李泉新，劉飛，方俊，劉建林，褚志偉

我國(guó)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(tuán)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(jìn)減人增效工作所急需的先進(jìn)技術(shù)裝備。系統(tǒng)總結(jié)了“十三五”期間我國(guó)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(diǎn)介紹了自動(dòng)化鉆機(jī)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)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(jī)智能化水平較低、隨鉆探測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型少、多系統(tǒng)集成控制難。在此基礎(chǔ)上提出深入推進(jìn)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(qiáng)化多學(xué)科融合和協(xié)同創(chuàng)新能力；并不斷加強(qiáng)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(tái)為保障、以人才隊(duì)伍建設(shè)為基礎(chǔ)；在智能化鉆機(jī)、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(jìn)平臺(tái)開(kāi)展攻關(guān)，以實(shí)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(dòng)化鉆機(jī)；隨鉆測(cè)量系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，煤炭作為我國(guó)的主體能源仍然不可替代，2020年，煤炭在一次能源消費(fèi)總量中的占比約為57%，深入推進(jìn)煤炭資源安全、高效、智能、綠色開(kāi)采已成為業(yè)界共識(shí)[1]。國(guó)家八部門(mén)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(jiàn)》，為加快煤礦智能建設(shè)提供綱領(lǐng)性指引，提出了對(duì)煤炭地質(zhì)保障技術(shù)發(fā)展的具體目標(biāo)：重點(diǎn)突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)等技術(shù)與裝備[2]。通過(guò)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(kāi)采的透明工作面，為智能開(kāi)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(guò)程中，施工人員面對(duì)煤與瓦斯突出、涌水和頂板動(dòng)力災(zāi)害的直接威脅，為貫徹“少人則安、無(wú)人則安”的發(fā)展理念，需要最大限度地減少危險(xiǎn)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(jí)階段。我國(guó)在煤礦井下智能化鉆探領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)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(dòng)化鉆探向智能化鉆探逐步邁進(jìn)，并提出圍繞精準(zhǔn)導(dǎo)向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化鉆探發(fā)展框架和重點(diǎn)攻關(guān)方向[3-4]。王清峰等[5]提出從全自動(dòng)鉆機(jī)、智能化鉆機(jī)到鉆孔機(jī)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(jì)、鉆探裝備自主導(dǎo)航和定位、鉆進(jìn)工況智能感知、鉆進(jìn)過(guò)程智能控制和鉆孔質(zhì)量智能評(píng)估等方面開(kāi)展技術(shù)研究。從2005年起，以中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“西安研究院”)和中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“重慶研究院”)為代表開(kāi)展了煤礦井下自動(dòng)化鉆機(jī)的研發(fā)工作，相繼研制出多款井下自動(dòng)化鉆機(jī)，具備遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)裝卸鉆桿、程序控制鉆進(jìn)、參數(shù)監(jiān)測(cè)等功能[6-7]。在透明工作面構(gòu)建方面，采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)輔助進(jìn)行煤巖界面的識(shí)別，利用定向鉆孔軌跡精確可控的特點(diǎn)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(shí)結(jié)合工作面采掘信息，構(gòu)建動(dòng)態(tài)優(yōu)化的工作面三維地質(zhì)模型，已在神東煤炭集團(tuán)公司榆家梁煤礦智能無(wú)人化工作面開(kāi)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(guó)煤礦智能化建設(shè)仍處于初級(jí)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(tái)、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(wú)人化操作還有較大差距[10]；利用定向鉆孔軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行煤巖界面識(shí)別存在一定的滯后性，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)探測(cè)，尚不能滿(mǎn)足智能開(kāi)采對(duì)高精度、快速、動(dòng)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(jìn)展，展望了煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備發(fā)展趨勢(shì)。

1 智能化鉆探技術(shù)裝備研究進(jìn)展

為實(shí)現(xiàn)煤礦井下“機(jī)械化減人、自動(dòng)化換人、智能化無(wú)人”的目標(biāo)，發(fā)展井下智能鉆探技術(shù)裝備是大勢(shì)所趨。目前我國(guó)煤礦井下智能化鉆探技術(shù)裝備研究主要集中在自動(dòng)化鉆機(jī)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)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(jìn)展。

1.1 自動(dòng)化鉆機(jī)

重慶研究院在國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展煤礦井下自動(dòng)化鉆機(jī)的研究工作，針對(duì)大角度自動(dòng)加卸鉆桿、遠(yuǎn)程遙控控制、自適應(yīng)鉆進(jìn)等技術(shù)難題開(kāi)展科研攻關(guān)，相繼研制出遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)、地面控制鉆機(jī)、地面遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制鉆機(jī)、遙控自動(dòng)鉆機(jī)[5]，具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、作業(yè)人數(shù)少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤礦井下瓦斯防治無(wú)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(jī)器人智能化程度，王清峰等[11]建立了井下鉆孔機(jī)器人自動(dòng)鉆進(jìn)數(shù)學(xué)模型，研究揭示了鉆進(jìn)工況智能感知與自適應(yīng)控制機(jī)理，開(kāi)發(fā)了自適應(yīng)鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制；張始齋等[12]介紹了ZYWL-4000SY 型自動(dòng)化鉆機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并分析了智能防卡鉆技術(shù)的工藝流程；針對(duì)自動(dòng)化鉆機(jī)鉆桿倉(cāng)容量小的問(wèn)題，王清峰等[13]開(kāi)發(fā)了大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)，基于鉆桿輸送路徑規(guī)劃針對(duì)性設(shè)計(jì)了鉆桿箱、轉(zhuǎn)運(yùn)器、主機(jī)械手和副機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；呂晉軍[14]、陳魚(yú)[15]設(shè)計(jì)了機(jī)械手伸縮關(guān)節(jié)、翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并通過(guò)有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性和穩(wěn)定性。2021年，采用ZYWL-4000SY型自動(dòng)化鉆機(jī)(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(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中排渣判斷不及時(shí)、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(dòng)化鉆機(jī)[16]

西安研究院從2008年開(kāi)始自動(dòng)化鉆機(jī)的研究工作[10,17-19]，研制出多款自動(dòng)化鉆機(jī)，開(kāi)發(fā)出抓手翻轉(zhuǎn)式、多組油缸坐標(biāo)平移式、多自由度機(jī)械手等多類(lèi)型鉆桿自動(dòng)裝卸裝置，在鉆機(jī)上集成位移傳感器、壓力傳感器、接近開(kāi)關(guān)等各類(lèi)傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，采用電液控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自動(dòng)化鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了鉆桿自動(dòng)化裝卸、一鍵操作鉆進(jìn)、遠(yuǎn)程遙控鉆進(jìn)。

“十三五”期間，在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“煤礦井下智能化鉆探裝備及高效快速鉆進(jìn)技術(shù)”支持下，西安研究院研制出ZDY25000LDK[20]大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)，如圖2所示。額定轉(zhuǎn)矩25 000 N·m，最大給進(jìn)起拔力達(dá)300 kN，采用以無(wú)線遙控為主、液控備用的電液控制系統(tǒng)，滿(mǎn)足智能高效控制需要，單根鉆桿自動(dòng)上卸時(shí)間55 s；開(kāi)發(fā)了鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立了工況識(shí)別判據(jù)智能專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，輔助進(jìn)行鉆進(jìn)工況的自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了多種孔內(nèi)工況和鉆機(jī)故障實(shí)時(shí)診斷報(bào)警；研制出BLY800/12泥漿泵車(chē)，采用高壓大流量泥漿泵車(chē)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(jìn)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(dòng)化定向鉆機(jī)[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(jī)器人。對(duì)固定式鉆桿倉(cāng)、防爆伺服電機(jī)控制機(jī)械手、視覺(jué)伺服系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[20]，鉆機(jī)具備開(kāi)孔姿態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)裝卸鉆桿、自動(dòng)鉆進(jìn)、故障監(jiān)測(cè)診斷等功能，鉆桿倉(cāng)存儲(chǔ)容量達(dá)150 m，滿(mǎn)足單個(gè)順煤層鉆孔或穿層鉆孔施工需要。

煤礦井下鉆機(jī)的精確定位、自主導(dǎo)航、避障是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化鉆探的關(guān)鍵，近年來(lái)備受行業(yè)關(guān)注。與煤礦井下救援機(jī)器人相比，井下鉆機(jī)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(wú) GPS、非結(jié)構(gòu)化地形等因素限制，要實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自主導(dǎo)航、精確定位與避障功能開(kāi)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(jī)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(guò)巷道環(huán)境識(shí)別與仿真模擬、鉆機(jī)姿態(tài)測(cè)控、履帶平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制等方法實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)自主導(dǎo)航定位。李猛鋼[22]針對(duì)瓦斯抽采鉆孔機(jī)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(kāi)發(fā)了鉆機(jī)定位導(dǎo)航軟硬件系統(tǒng)，開(kāi)展了模擬井下巷道環(huán)境下的定位試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出算法對(duì)鉆孔機(jī)器人的實(shí)用性?？梢钥闯?，當(dāng)前關(guān)于煤礦井下鉆機(jī)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(jī)，距離工程化應(yīng)用尚有一定距離。

1.2 隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孔底多參數(shù)隨鉆監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)智能化鉆探的基礎(chǔ)，測(cè)量數(shù)據(jù)的大容量、穩(wěn)定、高速傳輸是實(shí)現(xiàn)智能化鉆探的保障[23-25]。隨鉆測(cè)量/隨鉆測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，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(jì)算機(jī)供電的有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔幾何參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的精確控制。各測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鉆孔軌跡參數(shù)、鉆具姿態(tài)參數(shù)測(cè)量精度較高，但信號(hào)傳輸方式存在差異。其中有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)鉆最大傳輸距離達(dá)2 311 m[27]，泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)鉆最大傳輸距離達(dá)3 353 m[28]，電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)鉆最大傳輸距離超過(guò)500 m，應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)工藝、鉆具組合形式不同選擇配套的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

為滿(mǎn)足煤礦井下地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)需要，方俊[29]、王小龍[30]研制了基于靜態(tài)方位伽馬測(cè)量的礦用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)含煤地層自然伽馬的測(cè)量實(shí)現(xiàn)鉆遇地層巖性和煤巖界面的探測(cè)識(shí)別，從而指導(dǎo)順煤層地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。但是由于該測(cè)量系統(tǒng)適用于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)狀態(tài)下靜態(tài)定點(diǎn)測(cè)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(mǎn)足復(fù)合定向鉆進(jìn)對(duì)自然伽馬動(dòng)態(tài)隨鉆測(cè)量要求?；诖?，“十三五”期間，西安研究院開(kāi)發(fā)出礦用隨鉆動(dòng)態(tài)方位伽馬測(cè)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(cè)量功能，自然伽馬探測(cè)范圍0～350 API，探測(cè)半徑0.3 m，滿(mǎn)足復(fù)合鉆進(jìn)條件下動(dòng)態(tài)方位伽馬數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)方位伽馬成像需要，可實(shí)現(xiàn)含煤地層巖性和煤巖層界面的辨識(shí)，從而引導(dǎo)鉆頭沿目標(biāo)地層精確延伸。針對(duì)鉆機(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的孔口鉆進(jìn)參數(shù)和孔底實(shí)際鉆進(jìn)參數(shù)差異性較大，難以高效指導(dǎo)鉆孔施工的問(wèn)題，研制了礦用工程參數(shù)測(cè)量短節(jié)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔底鉆壓、溫度、振動(dòng)、環(huán)空壓力等參數(shù)，綜合評(píng)估孔內(nèi)工況環(huán)境和鉆具狀態(tài)。此外，為解決無(wú)線隨鉆測(cè)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(jī)，可為孔底無(wú)線隨鉆測(cè)量短節(jié)持續(xù)供電。

圖3 礦用動(dòng)態(tài)方位伽馬隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

定向鉆孔軌跡信息和隨鉆測(cè)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(cè)的煤巖界面識(shí)別方法，大幅提高采煤工作面三維地質(zhì)模型的精度。朱夢(mèng)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(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型的高精度定量預(yù)測(cè)。

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(jìn)時(shí)，隨鉆實(shí)時(shí)完成定向功能的一種導(dǎo)向式鉆進(jìn)系統(tǒng)，能有效提高鉆進(jìn)能力、鉆進(jìn)效率和軌跡控制能力，可應(yīng)用于煤礦井下超長(zhǎng)、超大直徑鉆孔施工。與地面油氣勘探開(kāi)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(mǎn)足井下防爆要求?！笆濉逼陂g，西安研究院開(kāi)發(fā)出國(guó)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(dòng)力單元、發(fā)電電子節(jié)、渦輪發(fā)電機(jī)及測(cè)量探管，外徑133 mm、造斜強(qiáng)度22°/hm，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鉆孔軌跡的自動(dòng)糾偏。該系統(tǒng)采用推靠式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以電路控制、液壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)執(zhí)行的方式控制推靠巴掌伸縮，通過(guò)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(jī)為導(dǎo)向系統(tǒng)供電，利用孔口防爆計(jì)算機(jī)為內(nèi)置的測(cè)量探管供電；采用動(dòng)態(tài)高精度幾何參數(shù)隨鉆測(cè)量方式，解決了在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下傾角、方位角和工具面角的高精度測(cè)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(hào)傳輸方式，利用研制的專(zhuān)用高強(qiáng)度通纜鉆桿進(jìn)行測(cè)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(diǎn)。2021年，采用研制的ZDY25000LDK大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)、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(huì)煤礦施工完成了2 個(gè)孔深超過(guò)800 m、孔徑165 mm的定向鉆孔，驗(yàn)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(wèn)題

煤礦井下自動(dòng)化鉆機(jī)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(kāi)展持續(xù)攻關(guān)，推動(dòng)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(jī)智能化水平仍然較低

自動(dòng)化鉆機(jī)的研發(fā)應(yīng)用在一定程度上減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)了減人增效，但施工過(guò)程中還需要人為輔助，鉆機(jī)智能化水平仍然較低，主要表現(xiàn)為：

在設(shè)計(jì)方面，煤礦井下環(huán)境對(duì)智能化鉆機(jī)的防爆設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求，當(dāng)前防爆設(shè)計(jì)理論框架?chē)?yán)重束縛著智能化鉆機(jī)設(shè)計(jì)[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(shí)由于缺乏實(shí)用的數(shù)據(jù)和先進(jìn)的人工智能算法作為支撐，導(dǎo)致鉆機(jī)機(jī)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(jī)械動(dòng)作。在鉆進(jìn)工況和鉆場(chǎng)環(huán)境智能感知、鉆機(jī)精確定位導(dǎo)航、鉆桿裝卸自適應(yīng)跟蹤調(diào)整、基于鉆進(jìn)參數(shù)反饋的自適應(yīng)鉆進(jìn)等方面研究還存在不足。

在操作方面，主要通過(guò)對(duì)鉆機(jī)及孔底傳感器采集的參數(shù)進(jìn)行分析并指導(dǎo)施工，鉆進(jìn)工藝參數(shù)調(diào)整仍然以人工操作為主，依賴(lài)于人工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)異常工況識(shí)別、預(yù)警和處理質(zhì)量難以保證。有學(xué)者提出通過(guò)采集鉆機(jī)運(yùn)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(jìn)行鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化控制[35-37]，進(jìn)而實(shí)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(gè)非線性、不確定的過(guò)程，當(dāng)前基于算法優(yōu)化的自適應(yīng)控制鉆進(jìn)大多是匱乏的，因此目前主要以理論研究為主，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)能力不足。

在推廣應(yīng)用方面，由于我國(guó)煤層地質(zhì)條件、開(kāi)采地質(zhì)條件差異大，不同鉆進(jìn)工藝需要配套不同的鉆機(jī)和鉆具組合，難以通過(guò)現(xiàn)有的幾款自動(dòng)化鉆機(jī)解決所有工程難題。同時(shí)還應(yīng)該看出，當(dāng)前自動(dòng)化鉆機(jī)針對(duì)復(fù)雜地層適應(yīng)性弱，鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量難以得到有效保證。其次，鉆進(jìn)過(guò)程中反饋的鉆進(jìn)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(dòng)鉆進(jìn)狀態(tài)下對(duì)負(fù)載突變的響應(yīng)不及時(shí)，鉆進(jìn)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(lèi)型和含煤地層精細(xì)探查要求，針對(duì)性開(kāi)發(fā)智能化鉆機(jī)，選擇成孔工藝技術(shù)及配套鉆具，進(jìn)一步提高鉆機(jī)的適用性和實(shí)用性。

2) 隨鉆探測(cè)數(shù)據(jù)類(lèi)型少、實(shí)效性低

當(dāng)前在隨鉆探測(cè)數(shù)據(jù)獲取、實(shí)時(shí)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(cè)技術(shù)對(duì)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(lèi)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(diǎn)、線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合孔口返渣輔助識(shí)別煤巖界面，識(shí)別精度有限，同時(shí)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(jiàn)”。

在數(shù)據(jù)傳輸方面[3]，當(dāng)前階段，隨鉆無(wú)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(zhuān)用鉆桿，應(yīng)用形式受限，難以滿(mǎn)足井下智能化鉆探對(duì)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(lái)源于鉆探、物探和揭露信息，包括各類(lèi)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(wèn)題。

在數(shù)據(jù)利用方面，鉆探過(guò)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(dòng)化鉆機(jī)、泥漿泵、精準(zhǔn)導(dǎo)向系統(tǒng)、隨鉆參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、鉆桿等諸多設(shè)備工具；包含開(kāi)孔、下套管、鉆進(jìn)、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(gè)系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)，輔助工序配套裝備自動(dòng)化、智能化程度低。各系統(tǒng)控制分散。同時(shí)缺乏高效的協(xié)同控制策略，難以實(shí)現(xiàn)鉆探裝備的集成管理和協(xié)同控制。清渣、搬運(yùn)、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(wú)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(duì)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(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)加速融合，將推動(dòng)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(jìn)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(tái)為保障、以人才隊(duì)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(shí)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(diǎn)突破：

1) 智能化鉆機(jī)

建立面向煤礦機(jī)器人的輕量化、低功耗、高機(jī)動(dòng)性能新型防爆電氣設(shè)計(jì)方法，突破現(xiàn)有煤礦電氣防爆框架下智能化鉆機(jī)設(shè)計(jì)存在的零部件體積增大、重量增加、散熱不良等問(wèn)題[34]。從感知、決策、執(zhí)行層面持續(xù)完善鉆機(jī)的技術(shù)性能，突破鉆機(jī)自主導(dǎo)航定位、多源數(shù)據(jù)融合狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鉆進(jìn)工況智能感知、鉆進(jìn)動(dòng)作自主分析決策、智能精準(zhǔn)控制鉆進(jìn)和多機(jī)智能協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升鉆機(jī)智能化水平、拓展鉆機(jī)適用地層范圍；開(kāi)發(fā)高可靠性的防爆型液壓元件和傳感器，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件國(guó)產(chǎn)化；強(qiáng)化鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化鉆機(jī)的液壓管路布局，提高鉆機(jī)的可維護(hù)性和拆裝便利性。

2) 高精度數(shù)據(jù)獲取與傳輸技術(shù)

開(kāi)發(fā)礦用方位電阻率隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，研究建立煤巖界面識(shí)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(jìn)行煤巖界面反演，實(shí)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(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層隨鉆前探測(cè)和遠(yuǎn)探測(cè)，進(jìn)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(kāi)發(fā)礦用近鉆頭隨鉆測(cè)量技術(shù)，突破近鉆頭測(cè)量信息無(wú)線短傳和測(cè)量探管抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)隨鉆測(cè)量位置的“前移”，利用近鉆頭測(cè)量得到的地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)輔助判斷鉆頭與儲(chǔ)層的相對(duì)位置，提高獲取地層數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)效性，為實(shí)現(xiàn)特殊目標(biāo)地層定向鉆進(jìn)提供技術(shù)支撐；開(kāi)發(fā)礦用智能鉆桿，重點(diǎn)解決鉆桿軟連接、信號(hào)傳輸過(guò)程中失真等難題，實(shí)現(xiàn)隨鉆監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)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(kāi)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(jìn)參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，借助先進(jìn)的人工智能算法，通過(guò)對(duì)孔底隨鉆監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行反演分析，得出鉆孔軌跡最優(yōu)化調(diào)控策略，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和最優(yōu)化控制。研究完善井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新降低旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的使用維護(hù)成本，研究形成系列化大直徑超長(zhǎng)孔旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)技術(shù)裝備，實(shí)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(dòng)控制泥漿泵車(chē)、沖洗液連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)、鉆渣“集-運(yùn)-排”一體化系統(tǒng)、輔助設(shè)備吊運(yùn)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(shí)時(shí)調(diào)整輔助關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)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(jìn)平臺(tái)

通過(guò)對(duì)煤礦井下鉆探裝備和鉆探工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)配套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、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(jìn)平臺(tái)，集成鉆進(jìn)數(shù)據(jù)、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)經(jīng)驗(yàn)等，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)字孿生、信息共享和高效決策，盡量減少鉆場(chǎng)施工人員數(shù)量、降低人為干預(yù)程度。同時(shí)，通過(guò)傳感器采集的機(jī)械、液壓、電控系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行融合分析，建立故障預(yù)測(cè)與診斷模型，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程運(yùn)維管理，以進(jìn)一步降低鉆機(jī)的故障率和安全施工風(fēng)險(xiǎn)、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(jī)遇，開(kāi)展智能化鉆機(jī)、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(jìn)平臺(tái)等方面攻關(guān)是實(shí)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(dòng)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(kāi)發(fā)領(lǐng)域成熟的先進(jìn)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(shí)際地質(zhì)條件和工程需求開(kāi)展研究，進(jìn)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(shì)，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，充分借鑒吸收地面油氣勘探領(lǐng)域成熟經(jīng)驗(yàn)，深入推進(jìn)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(shí)需加強(qiáng)井下智能化鉆探技術(shù)裝備人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，培養(yǎng)一批懂采礦工程、機(jī)械工程、鉆探工藝、計(jì)算機(jī)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)。

[1] 國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所. 中國(guó)能源革命進(jìn)展報(bào)告(2020)[R]. 北京：石油工業(yè)出版社，2020.

Institute of Resources and Environmental Policy，Development Research Center of the State Council. China energy revolution progress report[R]. Beijing：Petroleum Industry Press，2020.

[2] 劉峰，曹文君，張建明. 持續(xù)推進(jìn)煤礦智能化，促進(jìn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[J]. 中國(guó)煤炭，2019，45(12)：32–36.

LIU Feng，CAO Wenjun，ZHANG Jianming. Continuously promoting the coal mine intellectualization and the high–quality development of China’s coal industry[J]. China Coal，2019，45(12)：32–36.

[3] 石智軍，李泉新，姚克. 煤礦井下智能化定向鉆探發(fā)展路徑與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(6)：2217–2224.

SHI Zhijun，LI Quanxin，YAO Ke. Development path and key technology analysis of intelligent directional drilling in underground coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(6)：2217–2224.

[4] 李泉新，劉飛，方俊. 煤礦坑道智能化鉆探技術(shù)發(fā)展框架分析[J]. 工礦自動(dòng)化，2020，46(10)：9–13.

LI Quanxin，LIU Fei，F(xiàn)ANG Jun. Analysis of development framework of intelligent coal mine underground drilling technology[J]. Industry and Mine Automation，2020，46(10)：9–13.

[5] 王清峰，陳航. 瓦斯抽采智能化鉆探技術(shù)及裝備的發(fā)展與展望[J].工礦自動(dòng)化，2018，44(11)：18–24.

WANG Qingfeng，CHEN Hang. Development and prospect on intelligent drilling technology and equipment for gas drainage[J]. Industry and Mine Automation，2018，44(11)：18–24.

[6] 張銳，姚克，方鵬，等. 煤礦井下自動(dòng)化鉆機(jī)研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(5)：59–63.

ZHANG Rui，YAO Ke，F(xiàn)ANG Peng，et al. Key technologies for research and development of automatic drilling rig in underground coal mine[J]. Coal Science and Technology，2019，47(5)：59–63.

[7] 呂晉軍，辛德忠. ZYWL-4000SY智能遙控自動(dòng)鉆機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械，2019，40(3)：4–6.

LYU Jinjun，Xin Dezhong. Design of ZYWL-4000SY intelligent remote control automatic drilling machine[J]. Coal Mine Machinery，2019，40(3):4-6.

[8] 國(guó)家重大技術(shù)裝備辦公室. 我國(guó)煤礦綜采智能化取得重大突破[EB/OL]. [2020-01-02] http：//www.coalchina.org.cn/index. php?m=content&c=index&a=show&catid=10&id=113914.

National Office of Major Technical Equipment. A major breakthrough in the intellectualization of fully mechanized coal mining in China[EB/OL]. [2020-01-02] http：//www.coalchina.org.cn/ index.php?m=content&c=index&a=show&catid=10&id=113914.

[9] 王國(guó)法，劉峰，孟祥軍，等. 煤礦智能化(初級(jí)階段)研究與實(shí)踐[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(8)：1–36.

WANG Guofa，LIU Feng，MENG Xiangjun，et al. Research and practice on intelligent coal mine construction(primary stage)[J]. Coal Science and Technology，2019，47(8)：1–36.

[10] 姚克. 煤礦井下智能化鉆機(jī)及問(wèn)題探討[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)，2020，47(10)：48–52.

YAO Ke. Intelligent drilling rig for coal mines and discussion on problems[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2020，47(10)：48–52.

[11] 王清峰，陳航，陳玉濤. 鉆孔機(jī)器人鉆進(jìn)工況智能感知與自適應(yīng)控制機(jī)理研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2021，48(3)：1–5.

WANG Qingfeng，CHEN Hang，CHEN Yutao. Research on the mechanism of intelligent sensing and adaptive control in drilling condition of drilling robot[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2021，48(3)：1–5.

[12] 張始齋，王慶文. ZYWL–4000SY型遙控鉆機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2021，49(3)：129–134.

ZHANG Shizhai，WANG Qingwen. Design and key technology research of ZYWL–4000SY remote control drilling rig[J]. Coal Science and Technology，2021，49(3)：129–134.

[13] 王清峰，陳航. 基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2020，47(1)：1–6.

WANG Qingfeng，CHEN Hang. Research on automatic conveying system of large–capacity drill pipe based on path planning[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2020，47(1)：1–6.

[14] 呂晉軍. 煤礦井下用自動(dòng)鉆機(jī)機(jī)械手伸縮關(guān)節(jié)的研究[J]. 煤炭技術(shù)，2021，40(9)：168–170.

LYU Jinjun. Research on telescopic joint of manipulator of automatic drilling machine used in coal mine[J]. Coal Technology，2021，40(9)：168–170.

[15] 陳魚(yú). 煤礦井下用自動(dòng)鉆機(jī)機(jī)械手翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的研究[J]. 煤炭技術(shù)，2021，40(9)：139–141.

CHEN Yu. Research on turnover joint of manipulator of automatic drilling rig used in coal mine[J]. Coal Technology，2021，40(9)：139–141.

[16] 中國(guó)煤炭科工集團(tuán)，中國(guó)煤科重慶研究院. 全自動(dòng)鉆機(jī)在松軟煤層成孔126米創(chuàng)國(guó)內(nèi)行業(yè)新高[EB/OL]. [2021-07-06] https：//mp.weixin.qq.com/s/tZiz_ANATjxPf2a4Z7Z5Rw.

China Coal Technology and Engineering Group Corp. The full–automatic drilling rig drilled 126 meters in the soft coal seam， setting a new high in the domestic industry[EB/OL]. [2021-07-06] https://mp.weixin.qq.com/s/tZiz_ANATjxPf2a4Z7Z5Rw.

[17] 石智軍，姚克，姚寧平，等. 我國(guó)煤礦井下坑道鉆探技術(shù)裝備40年發(fā)展與展望[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48(4)：1–34.

SHI Zhijun，YAO Ke，YAO Ningping，et al. 40 years of development and prospect on underground coal mine tunnel drilling technology and equipment in China[J]. Coal Science and Technology，2020，48(4)：1–34.

[18] 董洪波，姚寧平，馬斌，等. 煤礦井下坑道鉆機(jī)電控自動(dòng)化技術(shù)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(3)：219–224.

DONG Hongbo，YAO Ningping，MA Bin，et al. Research on electronically controlled automation technology of underground drilling rig for coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(3)：219–224.

[19] 方鵬，姚克，王松，等. 煤礦井下定向鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47(12)：124–130.

FANG Peng，YAO Ke，WANG Song，et al. Development of drilling parameter monitoring system for directional drilling rig in coal mine[J]. Coal Science and Technology，2019，47(12)：124–130.

[20] 姚寧平，姚亞峰，方鵬，等. 我國(guó)煤礦坑道鉆探裝備技術(shù)進(jìn)展與展望[J]. 鉆探工程，2021，48(1)：81–87.

YAO Ningping，YAO Yafeng，F(xiàn)ANG Peng，et al. Advances and outlook of coal mine tunnel drilling equipment and technology[J]. Drilling Engineering，2021，48(1)：81–87.

[21] 楊林. 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔機(jī)器人研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].煤礦機(jī)械，2018，39(8)：60–62.

YANG Lin. Research status and key technology of underground gas drainage drilling robot in coal mine[J]. Coal Mine Machinery，2018，39(8)：60–62.

[22] 李猛鋼. 面向井下鉆孔機(jī)器人應(yīng)用的精確定位與地圖構(gòu)建技術(shù)研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2020.

LI Menggang. Research on technologies of accurate localization and mapping for underground drilling robot application[D]. Xuzhou：China University of Mining and Technology，2020.

[23] CAYEUX E，DAIREAUX B，DVERGSNES E W，et al. Toward drilling automation：on the necessity of using sensors that relate to physical models[R]. SPE Drilling & Completion，2013，29(2)：163440.

[24] REEVES M E，CAMWELL P L，MCRORY J. High speed acoustic telemetry network enables real–time along string measurements，greatly reducing drilling risk[R]. SPE145566，2011.

[25] SCHILS S，TEELKEN R，VAN BURKLEC B，et al. The use of wired drill pipe technology in a complex drilling environment increased drilling efficiency and reduced well times[R]. SPE178863，2016.

[26] 雷曉榮. “孔–井–地”一體化智能鉆進(jìn)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48(7)：274–281.

LEI Xiaorong.“Hole–well–ground”integrated intelligent drilling system and key technologies[J]. Coal Science and Technology，2020，48(7)：274–281.

[27] 李泉新，石智軍，許超，等. 2 311 m順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔高效鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46(4)：27–32.

LI Quanxin，SHI Zhijun，XU Chao，et al. Efficient drilling technique of 2 311 m ultra–long directional borehole along coal seam[J]. Coal Science and Technology，2018，46(4)：27–32.

[28] 石智軍，董書(shū)寧，楊俊哲，等. 煤礦井下3 000 m 順煤層定向鉆孔鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(6)：1–7.

SHI Zhijun，DONG Shuning，YANG Junzhe，et al. Key technology of drilling in–seam directional borehole of 3 000 m in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(6)：1–7.

[29] 方俊. 礦用有線地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量裝置及鉆進(jìn)技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(11)：168–173.

FANG Jun. Mine cable geosteering MWD device and geological directional drilling technology[J]. Coal Science and Technology，2017，45(11)：168–173.

[30] 王小龍. 礦用隨鉆方位伽馬測(cè)井儀的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(8)：161–167.

WANG Xiaolong. Design and experiment of mine azimuth gamma logging instrument while drilling[J]. Coal Science and Technology，2016，44(8)：161–167.

[31] 劉建林，李泉新，楊偉鋒，等. 采煤工作面煤巖界面探測(cè)定向孔設(shè)計(jì)施工與數(shù)據(jù)處理方法：CN111485825A[P]. 2020-08-04.

LIU Jianlin，LI Quanxin，YANG Weifeng，et al. Construction and data processing method of coal rock interface detection directional hole in coal mining face：CN111485825A[P]. 2020-08-04.

[32] 朱夢(mèng)博，程建遠(yuǎn)，張意，等. 近水平鉆孔軌跡約束下采煤工作面煤層迭代建模方法：CN111814298A[P]. 2020-10-23.

ZHU Mengbo，CHENG Jianyuan，ZHANG Yi，et al. Iterative modeling method of coal seam under the constraint of near horizontal borehole trajectory：CN111814298A[P]. 2020-10-23.

[33] 王敏生，光新軍. 智能鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 石油學(xué)報(bào)，2020，41(4)：505–512.

WANG Minsheng，GUANG Xinjun. Status and development trends of intelligent drilling technology[J]. Acta Petrolei Sinica，2020，41(4)：505–512.

[34] 葛世榮，胡而已，裴文良. 煤礦機(jī)器人體系及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(1)：455–463.

GE Shirong，HU Eryi，PEI Wenliang. Classification system and key technology of coal mine robot[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(1)：455–463.

[35] LIAO Xiufeng，KHANDELWAL M，YANG Haiqing，et al. Effects of a proper feature selection on prediction and optimization of drilling rate using intelligent techniques[J]. Engineering with Computers，2020，36：499–510.

[36] LYU Zehao，SONG Xianzhi，GENG Lidong，et al. Optimization of multilateral well configuration in fractured reservoirs[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2019，172：1153–1164.

[37] GAN Chao，CAO Weihua，WU Min，et al. Two–level intelligent modeling method for the rate of penetration in complex geological drilling process[J]. Applied Soft Computing，2019，80：592–602.

[38] 張建明，曹明，陳曉明. 煤礦井下數(shù)字化鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(5)：47–51.

ZHANG Jianming，CAO Ming，CHEN Xiaoming. Development status and tendency on digitalized drilling technology in underground coal mine[J]. Coal Science and Technology，2017，45(5)：47–51.

[39] 李根生，宋先知，田守嶒. 智能鉆井技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 石油鉆探技術(shù)，2020，48(1)：1–8.

LI Gensheng，SONG Xianzhi，TIAN Shouceng. Intelligent drilling technology research status and development trends[J]. Petroleum Drilling Techniques，2020，48(1)：1–8.

[40] 劉再斌，劉程，劉文明，等. 透明工作面多屬性動(dòng)態(tài)建模技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2020，45(7)：2628–2635.

LIU Zaibin，LIU Cheng，LIU Wenming，et al. Multi–attribute dynamic modeling technique for transparent working face[J]. Journal of China Coal Society，2020，45(7)：2628–2635．

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(yǔ)音講解

TD712

A

1001-1986(2021)06-0265-08

2021-08-25；

2021-10-19

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2016ZX05045-003)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)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(guó)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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