹了ZYWL-4000SY 型自動化鉆機的總體設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)特點，并分析了智能防卡鉆技術(shù)的工藝流程；針對自動化鉆機鉆桿倉容量小的問題，王清峰等[13]開發(fā)了大容量鉆桿自動輸送系統(tǒng)，基于鉆桿輸送路徑規(guī)劃針對性設(shè)計了鉆桿箱、轉(zhuǎn)運器、主機械手和副機械手等執(zhí)行機構(gòu)；呂晉軍[14]、陳魚[15]設(shè)計了機械手伸縮關(guān)節(jié)、翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并通過有限元分析和現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證了其可靠性和穩(wěn)定性。2021年，采用ZYWL-4000SY型自動化鉆機(圖1)在淮南謝橋煤礦施工完成深度126 m的碎軟煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔，解決了自動鉆進過程中排渣判斷不及時、易埋鉆卡鉆等諸多難題，創(chuàng)造了行業(yè)新紀(jì)錄[16]。

圖1 ZYWL-4000SY自動化鉆機[16]

西安研究院從2008年開始自動化鉆機的研究工作[10,17-19]，研制出多款自動化鉆機，開發(fā)出抓手翻轉(zhuǎn)式、多組油缸坐標(biāo)平移式、多自由度機械手等多類型鉆桿自動裝卸裝置，在鉆機上集成位移傳感器、壓力傳感器、接近開關(guān)等各類傳感器進行信號的采集，采用電液控制技術(shù)實現(xiàn)鉆機自動化鉆進，實現(xiàn)了鉆桿自動化裝卸、一鍵操作鉆進、遠(yuǎn)程遙控鉆進。

“十三五”期間，在國家科技重大專項“煤礦井下智能化鉆探裝備及高效快速鉆進技術(shù)”支持下，西安研究院研制出ZDY25000LDK[20]大功率自動化定向鉆機，如圖2所示。額定轉(zhuǎn)矩25 000 N·m，最大給進起拔力達(dá)300 kN，采用以無線遙控為主、液控備用的電液控制系統(tǒng)，滿足智能高效控制需要，單根鉆桿自動上卸時間55 s；開發(fā)了鉆進參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，建立了工況識別判據(jù)智能專家知識庫，輔助進行鉆進工況的自動識別，實現(xiàn)了多種孔內(nèi)工況和鉆機故障實時診斷報警；研制出BLY800/12泥漿泵車，采用高壓大流量泥漿泵車閉式液壓系統(tǒng)，配合先導(dǎo)比例調(diào)節(jié)技術(shù)和近/遠(yuǎn)端雙重控制方式，解決了定向鉆進負(fù)載功率自適應(yīng)控制難題，最大輸出流量800 L/min、最高輸出壓力12 MPa，比現(xiàn)有井下常用泥漿泵輸出參數(shù)提升1倍。

圖2 ZDY25000LDK自動化定向鉆機[20]

為提高瓦斯抽采鉆孔施工效率、減少施工人員數(shù)量，西安研究院研制出ZDY4500LFK瓦斯抽采鉆孔機器人。對固定式鉆桿倉、防爆伺服電機控制機械手、視覺伺服系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計[20]，鉆機具備開孔姿態(tài)自動調(diào)節(jié)、自動裝卸鉆桿、自動鉆進、故障監(jiān)測診斷等功能，鉆桿倉存儲容量達(dá)150 m，滿足單個順煤層鉆孔或穿層鉆孔施工需要。

煤礦井下鉆機的精確定位、自主導(dǎo)航、避障是實現(xiàn)煤礦智能化鉆探的關(guān)鍵，近年來備受行業(yè)關(guān)注。與煤礦井下救援機器人相比，井下鉆機體積和重量都大，需外部供電；受井下環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣、無 GPS、非結(jié)構(gòu)化地形等因素限制，要實現(xiàn)鉆機自主導(dǎo)航、精確定位與避障功能開發(fā)與應(yīng)用更加困難。楊林[21]闡述了井下復(fù)雜受限環(huán)境下瓦斯抽采鉆孔機器人自主導(dǎo)航定位需攻克的技術(shù)難題。姚克[10]、姚寧平等[20]提出通過巷道環(huán)境識別與仿真模擬、鉆機姿態(tài)測控、履帶平臺運動控制等方法實現(xiàn)鉆機自主導(dǎo)航定位。李猛鋼[22]針對瓦斯抽采鉆孔機器人在井下復(fù)雜環(huán)境下自行走需要，提出了基于偽 GPS、NDT-graph-SLAM、LI-SLAM和LIU-SLAM等精確定位與地圖構(gòu)建算法，開發(fā)了鉆機定位導(dǎo)航軟硬件系統(tǒng)，開展了模擬井下巷道環(huán)境下的定位試驗，驗證了所提出算法對鉆孔機器人的實用性?？梢钥闯?，當(dāng)前關(guān)于煤礦井下鉆機自主導(dǎo)航定位和越障技術(shù)的研究以理論為主，部分單位研制出原理樣機，距離工程化應(yīng)用尚有一定距離。

1.2 隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

孔底多參數(shù)隨鉆監(jiān)測是實現(xiàn)智能化鉆探的基礎(chǔ)，測量數(shù)據(jù)的大容量、穩(wěn)定、高速傳輸是實現(xiàn)智能化鉆探的保障[23-25]。隨鉆測量/隨鉆測井系統(tǒng)是獲取鉆孔幾何參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)的關(guān)鍵，可實現(xiàn)對鉆進過程的動態(tài)預(yù)測與評價，為鉆孔高效精準(zhǔn)施工提供重要數(shù)據(jù)支撐[26]。

目前主要采用基于孔口防爆計算機供電的有線隨鉆測量系統(tǒng)、泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)、電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)進行鉆孔幾何參數(shù)的測量，實現(xiàn)對鉆孔軌跡的精確控制。各測量系統(tǒng)對鉆孔軌跡參數(shù)、鉆具姿態(tài)參數(shù)測量精度較高，但信號傳輸方式存在差異。其中有線隨鉆測量系統(tǒng)實鉆最大傳輸距離達(dá)2 311 m[27]，泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)實鉆最大傳輸距離達(dá)3 353 m[28]，電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)實鉆最大傳輸距離超過500 m，應(yīng)根據(jù)鉆進工藝、鉆具組合形式不同選擇配套的隨鉆測量系統(tǒng)。

為滿足煤礦井下地質(zhì)導(dǎo)向鉆進需要，方俊[29]、王小龍[30]研制了基于靜態(tài)方位伽馬測量的礦用隨鉆測量系統(tǒng)。通過含煤地層自然伽馬的測量實現(xiàn)鉆遇地層巖性和煤巖界面的探測識別，從而指導(dǎo)順煤層地質(zhì)導(dǎo)向鉆進，并開展了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。但是由于該測量系統(tǒng)適用于滑動定向鉆進狀態(tài)下靜態(tài)定點測量，不具備方位性和成像功能，難以直接判斷出鉆遇巖層是頂板或底板，不能滿足復(fù)合定向鉆進對自然伽馬動態(tài)隨鉆測量要求?；诖?，“十三五”期間，西安研究院開發(fā)出礦用隨鉆動態(tài)方位伽馬測量系統(tǒng)[3]，如圖3所示。集成自然伽馬、井斜和工具面向角測量功能，自然伽馬探測范圍0～350 API，探測半徑0.3 m，滿足復(fù)合鉆進條件下動態(tài)方位伽馬數(shù)據(jù)實時采集和動態(tài)方位伽馬成像需要，可實現(xiàn)含煤地層巖性和煤巖層界面的辨識，從而引導(dǎo)鉆頭沿目標(biāo)地層精確延伸。針對鉆機參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采集的孔口鉆進參數(shù)和孔底實際鉆進參數(shù)差異性較大，難以高效指導(dǎo)鉆孔施工的問題，研制了礦用工程參數(shù)測量短節(jié)，可實時監(jiān)測孔底鉆壓、溫度、振動、環(huán)空壓力等參數(shù)，綜合評估孔內(nèi)工況環(huán)境和鉆具狀態(tài)。此外，為解決無線隨鉆測量系統(tǒng)孔底連續(xù)供電難題，研制了礦用小直徑小排量渦輪發(fā)電機，可為孔底無線隨鉆測量短節(jié)持續(xù)供電。

圖3 礦用動態(tài)方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)

定向鉆孔軌跡信息和隨鉆測量地質(zhì)信息為建立采煤工作面三維地質(zhì)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)于透明工作面構(gòu)建。劉建林等[31]發(fā)明了基于定向鉆孔數(shù)據(jù)探測的煤巖界面識別方法，大幅提高采煤工作面三維地質(zhì)模型的精度。朱夢博等[32]提出近水平鉆孔軌跡約束下采煤工作面煤層迭代建模方法，可實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的高精度定量預(yù)測。

1.3 礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是在鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進時，隨鉆實時完成定向功能的一種導(dǎo)向式鉆進系統(tǒng)，能有效提高鉆進能力、鉆進效率和軌跡控制能力，可應(yīng)用于煤礦井下超長、超大直徑鉆孔施工。與地面油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域相比[33]，煤礦井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)工作環(huán)境一般為常溫、常壓，但要求盡量減小旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的外徑，并滿足井下防爆要求?！笆濉逼陂g，西安研究院開發(fā)出國內(nèi)首套礦用小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)[3]，如圖4所示，包括推靠裝置、液控動力單元、發(fā)電電子節(jié)、渦輪發(fā)電機及測量探管，外徑133 mm、造斜強度22°/hm，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆孔軌跡的自動糾偏。該系統(tǒng)采用推靠式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以電路控制、液壓驅(qū)動、機械機構(gòu)執(zhí)行的方式控制推靠巴掌伸縮，通過推靠巴掌支撐孔壁，為鉆頭方向調(diào)整提供側(cè)向力；采用復(fù)合供電模式，利用孔底渦輪發(fā)電機為導(dǎo)向系統(tǒng)供電，利用孔口防爆計算機為內(nèi)置的測量探管供電；采用動態(tài)高精度幾何參數(shù)隨鉆測量方式，解決了在強振動環(huán)境下傾角、方位角和工具面角的高精度測量難題，為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具控制和鉆孔軌跡調(diào)整提供依據(jù)；采用有線雙向信號傳輸方式，利用研制的專用高強度通纜鉆桿進行測量數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性高等特點。2021年，采用研制的ZDY25000LDK大功率自動化定向鉆機、礦用小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等裝備在鄂爾多斯唐家會煤礦施工完成了2 個孔深超過800 m、孔徑165 mm的定向鉆孔，驗證了成套技術(shù)裝備的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 礦用小直徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)

2 智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展存在的問題

煤礦井下自動化鉆機、隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)和礦用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)等技術(shù)裝備的研發(fā)為煤礦智能化建設(shè)起到積極推動作用。但還需要在高性能防爆元器件、基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵核心技術(shù)等方面開展持續(xù)攻關(guān)，推動多學(xué)科交叉融合，不斷提升井下鉆探裝備的智能化水平、地層適應(yīng)性和集成控制能力，破解制約煤礦智能化鉆探技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用的難題。制約因素主要包括以下方面：

1) 鉆機智能化水平仍然較低

自動化鉆機的研發(fā)應(yīng)用在一定程度上減輕了工人勞動強度、實現(xiàn)了減人增效，但施工過程中還需要人為輔助，鉆機智能化水平仍然較低，主要表現(xiàn)為：

在設(shè)計方面，煤礦井下環(huán)境對智能化鉆機的防爆設(shè)計有嚴(yán)格要求，當(dāng)前防爆設(shè)計理論框架嚴(yán)重束縛著智能化鉆機設(shè)計[34]。目前可供選擇的防爆型元器件有限、品種和規(guī)格單一[10]，同時由于缺乏實用的數(shù)據(jù)和先進的人工智能算法作為支撐，導(dǎo)致鉆機機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性差，難以完成某些復(fù)雜的機械動作。在鉆進工況和鉆場環(huán)境智能感知、鉆機精確定位導(dǎo)航、鉆桿裝卸自適應(yīng)跟蹤調(diào)整、基于鉆進參數(shù)反饋的自適應(yīng)鉆進等方面研究還存在不足。

在操作方面，主要通過對鉆機及孔底傳感器采集的參數(shù)進行分析并指導(dǎo)施工，鉆進工藝參數(shù)調(diào)整仍然以人工操作為主，依賴于人工經(jīng)驗，針對異常工況識別、預(yù)警和處理質(zhì)量難以保證。有學(xué)者提出通過采集鉆機運行參數(shù)，建立精確的目標(biāo)函數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行鉆進參數(shù)的優(yōu)化控制[35-37]，進而實現(xiàn)鉆壓、鉆速和回轉(zhuǎn)壓力自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)控，然而井下鉆探是個非線性、不確定的過程，當(dāng)前基于算法優(yōu)化的自適應(yīng)控制鉆進大多是匱乏的，因此目前主要以理論研究為主，指導(dǎo)實際生產(chǎn)能力不足。

在推廣應(yīng)用方面，由于我國煤層地質(zhì)條件、開采地質(zhì)條件差異大，不同鉆進工藝需要配套不同的鉆機和鉆具組合，難以通過現(xiàn)有的幾款自動化鉆機解決所有工程難題。同時還應(yīng)該看出，當(dāng)前自動化鉆機針對復(fù)雜地層適應(yīng)性弱，鉆進效率和鉆孔質(zhì)量難以得到有效保證。其次，鉆進過程中反饋的鉆進工藝參數(shù)的微小變化可能就是鉆孔事故的先兆，但當(dāng)前自動鉆進狀態(tài)下對負(fù)載突變的響應(yīng)不及時，鉆進工藝參數(shù)調(diào)整滯后，易引發(fā)孔內(nèi)事故，需根據(jù)瓦斯、水害、沖擊地壓等災(zāi)害類型和含煤地層精細(xì)探查要求，針對性開發(fā)智能化鉆機，選擇成孔工藝技術(shù)及配套鉆具，進一步提高鉆機的適用性和實用性。

2) 隨鉆探測數(shù)據(jù)類型少、實效性低

當(dāng)前在隨鉆探測數(shù)據(jù)獲取、實時傳輸、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)利用方面仍有待突破[38]。

在數(shù)據(jù)獲取方面，隨鉆探測技術(shù)對復(fù)雜地質(zhì)特征的響應(yīng)速度慢，源頭獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證，所采集的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)單一。目前主要利用鉆孔軌跡參數(shù)獲取工作面點、線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合孔口返渣輔助識別煤巖界面，識別精度有限，同時由于井下鉆探數(shù)據(jù)的空間密度有限，容易存在“一孔之見”。

在數(shù)據(jù)傳輸方面[3]，當(dāng)前階段，隨鉆無線數(shù)據(jù)傳輸速率低、容量小、受干擾因素多；隨鉆有線數(shù)據(jù)傳輸必須借助專用鉆桿，應(yīng)用形式受限，難以滿足井下智能化鉆探對數(shù)據(jù)高速、大容量傳輸?shù)男枰?/p>

在數(shù)據(jù)融合方面，透明工作面構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)大多來源于鉆探、物探和揭露信息，包括各類結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間的沖突和深度挖掘是必須要解決的關(guān)鍵問題。

在數(shù)據(jù)利用方面，鉆探過程中積累的形態(tài)各異的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，由于鉆孔數(shù)據(jù)的采集方式、產(chǎn)生周期不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)可管理性差、數(shù)據(jù)利用率低。

3) 多系統(tǒng)集成控制難

煤礦井下智能化鉆探是涉及多系統(tǒng)集成的復(fù)雜工程，需要協(xié)同配合完成。包括自動化鉆機、泥漿泵、精準(zhǔn)導(dǎo)向系統(tǒng)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)、鉆桿等諸多設(shè)備工具；包含開孔、下套管、鉆進、清渣、起下鉆等復(fù)雜工藝流程。但現(xiàn)階段智能化鉆探裝備主要集中在單個系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)，輔助工序配套裝備自動化、智能化程度低。各系統(tǒng)控制分散。同時缺乏高效的協(xié)同控制策略，難以實現(xiàn)鉆探裝備的集成管理和協(xié)同控制。清渣、搬運、配套設(shè)備拆卸等工藝流程還需要人工輔助完成，遠(yuǎn)達(dá)不到“無人化”作業(yè)的目標(biāo)，這成為制約煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

3 智能化鉆探技術(shù)裝備展望

面對新一輪能源革命和產(chǎn)業(yè)變革，煤礦井下鉆探技術(shù)裝備與5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速融合，將推動煤礦井下鉆探技術(shù)裝備向更加智能、更高質(zhì)量的方向發(fā)展。

需要深入推進數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、智能化技術(shù)與傳統(tǒng)鉆探技術(shù)結(jié)合[39]，以技術(shù)裝備為支撐、以數(shù)字化平臺為保障、以人才隊伍建設(shè)為基礎(chǔ)，不斷提高井下鉆探技術(shù)裝備的智能化水平，實現(xiàn)煤礦井下鉆孔全流程智能化施工作業(yè)。需要在以下5方面重點突破：

1) 智能化鉆機

建立面向煤礦機器人的輕量化、低功耗、高機動性能新型防爆電氣設(shè)計方法，突破現(xiàn)有煤礦電氣防爆框架下智能化鉆機設(shè)計存在的零部件體積增大、重量增加、散熱不良等問題[34]。從感知、決策、執(zhí)行層面持續(xù)完善鉆機的技術(shù)性能，突破鉆機自主導(dǎo)航定位、多源數(shù)據(jù)融合狀態(tài)監(jiān)測、鉆進工況智能感知、鉆進動作自主分析決策、智能精準(zhǔn)控制鉆進和多機智能協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，進一步提升鉆機智能化水平、拓展鉆機適用地層范圍；開發(fā)高可靠性的防爆型液壓元件和傳感器，推動實現(xiàn)關(guān)鍵零部件國產(chǎn)化；強化鉆機模塊化設(shè)計理念，優(yōu)化鉆機的液壓管路布局，提高鉆機的可維護性和拆裝便利性。

2) 高精度數(shù)據(jù)獲取與傳輸技術(shù)

開發(fā)礦用方位電阻率隨鉆測量系統(tǒng)，研究建立煤巖界面識別標(biāo)準(zhǔn)，充分利用煤層與頂?shù)装鍘r層之間的電阻率差異，進行煤巖界面反演，實現(xiàn)孔周地層巖性的數(shù)據(jù)化描述和煤巖分界面的精準(zhǔn)判識，實現(xiàn)復(fù)雜地層隨鉆前探測和遠(yuǎn)探測，進一步豐富鉆孔地質(zhì)信息探查手段，為透明工作面構(gòu)建提供更加可靠的地質(zhì)信息[40]；開發(fā)礦用近鉆頭隨鉆測量技術(shù)，突破近鉆頭測量信息無線短傳和測量探管抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)隨鉆測量位置的“前移”，利用近鉆頭測量得到的地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)輔助判斷鉆頭與儲層的相對位置，提高獲取地層數(shù)據(jù)的可靠性和實效性，為實現(xiàn)特殊目標(biāo)地層定向鉆進提供技術(shù)支撐；開發(fā)礦用智能鉆桿，重點解決鉆桿軟連接、信號傳輸過程中失真等難題，實現(xiàn)隨鉆監(jiān)測信息實時上傳、控制指令快速下達(dá)，為智能決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3) 鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制技術(shù)

開展鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制技術(shù)研究，建立含煤地層與鉆進參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系，借助先進的人工智能算法，通過對孔底隨鉆監(jiān)測參數(shù)進行反演分析，得出鉆孔軌跡最優(yōu)化調(diào)控策略，實現(xiàn)鉆進過程的風(fēng)險評估和最優(yōu)化控制。研究完善井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，進一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，通過技術(shù)創(chuàng)新降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的使用維護成本，研究形成系列化大直徑超長孔旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進技術(shù)裝備，實現(xiàn)安全快速成孔。

4) 輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備集成控制技術(shù)

研究基于智能分析決策的井下鉆探多系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)，加快提升輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備的可集成性，包括自動控制泥漿泵車、沖洗液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)、鉆渣“集-運-排”一體化系統(tǒng)、輔助設(shè)備吊運系統(tǒng)，探索面向井下復(fù)雜環(huán)境的多系統(tǒng)協(xié)同控制算法，能實時調(diào)整輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備的運行參數(shù)，實現(xiàn)井下工藝流程的智能化，從根本上減少井下鉆孔施工作業(yè)人員。

5) 數(shù)字化鉆進平臺

通過對煤礦井下鉆探裝備和鉆探工藝參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的研究，開發(fā)配套監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多種鉆進參數(shù)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)自動存儲、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，建立基于數(shù)字孿生的數(shù)字化鉆進平臺，集成鉆進數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗、科學(xué)經(jīng)驗等，實現(xiàn)鉆進過程實時監(jiān)控、數(shù)字孿生、信息共享和高效決策，盡量減少鉆場施工人員數(shù)量、降低人為干預(yù)程度。同時，通過傳感器采集的機械、液壓、電控系統(tǒng)運行參數(shù)進行融合分析，建立故障預(yù)測與診斷模型，實現(xiàn)鉆機運行狀態(tài)的實時智能監(jiān)測和遠(yuǎn)程運維管理，以進一步降低鉆機的故障率和安全施工風(fēng)險、提高鉆孔施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

a.煤礦智能化建設(shè)為智能化鉆探技術(shù)裝備的發(fā)展提供了前所未有的機遇，開展智能化鉆機、高精度數(shù)據(jù)獲取與傳輸技術(shù)、鉆孔軌跡智能優(yōu)化與控制技術(shù)、輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備集成控制技術(shù)、數(shù)字化鉆進平臺等方面攻關(guān)是實現(xiàn)井下鉆孔全流程智能化施工作業(yè)的關(guān)鍵，也必將推動煤礦井下鉆探技術(shù)裝備向更加智能、更高質(zhì)量的方向發(fā)展。

b.受井下防爆型作業(yè)環(huán)境、狹小封閉作業(yè)空間和含煤地層條件的約束，決定了不能完全照搬地面油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域成熟的先進技術(shù)裝備，必須立足于當(dāng)前煤礦坑道鉆探技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)礦井實際地質(zhì)條件和工程需求開展研究，進一步提高井下鉆探技術(shù)裝備的智能化水平，服務(wù)于煤礦智能化建設(shè)。

c.煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展是涉及多學(xué)科融合和協(xié)同創(chuàng)新的系統(tǒng)工程，需瞄準(zhǔn)世界科技前沿，緊跟新一代信息技術(shù)發(fā)展趨勢，強化頂層設(shè)計，充分借鑒吸收地面油氣勘探領(lǐng)域成熟經(jīng)驗，深入推進數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與傳統(tǒng)坑道鉆探技術(shù)結(jié)合，突破制約智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸；同時需加強井下智能化鉆探技術(shù)裝備人才培養(yǎng)和團隊建設(shè)，培養(yǎng)一批懂采礦工程、機械工程、鉆探工藝、計算機與信息技術(shù)的復(fù)合型人才，為礦井智能化建設(shè)奠定人才基礎(chǔ)。

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Development and prospect of intelligent drilling technology and equipment for underground coal mines in China

LI Quanxin, LIU Fei, FANG Jun, LIU Jianlin, CHU Zhiwei

(Xi’an Research Institute Co.,Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077,China-)

The intelligent drilling technology and equipment are important part of the intelligent construction of coal mine, and it is the advanced technology and equipment urgently needed by coal mine enterprises to further promote the work of reducing personnel and increasing efficiency. The phased achievements of underground intelligent drilling technology and equipment during the 13th five-year plan are systematically summarized, and the development status of key technical equipment such as automatic drilling rig, parameter monitoring of measurement while drilling(MWD) system, rotary steerable system are introduced. The key factors restricting the research and development (R&D) and application of intelligent drilling technology and equipment are comprehensively analyzed: low level of drilling rig intelligent,few types of MWD data, and difficulty in integrating and controlling multi systems. On this basis, it is proposed to deeply promote the combination of digital, networked and intelligent technologies with traditional pit drilling technologies, strengthen multidisciplinary integration and collaborative innovation capabilities, and continuously strengthen the cultivation of intelligent drilling technology and equipment research and application talents. With technical equipment as the support, digital platform as the guarantee, and talent team construction as the basis, the problems will be tackled in the following aspects: the intelligent drilling rig, the technology of high-precision data acquisition and transmission, the technology of intelligent optimization and control of trajectory, the technology of integrated control of auxiliary related equipment, the digital drilling platform, and the underground intelligent drilling in the whole process of coal mines will be realized.

intelligent drilling; automatic drilling rig; MWD system; rotary steerable system; research progress; development trend

語音講解

TD712

A

1001-1986(2021)06-0265-08

2021-08-25；

2021-10-19

國家科技重大專項課題(2016ZX05045-003)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2020XAYJS01)

李泉新，1980年生，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，研究員，從事煤礦井下鉆探技術(shù)與裝備研究工作. E-mail：liquanxin@cctegxian.com

李泉新，劉飛，方俊，等. 我國煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展與展望[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：265–272. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.032

LI Quanxin，LIU Fei，F(xiàn)ANG Jun，et al. Development and prospect of intelligent drilling technology and equipment for underground coal mines in China[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：265–272. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.06.032

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(責(zé)任編輯 郭東瓊)