程建遠(yuǎn),陸自清,2,蔣必辭,2,李 鵬,3,王 盼,3

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤礦采煤、掘進(jìn)、機(jī)電、運(yùn)輸、通風(fēng)五大主要生產(chǎn)系統(tǒng)中，掘進(jìn)是最為重要的生產(chǎn)子系統(tǒng)之一，它為其他四大系統(tǒng)以及排水、通信等子系統(tǒng)提供了通道保障。截止到2020年底，我國現(xiàn)有生產(chǎn)礦井約4 700多座，其中井工煤礦數(shù)量超過90%、產(chǎn)能占比約81%；煤礦采煤工作面5 000個左右，而掘進(jìn)工作面數(shù)量近1.6 萬個；2020年，全國原煤產(chǎn)量約39億t，按照萬噸平均掘進(jìn)率50 m估算，我國煤礦每年掘進(jìn)巷道長度近1.5萬km，其中煤巷掘進(jìn)巷道長度1.1萬～1.2 萬km/a，巷道掘進(jìn)速度慢是造成采掘失調(diào)的主要原因。另一方面，巷道掘進(jìn)、支護(hù)等工序用工超過70 萬人，約為采煤人員的3倍多；巷道掘進(jìn)成本占全礦井生產(chǎn)成本50%左右；同時，煤礦井下巷道掘進(jìn)是安全生產(chǎn)事故高發(fā)區(qū)域，2012—2019年發(fā)生在巷道掘進(jìn)期間的瓦斯、水害、頂板較大及以上事故占比達(dá)到48.9%，58.6%和27.7%。因此，實現(xiàn)煤礦井下巷道安全、快速掘進(jìn)至關(guān)重要。

王虹等分析了目前煤礦巷道快速掘進(jìn)的技術(shù)現(xiàn)狀，指出全國綜掘平均進(jìn)尺180 m/月，采掘失衡嚴(yán)重，制約了煤礦高效生產(chǎn)水平的提升。影響煤礦井下巷道快速掘進(jìn)的因素較多。康紅普等認(rèn)為巷道掘進(jìn)工序復(fù)雜、支護(hù)占用時間長，掘進(jìn)設(shè)備功能單一、相互協(xié)同性差，是導(dǎo)致巷道掘進(jìn)效率偏低的直接原因；王步康從地質(zhì)條件、掘進(jìn)裝備、掘進(jìn)工藝之間的相互關(guān)系出發(fā)，提出掘支平行作業(yè)是提高掘進(jìn)效率的發(fā)展方向；惠興田、黃曾華等認(rèn)為掘一支一、短掘短支、串行作業(yè)是造成“采快掘慢”“掘快支慢”“采掘失調(diào)”問題的關(guān)鍵因素。實際上，在地質(zhì)條件、圍巖條件較好的蒙陜礦區(qū)，巷道掘進(jìn)速度能夠達(dá)到1 500～2 000 m/月，而在地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖松軟破碎的煤礦掘進(jìn)速度不足200 m/月；2013年神東大柳塔礦快速掘進(jìn)系統(tǒng)創(chuàng)造了大斷面(25.2 m)，日最高進(jìn)尺158 m、月最高進(jìn)尺3 088 m的世界記錄。王國法等指出目前存在的地質(zhì)探測精度不足、探測技術(shù)與裝備智能化程度低等瓶頸問題，在很大程度上制約了高端采掘設(shè)備性能的充分發(fā)揮?？梢?，掘進(jìn)巷道地質(zhì)條件的超前查明程度是影響煤礦巷道快速掘進(jìn)的深層次原因。

煤礦井下巷道快速掘進(jìn)地質(zhì)超前探測的任務(wù)，一是要查明掘進(jìn)工作面潛在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，包括斷層、陷落柱、采空區(qū)、火燒區(qū)、巖漿巖侵入?yún)^(qū)及富水異常區(qū)等；二是要查明煤層的空間賦存形態(tài)，如煤層起伏、煤厚變化、地質(zhì)構(gòu)造等；三是在提高探測精度的前提下加大超前探測的距離，形成一個高精度的預(yù)想地質(zhì)剖面，以利于掘進(jìn)工作面的優(yōu)化設(shè)計。在掘進(jìn)巷道水害隱患超前方面，傳統(tǒng)的巷道直流電法、瞬變電磁等能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)前方0～80 m內(nèi)低阻富水異常區(qū)的探測，并已得到推廣應(yīng)用；在地質(zhì)構(gòu)造超前探測方面，井下瑞雷波、地質(zhì)雷達(dá)、反射槽波等成熟技術(shù)，已被列為《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》《煤礦防治水細(xì)則》的推薦技術(shù)；在巷道掘進(jìn)的超前鉆探方面，已形成系列化鉆探技術(shù)與裝備，特別是2018年頒布的《煤礦防治水細(xì)則》首次明確提出地質(zhì)超前探測的“兩探”要求(即物探+鉆探)。近年來，王季等開展了隨掘地震超前探測技術(shù)的試驗并取得成功，今后有望成為解決“探掘分離”的技術(shù)途徑；范濤等開展了基于鉆孔 TEM的快速掘進(jìn)超前探測方法試驗；殷朋、李彤、王帥等從生產(chǎn)需求出發(fā)，提出了物探鉆探一體化、探測掘進(jìn)一體化的初步構(gòu)想；文獻(xiàn)[21]基于煤礦井下鉆探與物探的“兩探”要求，提出了鉆探、物探一體化的思路；張平松等認(rèn)為在快速掘進(jìn)條件下隨掘多源多場信息采集、大數(shù)據(jù)智能分析與透明化表達(dá)是超前探測系統(tǒng)的新發(fā)展模式?？傊壳暗南锏谰蜻M(jìn)和地質(zhì)探測工作尚存在著掘進(jìn)與探測距離短(“短掘短探”)、物探與鉆探分別施工(“探鉆分離”)、探測與掘進(jìn)串行作業(yè)(“探掘分離”)等問題，難以適應(yīng)煤礦井下巷道快速掘進(jìn)的地質(zhì)需求。

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者提出了煤礦井下巷道快速掘進(jìn)的“長掘長探”地質(zhì)超前探測技術(shù)，通過采用“定向長鉆孔+鉆孔物探”的工藝模式，克服了傳統(tǒng)掘進(jìn)巷道超前探測存在的“短掘短探”、探鉆分離、探掘分離等不足，實現(xiàn)了“長掘長探”、探鉆一體、探掘并行的一體化工作模式，為煤礦井下巷道快速掘進(jìn)提供了地質(zhì)保障。

1 “短掘短探”的技術(shù)瓶頸

目前，煤礦井下巷道掘進(jìn)的常規(guī)超前探測模式，是一個“物探-鉆探-掘進(jìn)”串行作業(yè)、周而往復(fù)的“短掘短探”工作流程。

1.1 “短掘短探”的工作模式

“短掘短探”是指單日掘進(jìn)距離短、單次探測距離短的巷道掘進(jìn)超前探測工作模式。圖1為煤礦巷道掘進(jìn)超前探放水工作中“短掘短探”的典型模式，即如果每次超前探測60 m、允許掘進(jìn)40 m、留設(shè)20 m超前距作為安全煤柱，則巷道掘進(jìn)40 m后需要再次開展超前探測，如此往復(fù)循環(huán)。目前，煤礦井下巖巷炮掘速度一般不足3 m/d、煤巷綜掘平均速度6 m/d左右，而單次超前物探、鉆探的探測距離60～80 m左右，因此“短掘短探”的工作模式適用于煤礦巷道掘進(jìn)速度較慢的掘進(jìn)工藝。

圖1 巷道掘進(jìn)探放水鉆孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of borehole layout for roadway excavation

1.2 “短掘短探”的技術(shù)缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技術(shù)缺陷：一是“探掘分離”，即掘進(jìn)時間不能探測、探測時間不能掘進(jìn)，探測與掘進(jìn)是串行作業(yè)而不是并行作業(yè)，兩者存在時間、空間上的矛盾；二是“兩探分離”，即物探先行、鉆探驗證，物探與鉆探在時間、空間上是分別施工而不是一體化工作的，造成物探異常定位精度差致使鉆探難以驗證；三是《煤礦防治水細(xì)則》第36條明確要求：掘進(jìn)工作面電法超前探測時，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)后退20 m以免影響探測效果，這對于掘錨一體機(jī)、全斷面TBM盾構(gòu)機(jī)等體積龐大的快速掘進(jìn)設(shè)備而言難以滿足(圖2)。

圖2 巷道掘進(jìn)設(shè)備Fig.2 Roadway excavation equipment

可見，“短掘短探”工作模式是傳統(tǒng)炮掘、機(jī)掘、綜掘條件下的低效工作模式，不適應(yīng)煤礦巷道快速掘進(jìn)的技術(shù)需求。為了滿足巷道快速掘進(jìn)的地質(zhì)需求，一方面要求掘進(jìn)工作面的超前探測距離要足夠大，另一方面要求掘進(jìn)超前地質(zhì)探測工作應(yīng)盡可能避免與掘進(jìn)作業(yè)在時間、空間和探測環(huán)境上的沖突，筆者提出的“長掘長探”技術(shù)滿足了快速掘進(jìn)的上述需求。

2 “長掘長探”技術(shù)

“長掘長探”是指單日掘進(jìn)距離長、單次探測距離長的巷道掘進(jìn)超前探測工作新模式，實現(xiàn)了物探、鉆探的同時間、同地點(diǎn)探測(“探鉆一體”)和超前探測、快速掘進(jìn)的并行作業(yè)(“探掘并行”)，克服了“短掘短探”工藝中“探掘分離”“兩探分離”“串行作業(yè)”等不足，提高了巷道快速掘進(jìn)地質(zhì)超前的探測效率和成果精度。

2.1 “長掘長探”的技術(shù)思路

“長掘長探”技術(shù)通過在快速掘進(jìn)巷道的后方或鄰近巷道預(yù)設(shè)鉆場，以避免鉆探作業(yè)與快速掘進(jìn)在施工時間和空間上的矛盾，利用煤礦井下定向鉆探技術(shù)實現(xiàn)長距離超前鉆探(圖3)；為了彌補(bǔ)鉆探“一孔之見”的不足，在長距離定向長鉆孔中采用孔中物探技術(shù)與裝備，開展鉆孔徑向富水區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造的超前探測工作，從而形成以定向長鉆孔為圓心、半徑30 m、深度近1 000 m的探測范圍，能夠滿足巷道快速掘進(jìn)的長距離探測、長時間掘進(jìn)需求；在巷道快速掘進(jìn)到前期長鉆孔控制的邊界之前，再次施工超前定向長鉆孔，并同步開展孔中物探，如此往復(fù)、循環(huán)探測，就能夠?qū)崿F(xiàn)快速掘進(jìn)工作面的“長掘長探”。

圖3 長距離定向鉆孔布設(shè)示意Fig.3 Long distance directional drilling layout diagram

狹義的孔中物探是指地球物理測井或礦場地球物理，即“鉆孔測井”；廣義的孔中物探是指在鉆孔中開展地球物理多參數(shù)綜合探測，2者的區(qū)別在于探測范圍與探測精度存在差異。無論是鉆孔測井還是孔中物探，都是基于地球物理學(xué)的原理和方法，采用專門的儀器設(shè)備，沿鉆孔進(jìn)行剖面測量的孔中物探方法。鉆孔測井的探測半徑是以井軸為中心、徑向半徑幾厘米至幾十厘米的范圍，其探測精度能達(dá)到厘米級；而孔中物探的探測半徑可以達(dá)到幾米甚至近百米，以解決鉆孔徑向空間的側(cè)向探測問題。目前，成熟的鉆孔物探方法包括鉆孔地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔瞬變電磁、偶極橫波遠(yuǎn)探測、鉆孔方位伽馬等。

2.2 “長掘長探”的關(guān)鍵技術(shù)

如上所述，“長掘長探”是定向鉆探與孔中物探技術(shù)的融合，其中定向鉆進(jìn)主要服務(wù)于沿目的層受控鉆進(jìn)，而孔中物探的主要任務(wù)是實現(xiàn)鉆孔徑向一定范圍的高精度探測。定向鉆探技術(shù)、鉆孔地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔瞬變電磁等技術(shù)是實現(xiàn)“長掘長探”的關(guān)鍵技術(shù)。

..定向鉆探技術(shù)

目前，煤礦井下近水平定向鉆探技術(shù)在我國煤礦井下瓦斯抽采、水害防治、沖擊地壓災(zāi)害預(yù)防等方面發(fā)揮了巨大的作用。目前，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備已經(jīng)成熟并得到了廣泛應(yīng)用，取得了順煤層定向鉆進(jìn)3 353 m的世界記錄，完全滿足“長掘長探”的鉆孔深度需求。

煤礦井下巷道快速掘進(jìn)“長掘長探”中的定向鉆探技術(shù)，其主要作用體現(xiàn)在：① 施工近1 000 m的定向長鉆孔，為孔中物探提供空間條件；② 采用 “一孔多分支” 技術(shù)有效控制煤層頂?shù)装濉⒚簩雍穸纫约靶?gòu)造等地質(zhì)變化；③ 實現(xiàn)地質(zhì)超前探放水、鉆孔瓦斯抽采、沖擊地壓卸壓等功能；④ 利用地質(zhì)、物探與鉆探資料，生成掘進(jìn)巷道高精度地質(zhì)預(yù)報剖面(圖4)。

圖4 定向鉆主孔及分支孔示意Fig.4 Schematic diagram of directional drilling main holes and branch holes

..鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)

煤礦井下低頻地質(zhì)雷達(dá)探測深度30～50 m、分辨率可以達(dá)到亞米級，但是礦井地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線與接收天線的外形尺寸相對較大，只能在巷道空間施工，且施工時容易受到巷道周圍鐵磁性物質(zhì)的影響。

鉆孔地質(zhì)雷達(dá)通過特殊設(shè)計工藝實現(xiàn)了雷達(dá)發(fā)射天線與接收天線的小型化和MA要求，通過在鉆孔中向地層發(fā)射高頻雷達(dá)波，雷達(dá)波在傳播過程中遇到不同介電常數(shù)的煤巖層界面和異常地質(zhì)體后發(fā)生反射；利用鉆孔雷達(dá)的接收天線接收來自地層的反射回波，對回波信息的傳播脈沖幅度、波形和時延等加以分析處理，可以達(dá)到對煤巖界面的有效探測和識別的目標(biāo)。鉆孔雷達(dá)對煤巖界面探測具有測量速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但是探測深度較淺，而“長掘長探”中定向長鉆孔解決了超前探測的深度難題、鉆孔雷達(dá)徑向探測又彌補(bǔ)了 “一孔之見”問題，從而實現(xiàn)了長距離、高精度的地質(zhì)構(gòu)造探測。

圖5為SSP煤礦利用鉆孔雷達(dá)探測煤層頂?shù)装宓膽?yīng)用實例，該礦煤層厚度0.70～19.17 m，平均6.33 m；鉆孔雷達(dá)測試位置巷道煤厚5.8 m，鉆孔開孔位置距離煤層頂板1 m、底板4.8 m，鉆孔深度380 m；鉆孔雷達(dá)的發(fā)射和接收頻率為100 MHz。由圖5可以看出，該鉆孔平均煤厚6 m左右，煤層頂板相對平整，煤層底板有一定的起伏。

圖5 鉆孔雷達(dá)探測成果Fig.5 Borehole radar detection results

..鉆孔瞬變電磁探測技術(shù)

鉆孔瞬變電磁探測技術(shù)是將常規(guī)在巷道發(fā)射、巷道接收的瞬變電磁工作模式，改變?yōu)樵阢@孔中建立一次電磁場、鉆孔接收二次感應(yīng)場，從而實現(xiàn)基于定向鉆孔縱向1 000 m長距離、徑向30 m半徑范圍內(nèi)富水異常區(qū)的超前探測。

鉆孔瞬變電磁儀器通過特殊設(shè)計將常規(guī)瞬變電磁的線圈改變?yōu)槟軌蛑踩脬@孔的桿狀天線，在一定程度上造成發(fā)射天線輻射功率受限、鉆孔中穿過接收線圈的磁通量降低，這就要求接收天線要有很高的靈敏度；同時，在鉆孔受限桿狀空間內(nèi)，發(fā)射、接收天線無法靈活旋轉(zhuǎn)，因此需要對鉆孔周圍低阻體的二次感應(yīng)場進(jìn)行三分量接收，以便于在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時能夠?qū)崿F(xiàn)矢量旋轉(zhuǎn)、合成與異常方位確定。與常規(guī)的巷道瞬變電磁相比，盡管鉆孔瞬變電磁30 m左右的探測半徑相對偏小，但是能夠滿足巷道掘進(jìn)超前探測對幫距的控制要求，且探測深度可以抵達(dá)近1 000 m的鉆進(jìn)深度，這一點(diǎn)是常規(guī)巷道瞬變電磁所無法比擬的。

圖6為TJH煤礦302運(yùn)輸巷快速掘進(jìn)鉆孔瞬變電磁探測的實例。該巷道采用掘錨一體機(jī)沿煤層底板掘進(jìn)，煤層底板以下30，50 m分別發(fā)育有太原組薄層灰?guī)r和奧陶紀(jì)灰?guī)r，底板承壓水最大壓力為0.74 MPa。為了超前探查底板承壓水的富水區(qū)域和導(dǎo)升情況，保障巷道安全快速掘進(jìn)，利用掘進(jìn)巷道開口附近的鉆場施工了1個沿太原組灰?guī)r、距離煤層底板下30 m左右的近水平定向孔，完孔深度468 m，并采用鉆孔瞬變電磁開展聯(lián)合探測。定向鉆孔鉆進(jìn)過程中，在薄層灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)2個出水點(diǎn)，鉆孔瞬變電磁探測在同一深度控制了出水點(diǎn)的范圍和方位，結(jié)合定向鉆孔出水狀況及前期資料綜合分析，認(rèn)為出水點(diǎn)為垂向裂隙帶和巖溶縫洞，為鉆探注漿治理提供了依據(jù)。遠(yuǎn)距離定向鉆孔和鉆孔瞬變電磁的長距離綜合探測，為302巷道的快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

圖6 鉆孔瞬變電磁探測斷面Fig.6 Borehole transient electromagnetic sounding section

可見，“長掘長探”技術(shù)不但發(fā)揮了鉆探“眼見為實”的優(yōu)勢，還通過物探手段彌補(bǔ)了鉆探“一孔之見”的劣勢；同時，利用定向鉆機(jī)的遠(yuǎn)距離輸送，實現(xiàn)了孔中物探在鉆孔方向的“遠(yuǎn)距離”探測、沿鉆孔徑向30 m范圍內(nèi)的精細(xì)探測，以及對地質(zhì)異常深度的精確控制，為巷道安全、快速掘進(jìn)提供了地質(zhì)依據(jù)。

2.3 “長掘長探”的應(yīng)用實例

山西某基建煤礦主采2號和3號煤層，其中2號煤平均厚度2.8 m、3號煤平均厚度1.3 m；首采區(qū)開展了地面三維地震勘探，基建期間新揭露了多條小斷層、陷落柱和次級褶曲，表明地質(zhì)條件前期查明程度低，極大地影響了礦井的采掘設(shè)計。如2201試采工作面由于斷層、陷落柱密集、煤質(zhì)很差、成本太高而提前終止，2202準(zhǔn)備工作面基于同樣原因被迫提前放棄，造成了采掘嚴(yán)重失調(diào)。為此，該礦2203工作面巷道掘進(jìn)前采用“長掘長探”技術(shù)，已超前查明煤層起伏、構(gòu)造發(fā)育以及陷落柱等地質(zhì)異常體。圖7中，2203工作面回風(fēng)巷超前定向長鉆孔設(shè)計在3號煤與2號煤之間，主孔鉆進(jìn)深度468 m，并施工了8個分支孔控制2號煤與3號煤層界面變化，同時采用隨鉆伽馬測井探測沿鉆孔方向的煤巖界面變化、采用鉆孔瞬變電磁探測鉆孔周圍低阻體。

圖7 2203工作面回風(fēng)巷2號煤層“長掘長探”綜合成果Fig.7 Comprehensive results of long excavation long detection of No.2 coal seam’s return lane in 2203 working face

結(jié)果表明：圖7(a)的預(yù)想地質(zhì)剖面是一個寬緩的向斜、構(gòu)造簡單，圖7(b),(c)定向鉆孔與孔中物探的綜合探測地質(zhì)剖面上，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)巷道前方存在3條斷層、4個陷落柱，且向斜軸發(fā)生了較大的偏擺，這一成果已被后期巷道掘進(jìn)實際揭露所驗證。

目前，2203工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)500 m，揭露了5個斷層、4個陷落柱，與“長掘長探”結(jié)果比較吻合，“長掘長探”顯著提高了地質(zhì)超前探測的精度和可靠性。

3 “長掘長探”的技術(shù)討論

3.1 “長掘長探”的合規(guī)性

《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》(2014)、《煤礦安全規(guī)程》(2016)、《煤礦防治水細(xì)則》(2018)、《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》(2018)、《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》(2019)等對于地質(zhì)超前探測工作的方法、技術(shù)和工程布置都提出了明確的要求，“長掘長探”技術(shù)符合以上規(guī)程、規(guī)定與細(xì)則的要求。下面以《煤礦防治水細(xì)則》為例加以闡述。

《煤礦防治水細(xì)則》在“井下探放水”一章和“底板水防治”一節(jié)中要求：采掘工作面超前探放水應(yīng)當(dāng)同時采用鉆探、物探2種方法；鉆探可采用定向鉆機(jī)，開展長距離、大規(guī)模探放水；探放水鉆孔除兼作堵水鉆孔外，終孔孔徑一般不得大于94 mm；探水鉆孔沿掘進(jìn)方向的正前方及含水體方向呈扇形布置，鉆孔不得少于3個，其中含水體方向的鉆孔不得少于2個。煤礦井下超前探放水工作中鉆探與物探的探測深度按式(1)確定。

(1)

式中，為安全隔水層厚度，m；為巷道底板寬度，m；為底板隔水層的平均容重，MN/m；為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa；為底板隔水層承受的實際水頭，MPa。

以TJH煤礦為例，取=5 m，=0.024 MN/m，=2.59 MPa，=1.2 MPa計算，則鉆探和物探的探測深度不得小于=18.80 m。

1.附加型的共享稅模式，即中央和地方分別就某特定商品具有獨(dú)立的消費(fèi)稅征收權(quán)。在中央政府統(tǒng)一課稅后，地方政府以一定稅率附加課稅，收入歸課稅主體所有。在美國，聯(lián)邦政府對煙、酒、燃料類商品征收統(tǒng)一的消費(fèi)稅，所有州政府也對煙、酒、燃料類商品獨(dú)立地加征消費(fèi)稅，根據(jù)各州具體的稅收政策不同，適用的稅率亦有差異，中央和地方都配置完整的稅權(quán)。但這一模式只能適合在財政分權(quán)徹底，地方稅權(quán)較大的聯(lián)邦制國家中實施。并且，地方政府在消費(fèi)稅的具體稅收政策上存在差異，由此可能產(chǎn)生政府間縱向和橫向稅收政策的矛盾，誘發(fā)相應(yīng)的稅收競爭。[22]

同時，鉆孔超前距和幫距按式(2)確定。

(2)

其中，為煤柱留設(shè)的寬度，m；為安全系數(shù)，一般取2～5；為煤層厚度或者采高，m。取=3.5，=4.6 m，=1.2 MPa，=0.8 MPa計算，則=17.07 m。因此，TJH煤礦井下掘進(jìn)巷道超前探放水要求鉆探與物探的探測深度、超前距和幫距，應(yīng)該不小于17 ～18 m。理論上“短掘短探”與“長掘長探”，均能滿足防治水細(xì)則要求，圖8為“短掘短探”與“長掘長探”的剖面對比。

圖8 “短掘短探”與“長掘長探”的剖面對比Fig. 8 Profile contrast between short excavation/short detection and long excavation/long detection

從圖8可知，“短掘短探”對于底板承壓水是以穿層鉆孔方式進(jìn)行探測，底板中有效孔段短、盲區(qū)范圍大、可靠性差，難以有效防范底板巖溶水害事故；而“長掘長探”無論是縱向探測深度還是徑向探測半徑，均能滿足上述要求，且有效孔段長、徑向盲區(qū)小、探測精度高等獨(dú)到優(yōu)勢。因此，“長掘長探”技術(shù)符合《煤礦防治水細(xì)則》的規(guī)定。

3.2 “長掘長探”的經(jīng)濟(jì)性

仍以TJH煤礦掘進(jìn)巷道超前探測為例，對“短掘短探”與“長掘長探”的工程量、工期和費(fèi)用加以對比分析。

TJH煤礦主采的6號煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組第3巖段上部，煤層埋藏深度平均486.06 m，平均厚度18.93 m，采用綜采放頂煤工藝回采。6號煤層距離奧灰頂面平均50 m左右，奧灰?guī)r溶發(fā)育、富水性強(qiáng)，底板灰?guī)r承壓含水層的水壓0.74 MPa，斷層、垂向裂隙發(fā)育，在動壓條件下有可能形成潛在的導(dǎo)水通道。按照《煤礦防治水細(xì)則》要求，巷道掘進(jìn)前需要施工1個沿煤層的探查孔、2個底板灰?guī)r承壓水探查孔。

如果按照“短掘短探”方式開展超前探放水，每次巷道掘進(jìn)前開展1次礦井瞬變電磁探測、探測距離80 m左右，然后施工1個80 m的超前孔和2個傾角-45°、孔深60 m的底板穿層孔，鉆孔出水小于10 m/h時才能允許掘進(jìn)60 m、留設(shè)20 m的超前距，因此形成一次超前探測的閉環(huán)需要1次電法超前探測、鉆探進(jìn)尺200 m、鉆進(jìn)凈工作時間約合40 h；此后，巷道掘進(jìn)60 m后，重復(fù)上一輪次的探測工作，周而往復(fù)。按照掘進(jìn)巷道設(shè)計長度1 800 m計算，則1條掘進(jìn)巷道需要開展電法超前探測30次、鉆探施工30次，每次鉆探進(jìn)尺合計200 m、累計進(jìn)尺6 000 m左右、鉆探施工時間超過50 d。

對于“長掘長探”而言，巷道長度1 800 m的超前探測，只需沿煤層底板以下30 m左右的薄層灰?guī)r層位，施工2個1 800 m沿底板薄層灰?guī)r的定向長鉆孔、開展2次鉆孔瞬變電磁探測，就可以高效率、高精度完成1 800 m巷道的超前探測任務(wù)，且不占據(jù)巷道掘進(jìn)的時間和空間，為巷道快速掘進(jìn)贏得更多的有效掘進(jìn)時間。

3.3 “長掘長探”的普適性

煤礦井下施工的鉆孔數(shù)量眾多，用途各異，如常規(guī)掘進(jìn)超前探測的地質(zhì)孔/水文孔、高瓦斯礦井的順層瓦斯抽采孔、大水礦區(qū)的頂/底板疏水降壓孔等。上述鉆孔在完成其特定的工程任務(wù)后，可以利用“長掘長探”的工作思路，開展鉆孔物探以達(dá)到“一孔多用”的目的，因此“長掘長探”技術(shù)具有廣泛的適應(yīng)性。

4 結(jié) 論

(1)煤礦巷道快速掘進(jìn)的影響因素中，除了掘進(jìn)工藝中“掘、支、錨、運(yùn)”串行作業(yè)以及掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)同性不足之外，掘進(jìn)巷道地質(zhì)條件的超前查明程度是不可忽視的重要原因。

(2)常規(guī)的 “短掘短探”技術(shù)探測距離短且“探鉆分離”“探掘分離”等問題，且與巷道掘進(jìn)存在工作時間、空間和環(huán)境上的矛盾，無法適應(yīng)巷道快速掘進(jìn)的地質(zhì)需要。

(3)“長掘長探”是定向鉆探+孔中物探相互融合的巷道超前探測新技術(shù)，具有掘進(jìn)與探測的平行作業(yè)、鉆探與物探一體化施工等突出優(yōu)勢，可以實現(xiàn)掘進(jìn)巷道長距離、高精度的地質(zhì)超前探測，能夠滿足巷道快速掘進(jìn)的地質(zhì)需求。

(4)“長掘長探”技術(shù)符合《煤礦防治水細(xì)則》等規(guī)程、規(guī)定要求，能夠?qū)崿F(xiàn)快速掘進(jìn)巷道的高效率、高精度超前探測，具有廣泛的適用性。

煤礦巷道安全高效智能快速掘進(jìn)是未來煤礦采掘智能化技術(shù)的發(fā)展方向。今后，隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及多專業(yè)的交叉融合，應(yīng)該開展隨掘多參數(shù)同步測量、隨鉆隨探以及巷道自動寫實等技術(shù)與裝備的研發(fā)，為煤礦快速掘進(jìn)巷道的地質(zhì)透明化提供可靠的地質(zhì)保障。

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