雷腾飞
陕西黄陵二号煤矿有限公司 陕西黄陵 727300
摘要：由于煤矿井下受限巷道空间及高瓦斯、高粉尘以及潮湿作业环境的限制，导致煤矿井下坑道钻探具有其特殊性并区别于地面钻探。结合我国煤矿井下定向钻探施工特点及坑道钻探技术装备发展水平，在煤矿井下自动化定向钻探的基础上进行智能化定向钻探创新探索是较为合理的发展路径。基于此，本文主要分析了煤矿井下智能化定向钻探发展路径与关键技术的相关内容，以供参阅。
关键词：煤矿井下；智能化；定向；钻探；发展路径；关键技术
1智能化定向钻探技术发展路径
1.1自动化定向钻探技术
该技术应具有以下技术内涵与特征：
(1)自动化定向钻机集成控制。煤矿井下自动化定向钻机是实现自动化定向钻进的核心装备，实现井下自动装卸钻杆、自动钻进、自主调节以及远程控制等功能，同时能满足爆炸性气体环境、封闭受限空间作业环境和复杂多样地质环境下作业要求。可将施工人员从危险作业环境和繁重劳动中解放出来。
(2)多参数随钻测量信息融合。随钻测量工具、随钻测井工具主要用于实时采集钻孔轨迹参数、地质参数、工程参数，轨迹参数包括倾角、方位角和工具面向角，主要是为实现钻孔轨迹空间定位；地质参数包括自然伽马、电阻率、声波、岩性密度等，主要是为地层评价提供依据；工程参数包括孔底钻压、扭矩、钻头转速、外环空压力等，主要是为反映孔底钻具的实际受力情况，然后通过数据传输通道将随钻测量信息上传至孔口防爆计算机处理分析，判断孔底钻具状态和钻遇地层特征，为钻孔轨迹精确调控提供依据，为地层快速评价提供参考，保证钻孔轨迹在煤层或目标岩层中有效延伸，提高目标地层钻遇率。
(3)基于预定轨迹的高精度导向钻进技术。结合煤矿井下旋转导向钻进与地质导向钻进的优势进行钻孔轨迹的高精度导向控制是自动化定向钻进的显著特征。旋转导向钻进可实现钻孔轨迹的随钻测量和控制，能在钻杆柱旋转状态下连续和实时调控钻孔轨迹，确保实钻轨迹与预定轨迹在偏差范围内，具有钻进效率高、轨迹平滑的优势，可满足井下超长和超大直径定向钻孔施工需要。
1.2智能化定向钻探技术
自动化定向钻进侧重于钻探动作的自动控制执行，而智能化定向钻探侧重于钻进过程中的智能最优化控制，它是基于大数据、互联网、自动控制、人工智能、新兴材料等学科发展及其与现代化煤矿生产技术的深度融合的结果，具有智能监测、闭环控制等特征。具体实施过程是通过建立智能化定向钻机与孔底智能钻探工具之间双向传输通道进行随钻测量信息的实时采集和高速上传，经过智能分析决策后进行指令下达，控制孔底导向工具完成动作执行。煤矿井下智能化定向钻探需从钻进过程智能分析与决策、信息高速稳定传输、智能钻具研制等方面开展攻关，进一步提高煤矿井下钻探技术装备的智能化程度，同时需结合煤炭安全高效绿色开采对坑道钻探的需求智能化定向钻探技术应具有以下技术内涵与特征:
(1)智能分析与决策。智能化定向钻探就是要构建“参数测量—智能决策—控制执行”闭环系统。根据实时获取的孔底钻探参数，在远程决策中心采用高效的人工智能算法对随钻测量轨迹参数、地质参数和工程参数进行智能分析，进而评价钻进工艺参数、调整钻孔轨迹调控策略，实现钻探过程最优化控制。
(2)低延时、大容量数据传输。长期以来，无线信号传输受井下设备和煤壁反射的干扰，导致钻探设备之间的互联互通和钻孔数据共享受到极大限制。具备低延时、大容量数据传输能力是井下智能化定向钻探的显著特征，5G通讯及物联网技术的快速发展，使井下钻探装备群之间的互联互通及其与地面技术支持中心的信息高速传输成为可能，为井下智能化定向钻探参数实时监测、信息高效传输和地面远程决策指令下达提供有效途径。
(3)智能钻杆技术。智能钻杆技术的发明被视为钻探技术的一场革命，能实现多参数随钻测量信息上传、控制指令下达和孔底供电等功能，具有传输高速稳定、数据量大的特点。目前地面智能钻杆传输速度已可达到Mb/s级别，远远高于目前煤矿井下普遍采用的中心通缆随钻测量钻杆。
2智能化定向钻探关键技术
2.1自动化定向钻机研制
煤矿井下定向钻探面对复杂多变的地质体，定向钻孔施工受多方面因素制约，对自动化定向钻机的研制提出严峻挑战。我国学者在自动化定向钻机研制方面进行了长期不懈探索，在钻机整体紧凑布局与结构设计、自动装卸钻杆系统设计、电液控制系统设计、钻进参数监测与工况识别系统设计、防爆控制系统设计等方面取得了一定的研究成果。
2.2旋转导向钻进技术
旋转导向钻进技术自20世纪末研发成功以来，因其显著的技术优势在地面油气勘探开发中应用广泛，有效缩短了建井周期、降低了建井成本，已成为国外主流的钻井技术。在国家科技重大专项的支持下，中煤科工集团西安研究院有限公司开发出第1代矿用旋转导向钻进系统，攻克了小直径导向机构设计、信号双向传输、孔内发电机供电等技术难题，在导向机构、动力系统、测量系统、防爆结构进行创新设计。旋转导向钻具采用推靠式结构设计，钻进过程中，导向机构依靠孔内发电机供电，推靠巴掌在钻具旋转同时伸缩，直接给钻头提供侧向力，控制钻孔轨迹沿预定方向延伸，实现旋转钻进过程中的钻孔轨迹人工控制。设计的旋转导向工具外径133mm，造斜率不大于10°/30m，可实现井下直径200mm定向钻孔施工。目前矿用旋转导向工具已完成样品的加工试制，准备进行工业性试验，其可靠性和稳定性还有待进一步检验。
2.3随钻地质信息三维动态建模技术
利用随钻测量系统探查沿钻孔轨迹延伸方向的地层特性、构造分布、水害和瓦斯赋存等地质信息，同时结合地面煤层勘探信息、井下采掘部署及已施工钻孔信息，建立可视化三维动态模型，并根据随钻测量信息反馈和钻孔揭露的信息对地质模型进行不断修正，以更好地指导钻孔设计、施工、预测和评价，破解二维状态下随钻测量信息集成能力差、展示效果差的难题。然而煤矿井下随钻地质信息三维动态建模技术研究处于初级阶段，只简单实现了对钻孔轨迹的三维可视化控制与显示，缺乏与采掘模型、地质模型、随钻测量数据之间的深度融合，导致不同来源的多类型信息之间割裂，难以有效指导钻孔施工。
2.4智能化钻探数据库的建立
随着大数据、云计算等技术的快速发展，通过建立专业的钻孔施工数据库系统，对钻具组合参数、随钻测量工程参数、随钻测量地质参数、钻孔轨迹参数等进行智能分析，找出各数据之间的关联规律，可为地质模型的建立与校正、钻孔轨迹设计与调整、钻具组合参数优化、钻进过程优化、钻孔施工评价等提供技术指导。
3结语
总之，智能化定向钻探的发展必须集多学科交叉融合，开展关键核心技术联合攻关，发展和完善煤矿井下自动化定向钻机、旋转导向钻进技术等，，为推进我国煤矿高质量发展提供重要技术支撑。
参考文献
[1]王国法，刘峰，孟祥军，等.煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J].煤炭科学技术，2019，47(8):1-36.
[2]石智军，姚克，田宏亮，等.煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望[J].煤炭科学技术，2019，47(5):22-28.
作者简介：雷腾飞，1995.03.04，男，陕西渭南，汉族，助理工程师，技术员，研究方向：煤矿井下智能化钻机发展，陕西黄陵二号煤矿有限公司。