煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)研究

范 強(qiáng) ，張幼振 ，陳 龍 ，陳 果 ，楊冬冬

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

隨著煤礦開采深度的不斷加大，礦井地質(zhì)條件更為復(fù)雜化，如何保證煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，防范煤礦在開采過程中發(fā)生的各類礦井災(zāi)害，已成為我國(guó)煤礦安全高效開采的技術(shù)瓶頸之一[1-2]。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、管理信息化技術(shù)和傳感器技術(shù)快速發(fā)展下，數(shù)字化礦山應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化礦山通過利用計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)，將礦山內(nèi)有用的信息進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)、傳輸和深度加工處理，廣泛應(yīng)用于礦山的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、流程監(jiān)控和管理決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采礦的自動(dòng)化和智能化，確保礦山生產(chǎn)的高產(chǎn)高效[3-4]。

目前煤礦井下數(shù)字化建設(shè)主要集中在采、掘、運(yùn)等生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，采煤機(jī)數(shù)字化已具備自主定位、自動(dòng)調(diào)高、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和記憶切割等功能。掘進(jìn)機(jī)數(shù)字化在智能截割、智能導(dǎo)航、智能協(xié)同控制和遠(yuǎn)程智能測(cè)控等技術(shù)取得了突破。運(yùn)輸機(jī)數(shù)字化可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行故障定位報(bào)警和遠(yuǎn)程啟停。相比采、掘、運(yùn)的數(shù)字化建設(shè)，煤礦井下定向鉆探數(shù)字化發(fā)展水平相對(duì)較低，如井下定向鉆機(jī)參數(shù)仍以液壓儀表顯示為主，無法實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。鉆孔施工進(jìn)度和相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)仍以人工記錄為主，無法與地面控制中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)萚5]。為此，在煤礦數(shù)字化建設(shè)的大趨勢(shì)之下，研究符合煤礦鉆探實(shí)際需求的定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)，將煤礦井下鉆機(jī)參數(shù)、鉆場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和隨鉆測(cè)量參數(shù)等信息統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和自動(dòng)處理以及鉆探過程中的數(shù)據(jù)分析和挖掘，為數(shù)字化礦山建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)有煤礦井下定向鉆探數(shù)字化建設(shè)

井下定向鉆探是指在鉆孔施工過程中，利用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)測(cè)量，通過孔底螺桿馬達(dá)實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的控制，并按照指定路徑鉆進(jìn)。數(shù)字化是井下定向鉆探智能化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其目的實(shí)現(xiàn)井上井下信息共享，并在地面控制中心對(duì)鉆機(jī)和鉆場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?，F(xiàn)有煤礦井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)可分為隨鉆測(cè)量數(shù)字化、鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化和鉆機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)字化3 個(gè)部分。

1.1 隨鉆測(cè)量數(shù)字化

隨鉆測(cè)量數(shù)字化是以定向鉆探軌跡參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制信息的數(shù)字化為核心，通過井下防爆計(jì)算機(jī)和軟件工具實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳎椎锥鄥?shù)示意圖如圖1。隨鉆測(cè)量數(shù)字化從參數(shù)測(cè)量類型上分為鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量、工程參數(shù)和地質(zhì)導(dǎo)向參數(shù)測(cè)量3 個(gè)部分：其中軌跡參數(shù)包括傾角、工具面向角和方位角等參數(shù)；工程參數(shù)包括孔底鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速等；地質(zhì)導(dǎo)向參數(shù)包括自然伽馬、電阻率等多參數(shù)與軌跡參數(shù)的組合。

圖1 孔底多參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole bottom multi parameters

1）鉆孔軌跡參數(shù)。鉆孔軌跡參數(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在數(shù)據(jù)傳輸方式上，具體包括有線傳輸、泥漿脈沖傳輸和電磁波傳輸：①有線隨鉆測(cè)量技術(shù)是指通過專用的通纜鉆桿將孔底測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)娇卓趦x器，通纜鉆桿具備傳遞鉆機(jī)的扭矩、鉆壓、輸送沖洗液和通過孔口防爆計(jì)算機(jī)為測(cè)量探管供電等功能；②泥漿脈沖傳輸技術(shù)以高壓沖洗液為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，循環(huán)水作為通信介質(zhì)，中煤科工集團(tuán)西安研究院（以下簡(jiǎn)稱“西安研究院”）研制的YHD3 系列礦用泥漿脈沖隨鉆測(cè)量設(shè)備，成功應(yīng)用于山西晉城寺河和成莊煤礦和神東保德煤礦，試驗(yàn)表明，該裝置具備信號(hào)傳輸穩(wěn)定和信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),不僅可以克服有線傳輸對(duì)專用鉆桿的限制，還實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)控制和提高鉆孔施工效率[6-7]；③電磁波傳輸通過鉆桿和含煤地層傳遞信息，以低頻電磁波為信號(hào)載體，信號(hào)傳輸不依賴通纜鉆桿和鉆井液，具有測(cè)量時(shí)間短和信號(hào)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)[8-9]，試驗(yàn)表明鉆孔內(nèi)泥漿液或泥漿液壓力，不會(huì)影響電磁波信號(hào)傳輸，但電磁波傳輸對(duì)信號(hào)的衰減嚴(yán)重，通常適用于500 m 以內(nèi)的定向鉆孔。

2）孔底工程參數(shù)。煤礦井下鉆孔施工時(shí)主要依靠孔口鉆機(jī)上的儀表顯示工程參數(shù)，與孔底實(shí)際工程參數(shù)存在差異，容易導(dǎo)致操作人員誤判和控制滯后。西安研究院研制的YZD-15T 礦用本安型隨鉆多參數(shù)測(cè)量探管，主要用于對(duì)孔底近鉆頭處的扭矩、鉆壓、內(nèi)外環(huán)空壓力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和溫度等工程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可真實(shí)掌握孔底鉆進(jìn)狀態(tài)，為煤礦井下智能化鉆進(jìn)提供有效的參數(shù)控制,提高了煤礦井下鉆探施工的安全性和準(zhǔn)確性。

3）地質(zhì)導(dǎo)向參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)煤礦行業(yè)，鉆孔地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量對(duì)自然伽馬隨鉆測(cè)量裝置研發(fā)較多。汪凱斌[10]開發(fā)出基于自然伽馬的礦用隨鉆測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)了多方位靜態(tài)方位伽馬測(cè)量和全方位自然伽馬測(cè)量，但此儀器只能應(yīng)用于滑動(dòng)鉆進(jìn)測(cè)量，不適用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，無法實(shí)現(xiàn)方位成像，且工作效率低；陳龍等[11]研制出礦用動(dòng)態(tài)方位伽馬儀器，該儀器采用屏蔽開窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單伽馬晶體的8 扇區(qū)分區(qū)測(cè)量，基于三軸MEMS加速度傳感器和三軸MEMS 陀螺儀不同頻率特性，并通過地面和井下試驗(yàn)，驗(yàn)證了儀器的準(zhǔn)確性。

1.2 鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化

井下鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化平臺(tái)主要分為鉆場(chǎng)視頻信息監(jiān)控和鉆場(chǎng)數(shù)字信息監(jiān)控2 個(gè)部分：鉆場(chǎng)視頻信息監(jiān)控主要在鉆機(jī)操作平臺(tái)、鉆桿加卸處、泥漿泵和鉆孔孔口設(shè)置攝像儀進(jìn)行鉆場(chǎng)的視頻監(jiān)控；鉆場(chǎng)數(shù)字信息則是在鉆場(chǎng)上風(fēng)側(cè)、孔口和沖洗液出口等位置設(shè)置相應(yīng)的傳感器，以獲取鉆場(chǎng)安全預(yù)警所需的相關(guān)參數(shù)。通過對(duì)鉆場(chǎng)設(shè)備和環(huán)境的監(jiān)測(cè)，能有效預(yù)防煤礦突發(fā)事故，保障井下作業(yè)人員安全。

王恩元等[12]分析了瓦斯災(zāi)害的大數(shù)據(jù)特征，研發(fā)了煤礦井下瓦斯災(zāi)害隱患大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，該平臺(tái)能夠?qū)?dòng)態(tài)信息資源展示在“一張圖”中；高瑞等[13]利用改進(jìn)RestNet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打鉆視頻，做到對(duì)鉆桿的自動(dòng)計(jì)數(shù)。井下鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化能夠有效減輕人員的工作壓力并大幅度提高工作效率，利用鉆場(chǎng)視頻和多種傳感器對(duì)人員安全、瓦斯突出和煤塵污染等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

1.3 鉆機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)字化

鉆機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)字化由外部傳感器、數(shù)據(jù)采集器、防爆計(jì)算機(jī)和顯示軟件組成，鉆機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)均以數(shù)字形式顯示。西安研究院研制的ZDY4000LK型等鉆機(jī)可實(shí)時(shí)獲取鉆機(jī)的工作狀態(tài)及其相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)[14]，但上述鉆機(jī)均無法實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，且鉆機(jī)參數(shù)顯示不全，鉆機(jī)在處于多粉塵、多水霧的工況下，工作人員不能準(zhǔn)確判斷鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和鉆場(chǎng)環(huán)境[15]；王天龍等[16]使用ZDY4500LFK型鉆機(jī)在唐家會(huì)煤礦井下探放水鉆孔施工時(shí)進(jìn)行地面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求，井下和地面之間的通信未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，鉆機(jī)三維模型和視頻監(jiān)測(cè)畫面流暢。

在煤礦鉆探設(shè)備智能化、少人化的發(fā)展趨勢(shì)下，當(dāng)前井下鉆探設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在諸多問題，如多源數(shù)據(jù)融合監(jiān)測(cè)不足，工作人員可以對(duì)隨鉆測(cè)量參數(shù)、鉆場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和鉆機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)不足，數(shù)據(jù)孤島化嚴(yán)重；遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)不成熟，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員數(shù)據(jù)管理仍以紙質(zhì)作業(yè)辦公或Excel 文檔保存為主，地面人員無法實(shí)時(shí)更新現(xiàn)場(chǎng)鉆探數(shù)據(jù)；現(xiàn)有鉆孔軌跡展示以二維形式展示為主，對(duì)于整個(gè)工作面空間鉆孔群的分布情況表現(xiàn)不直觀，同時(shí)缺少對(duì)鉆場(chǎng)施工設(shè)備運(yùn)行情況、施工進(jìn)度情況等缺少監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)。

2 煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)總體架構(gòu)

目前，我國(guó)井下定向鉆探數(shù)字化在隨鉆測(cè)量、鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和鉆機(jī)監(jiān)測(cè)已經(jīng)取得了較大進(jìn)展。結(jié)合鉆探施工需求，提出了煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)總體架構(gòu)，煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)總體架構(gòu)如圖2。

圖2 煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of digital platform for directional drilling in coal mines

煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備、環(huán)境和人員的智能監(jiān)控和分析，達(dá)到鉆探設(shè)備三維場(chǎng)景的呈現(xiàn)、鉆場(chǎng)環(huán)境、工程進(jìn)度管理和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)煤礦井下鉆場(chǎng)、隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖表可視化、作業(yè)環(huán)境仿真孿生化和邏輯分析智能化等功能。從層次上分為5 個(gè)部分：數(shù)據(jù)來源層、傳輸層、基礎(chǔ)設(shè)施層、應(yīng)用層和終端用戶層。

1）數(shù)據(jù)來源層。作為井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)來源層包含多種傳感器和應(yīng)用系統(tǒng)，用以獲取鉆孔參數(shù)（鉆孔幾何參數(shù)、鉆孔地質(zhì)參數(shù)）、鉆機(jī)工況參數(shù)（回轉(zhuǎn)速度、鉆進(jìn)/起拔壓力、轉(zhuǎn)矩等）和鉆場(chǎng)環(huán)境參數(shù)（甲烷、一氧化碳、粉塵、攝像頭等）。

2）傳輸層。基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)、WIFI、4G 和5G等技術(shù)，通過各軟件硬件接口，將數(shù)據(jù)來源層的信息上傳到基礎(chǔ)設(shè)施層。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層。包含平臺(tái)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)以及企業(yè)私有云。平臺(tái)環(huán)境作為礦區(qū)提供的軟硬件平臺(tái)，如配套計(jì)算機(jī)、軟件環(huán)境等。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)為礦區(qū)提供的數(shù)據(jù)中心，從礦區(qū)抽取生產(chǎn)、安全和運(yùn)行信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和整理。企業(yè)私有云為各子公司數(shù)字化平臺(tái)提供云計(jì)算、云存儲(chǔ)、多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合分析和異地災(zāi)備等功能。

4）應(yīng)用層。應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)層的信息后，基于客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，簡(jiǎn)稱C/S）、瀏覽器/服務(wù)器（Brovser/Server，簡(jiǎn)稱B/S）等架構(gòu)模式，在C 端或B 端通過相關(guān)數(shù)據(jù)通信協(xié)議與規(guī)范進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)可視化展示。應(yīng)用層分類和整合井下所有鉆場(chǎng)的多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鉆場(chǎng)、鉆具、地質(zhì)信息和鉆孔軌跡等三維場(chǎng)景的呈現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)鉆場(chǎng)基本信息、工程進(jìn)度信息和工況統(tǒng)計(jì)信息的進(jìn)度管理；實(shí)現(xiàn)鉆具實(shí)時(shí)姿態(tài)和工程參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

5）終端用戶層。該層是對(duì)煤礦井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)信息成果的展現(xiàn)，主要包含PC 機(jī)、智能終端和大屏幕等不同終端用戶。同時(shí)用戶層對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)管理端進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，針對(duì)不同層級(jí)用戶，劃分不同權(quán)限級(jí)別，如決策者、技術(shù)員、管理員和訪客等層級(jí)。不同權(quán)限級(jí)別瀏覽的信息也不盡相同，分層展示可以保證數(shù)據(jù)信息的總覽全局和局部突出。

3 定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將煤礦井下布置的各類傳感器（如溫度、瓦斯、風(fēng)速、孔底軌跡參數(shù)等）進(jìn)行綜合處理分析，彌補(bǔ)單一傳感器對(duì)礦井狀態(tài)判斷的局限。井下數(shù)字化平臺(tái)通過多傳感器參數(shù)的采集，更全面反映了煤礦井下定向鉆探所需的信息，提高了數(shù)字化平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在我國(guó)煤炭安全預(yù)警領(lǐng)域得到長(zhǎng)足發(fā)展，通過不同傳感器的相互聯(lián)系和補(bǔ)充，能更準(zhǔn)確地判斷鉆場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)。史俊茹[17]采用特征層和決策層2 層數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)井下安全預(yù)警模型，采用基于D-S 證據(jù)理論改進(jìn)算法，在決策級(jí)實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合，通過仿真試驗(yàn)證實(shí)了該融合算法的可行性；SI 等[18]利用多傳感器融合技術(shù)，將煤礦井下環(huán)境各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行融合，從而獲得更加準(zhǔn)確的預(yù)警信號(hào)；孟廣瑞等[19]通過搭載多傳感器實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)巡檢機(jī)器人的自主導(dǎo)航避障和危險(xiǎn)氣體的監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)有煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)，以多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)為基礎(chǔ)，集中處理鉆孔軌跡參數(shù)、工程參數(shù)、鉆機(jī)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和地質(zhì)信息等，有效的運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下定向鉆探智能化奠定基礎(chǔ)。

3.2 遠(yuǎn)程交互技術(shù)

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，人員在鉆探過程中會(huì)受到礦山災(zāi)害威脅，井下設(shè)備的運(yùn)行對(duì)人員依賴程度較高，導(dǎo)致井下工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大和工作時(shí)間長(zhǎng)。遠(yuǎn)程交互技術(shù)的應(yīng)用可以降低人員的工作風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。煤礦井下遠(yuǎn)程交互技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用方式：

1）語音與數(shù)據(jù)通信。井下工作者與地面指揮中心，通過煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)、無線電或其他通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞、施工情況匯報(bào)和緊急救援等。隨著煤礦數(shù)字化建設(shè)的不斷推進(jìn)，除語音通信外，井下視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程遙控作業(yè)等對(duì)無線通信系統(tǒng)在帶寬、延遲率等方面提出更高的要求?；诰鹿I(yè)環(huán)網(wǎng)，在井下配置無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、WiFI 無線基站、4G 無線基站和5G 無線基站等，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、設(shè)備統(tǒng)一維護(hù)和業(yè)務(wù)統(tǒng)一管控。目前煤礦井下以4G和WiFi 無線通信系統(tǒng)為主，5G 和WiFi6 無線通信系統(tǒng)處于起步階段。

2）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、控制系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下鉆場(chǎng)設(shè)備、環(huán)境等各項(xiàng)參數(shù)（如氧氣體積分?jǐn)?shù)、溫度、濕度等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。井下定向鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用B/S 架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)索引、結(jié)構(gòu)分析和規(guī)范化處理形成數(shù)據(jù)服務(wù)，在B 端以三維和圖表等形式實(shí)現(xiàn)鉆探數(shù)據(jù)可視化。

3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以彌補(bǔ)鉆探視頻監(jiān)測(cè)時(shí)，因鉆場(chǎng)環(huán)境容易出現(xiàn)水霧大、粉塵大等不利于視頻監(jiān)測(cè)的缺陷。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將煤礦井下的場(chǎng)景和設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，讓管理人員通過終端設(shè)備在虛擬環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制井下設(shè)備，提高鉆探效率和安全性?，F(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在鉆探領(lǐng)域的應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)井下定向鉆探以功能實(shí)現(xiàn)為主，鉆進(jìn)參數(shù)主要以液壓儀表顯示。

4 工程實(shí)踐

中煤科工集團(tuán)西安研究院應(yīng)用了煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)，配套ZDY12000LD 型定向鉆機(jī)在阿拉善天榮煤礦井下成功施工應(yīng)用，進(jìn)行了9 個(gè)探放水鉆孔施工時(shí)孔底隨鉆參數(shù)和鉆場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程地面監(jiān)測(cè)。數(shù)字化平臺(tái)界面和功能如圖3。

圖3 數(shù)字化平臺(tái)界面和功能Fig.3 Digital platform interfaces and functionality

定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：①通過記錄鉆探設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)以圖表的形式統(tǒng)計(jì)每班、每日、每周和每月的施工工作量，并根據(jù)不同用戶權(quán)限導(dǎo)出不同用戶所需要的施工信息報(bào)表；②結(jié)合隨鉆測(cè)量?jī)x器和數(shù)據(jù)模塊，實(shí)時(shí)采集孔底隨鉆數(shù)據(jù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)不同鉆具和測(cè)量系統(tǒng)的三維展示；③運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將視頻監(jiān)控、瓦斯體積分?jǐn)?shù)傳感器、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)傳感器和溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集融合。通過視頻監(jiān)測(cè)和數(shù)字信息監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)獲取鉆場(chǎng)環(huán)境信息，聚焦鉆探過程和鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，軌跡參數(shù)、工程參數(shù)和鉆場(chǎng)環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。鉆探數(shù)據(jù)全過程記錄，可隨時(shí)查詢、分析和追溯。鉆孔設(shè)計(jì)軌跡和鉆孔實(shí)鉆軌跡的三維展示準(zhǔn)確，能直觀反映兩者軌跡偏差。同時(shí)鉆場(chǎng)視頻監(jiān)測(cè)效果流暢，未出現(xiàn)明顯卡滯，符合定向鉆探遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求。

5 發(fā)展趨勢(shì)

雖然煤礦井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)已經(jīng)取得了眾多的成果與突破，但在孔底多參數(shù)一體化測(cè)量技術(shù)、智能導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)和智能診斷技術(shù)等方面仍需加強(qiáng)研究。

1）孔底多參數(shù)一體化測(cè)量技術(shù)。煤礦井下鉆探過程中，因儀器安裝空間狹小和工作環(huán)境惡劣，目前仍以鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量為主。軌跡參數(shù)、工程參數(shù)、伽馬參數(shù)和電阻率參數(shù)等未實(shí)現(xiàn)一體化測(cè)量，各參數(shù)信息仍需不同的探管獲得。綜合考慮各類傳感器的安裝布局，通過對(duì)測(cè)量探管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，集成各類參數(shù)傳感器，保證測(cè)量探管的整體強(qiáng)度。

2）智能導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)。由于鉆具自重、地質(zhì)條件、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)工藝和人員等因素，實(shí)際鉆孔軌跡和設(shè)計(jì)軌跡會(huì)產(chǎn)生一定的偏離，從而影響瓦斯抽采和防治水的效率等。根據(jù)多傳感器實(shí)時(shí)獲取的孔底鉆探參數(shù)，在遠(yuǎn)程控制中心利用人工智能算法技術(shù)，實(shí)時(shí)分析隨鉆測(cè)量軌跡參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。

3）智能診斷技術(shù)。由于鉆探設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備中的故障可能由多種原因共同導(dǎo)致，各類故障對(duì)系統(tǒng)存在交錯(cuò)作用，對(duì)復(fù)合故障存在排除困難等問題。智能診斷技術(shù)通過多傳感器對(duì)鉆機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集處理，提取故障特征和預(yù)設(shè)失效判據(jù)比對(duì)鉆機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，判斷是否存在故障，并根據(jù)選定參數(shù)的閾值對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)故障的早期預(yù)警和診斷。

6 結(jié) 語

煤礦井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)的研發(fā)應(yīng)用可為數(shù)字化礦山建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。從隨鉆測(cè)量數(shù)字化、鉆場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)字化和鉆機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)字化3 個(gè)方面分析了現(xiàn)有煤礦井下鉆探數(shù)字化平臺(tái)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀；結(jié)合當(dāng)前煤礦井下智能鉆探實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了煤礦井下定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)總體架構(gòu)，分析了定向鉆探數(shù)字化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)；指出了煤礦井下定向鉆探數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)煤礦井下鉆探數(shù)字化發(fā)展提供參考和借鑒。