煤礦巷道快速掘進(jìn)的“長掘長探”技術(shù)

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(gè)左右，而掘進(jìn)工作面數(shù)量近1.6 萬個(gè)；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(shí)，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(shí)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?？导t普等認(rèn)為巷道掘進(jìn)工序復(fù)雜、支護(hù)占用時(shí)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(shí)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(cè)精度不足、探測(cè)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(cè)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(cè)精度的前提下加大超前探測(cè)的距離，形成一個(gè)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(jì)。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(cè)，并已得到推廣應(yīng)用；在地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)的試驗(yàn)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(cè)方法試驗(yàn)；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(cè)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(cè)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(cè)工作尚存在著掘進(jìn)與探測(cè)距離短(“短掘短探”)、物探與鉆探分別施工(“探鉆分離”)、探測(cè)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(cè)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(cè)存在的“短掘短探”、探鉆分離、探掘分離等不足，實(shí)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(cè)模式，是一個(gè)“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(cè)距離短的巷道掘進(jìn)超前探測(cè)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(cè)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(cè)，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(cè)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(shí)間不能探測(cè)、探測(cè)時(shí)間不能掘進(jìn)，探測(cè)與掘進(jìn)是串行作業(yè)而不是并行作業(yè)，兩者存在時(shí)間、空間上的矛盾；二是“兩探分離”，即物探先行、鉆探驗(yàn)證，物探與鉆探在時(shí)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(yàn)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(cè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)后退20 m以免影響探測(cè)效果，這對(duì)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(cè)距離要足夠大，另一方面要求掘進(jìn)超前地質(zhì)探測(cè)工作應(yīng)盡可能避免與掘進(jìn)作業(yè)在時(shí)間、空間和探測(cè)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(cè)距離長的巷道掘進(jìn)超前探測(cè)工作新模式，實(shí)現(xiàn)了物探、鉆探的同時(shí)間、同地點(diǎn)探測(cè)(“探鉆一體”)和超前探測(cè)、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(cè)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(shí)間和空間上的矛盾，利用煤礦井下定向鉆探技術(shù)實(shí)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(cè)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(cè)范圍，能夠滿足巷道快速掘進(jìn)的長距離探測(cè)、長時(shí)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(cè)，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(cè)井或礦場地球物理，即“鉆孔測(cè)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(cè)，2者的區(qū)別在于探測(cè)范圍與探測(cè)精度存在差異。無論是鉆孔測(cè)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(cè)量的孔中物探方法。鉆孔測(cè)井的探測(cè)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(cè)精度能達(dá)到厘米級(jí)；而孔中物探的探測(cè)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(cè)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(cè)、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(shí)現(xiàn)鉆孔徑向一定范圍的高精度探測(cè)。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(shí)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?、煤層厚度以及小?gòu)造等地質(zhì)變化；③ 實(shí)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(bào)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(cè)技術(shù)

煤礦井下低頻地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度30～50 m、分辨率可以達(dá)到亞米級(jí)，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(duì)較大，只能在巷道空間施工，且施工時(shí)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(jì)工藝實(shí)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(duì)回波信息的傳播脈沖幅度、波形和時(shí)延等加以分析處理，可以達(dá)到對(duì)煤巖界面的有效探測(cè)和識(shí)別的目標(biāo)。鉆孔雷達(dá)對(duì)煤巖界面探測(cè)具有測(cè)量速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但是探測(cè)深度較淺，而“長掘長探”中定向長鉆孔解決了超前探測(cè)的深度難題、鉆孔雷達(dá)徑向探測(cè)又彌補(bǔ)了 “一孔之見”問題，從而實(shí)現(xiàn)了長距離、高精度的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。

圖5為SSP煤礦利用鉆孔雷達(dá)探測(cè)煤層頂?shù)装宓膽?yīng)用實(shí)例，該礦煤層厚度0.70～19.17 m，平均6.33 m；鉆孔雷達(dá)測(cè)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(duì)平整，煤層底板有一定的起伏。

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

..鉆孔瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

鉆孔瞬變電磁探測(cè)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(shí)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(cè)。

鉆孔瞬變電磁儀器通過特殊設(shè)計(jì)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(shí)，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(duì)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(shí)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(cè)半徑相對(duì)偏小，但是能夠滿足巷道掘進(jìn)超前探測(cè)對(duì)幫距的控制要求，且探測(cè)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(cè)的實(shí)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(gè)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(cè)。定向鉆孔鉆進(jìn)過程中，在薄層灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)2個(gè)出水點(diǎn)，鉆孔瞬變電磁探測(cè)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(cè)，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(cè)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(shí)”的優(yōu)勢(shì)，還通過物探手段彌補(bǔ)了鉆探“一孔之見”的劣勢(shì)；同時(shí)，利用定向鉆機(jī)的遠(yuǎn)距離輸送，實(shí)現(xiàn)了孔中物探在鉆孔方向的“遠(yuǎn)距離”探測(cè)、沿鉆孔徑向30 m范圍內(nèi)的精細(xì)探測(cè)，以及對(duì)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(shí)例

山西某基建煤礦主采2號(hào)和3號(hào)煤層，其中2號(hào)煤平均厚度2.8 m、3號(hào)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(jí)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(jì)。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(jì)在3號(hào)煤與2號(hào)煤之間，主孔鉆進(jìn)深度468 m，并施工了8個(gè)分支孔控制2號(hào)煤與3號(hào)煤層界面變化，同時(shí)采用隨鉆伽馬測(cè)井探測(cè)沿鉆孔方向的煤巖界面變化、采用鉆孔瞬變電磁探測(cè)鉆孔周圍低阻體。

圖7 2203工作面回風(fēng)巷2號(hào)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(gè)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(cè)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(gè)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(shí)際揭露所驗(yàn)證。

目前，2203工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)500 m，揭露了5個(gè)斷層、4個(gè)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(cè)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(duì)于地質(zhì)超前探測(cè)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(shí)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(gè)，其中含水體方向的鉆孔不得少于2個(gè)。煤礦井下超前探放水工作中鉆探與物探的探測(cè)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(shí)際水頭，MPa。

以TJH煤礦為例，取=5 m，=0.024 MN/m，=2.59 MPa，=1.2 MPa計(jì)算，則鉆探和物探的探測(cè)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(duì)煙、酒、燃料類商品征收統(tǒng)一的消費(fèi)稅，所有州政府也對(duì)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(cái)政分權(quán)徹底，地方稅權(quán)較大的聯(lián)邦制國家中實(shí)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(shí)，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(jì)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(cè)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(duì)比。

圖8 “短掘短探”與“長掘長探”的剖面對(duì)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(duì)于底板承壓水是以穿層鉆孔方式進(jìn)行探測(cè)，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(cè)深度還是徑向探測(cè)半徑，均能滿足上述要求，且有效孔段長、徑向盲區(qū)小、探測(cè)精度高等獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。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(cè)為例，對(duì)“短掘短探”與“長掘長探”的工程量、工期和費(fèi)用加以對(duì)比分析。

TJH煤礦主采的6號(hào)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(hào)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(dòng)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(gè)沿煤層的探查孔、2個(gè)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(cè)、探測(cè)距離80 m左右，然后施工1個(gè)80 m的超前孔和2個(gè)傾角-45°、孔深60 m的底板穿層孔，鉆孔出水小于10 m/h時(shí)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(cè)的閉環(huán)需要1次電法超前探測(cè)、鉆探進(jìn)尺200 m、鉆進(jìn)凈工作時(shí)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(cè)工作，周而往復(fù)。按照掘進(jìn)巷道設(shè)計(jì)長度1 800 m計(jì)算，則1條掘進(jìn)巷道需要開展電法超前探測(cè)30次、鉆探施工30次，每次鉆探進(jìn)尺合計(jì)200 m、累計(jì)進(jìn)尺6 000 m左右、鉆探施工時(shí)間超過50 d。

對(duì)于“長掘長探”而言，巷道長度1 800 m的超前探測(cè)，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(gè)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(cè)，就可以高效率、高精度完成1 800 m巷道的超前探測(cè)任務(wù)，且不占據(jù)巷道掘進(jìn)的時(shí)間和空間，為巷道快速掘進(jìn)贏得更多的有效掘進(jìn)時(shí)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(cè)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(cè)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(shí)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(cè)新技術(shù)，具有掘進(jìn)與探測(cè)的平行作業(yè)、鉆探與物探一體化施工等突出優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)巷道長距離、高精度的地質(zhì)超前探測(cè)，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(cè)，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(jì)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(cè)量、隨鉆隨探以及巷道自動(dòng)寫實(shí)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。

[1] 劉峰,曹文君,張建明,等. 我國煤炭工業(yè)科技創(chuàng)新進(jìn)展及“十四五”發(fā)展方向[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2021,46(1):1-15.

LIU Feng,CAO Wenjun,ZHANG Jianming,et al. Current technological innovation and development direction of the 14th Five-Year Plan period in China coal industry[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):1-15.

[2] 王虹,王建利,張小峰. 掘錨一體化高效掘進(jìn)理論與技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2020,45(6):2021-2030.

WANG Hong,WANG Jianli,ZHANG Xiaofeng. Theory and technology of efficient roadway advance with driving and bolting integration[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(6):2021-2030.

[3] 康紅普,姜鵬飛,高富強(qiáng),等. 掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性分析及快速成巷技術(shù)途徑[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2021,46(7):2023-2045.

KANG Hongpu,JIANG Pengfei,GAO Fuqiang,et al. Analysis on stability of rock surrounding heading faces and technical approaches for rapid heading[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2023-2045.

[4] 王步康. 煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2020,48(11):1-11.

WANG Bukang. Current status and trend analysis of roadway driving technology and equipment in coal mine[J]. Coal Science and Technology,2020,48(11):1-11.

[5] 惠興田,田國賓,康高鵬,等. 煤巷掘進(jìn)裝備技術(shù)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2019,47(6):11-16.

HUI Xingtian,TIAN Guobin,KANG Gaopeng,et al. Discussion on equipment technology status and key technology of roadway driving[J]. Coal Science and Technology,2019,47(6):11-16.

[6] 黃曾華. 綜采裝備單機(jī)智能化向智能協(xié)同模式轉(zhuǎn)型的探索研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2021,49(4):169-175.

HUANG Zenghua. Exploration and research on transformation from intelligent single machine equipment to intelligent synergy in coal mine [J].Coal Science and Technology,2021,49(4):169-175.

[7] 張東寶. 煤巷智能快速掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù) [J]. 煤炭工程,2018,50(5):56-59.

ZHANG Dongbao. Development status and key technology of intelligent rapid driving technology in coal seam roadway[J]. Coal Engineering,2018,50(5):56-59.

[8] 馬超,代貴生,曹光明. 快速掘進(jìn)系統(tǒng)在大柳塔煤礦的應(yīng)用[J]. 煤炭工程,2015,47(12):34 -37.

MA Chao,DAI Guisheng,CAO Guangming. Application of efficient Fast driving system in Daliuta Coal Mine[J]. Coal Engineering,2015,47(12):34 -37.

[9] 王國法,任懷偉,趙國瑞,等. 煤礦智能化十大“痛點(diǎn)”解析及對(duì)策[J]. 工礦自動(dòng)化,2021,47(6):1-11.

WANG Guofa,REN Huaiwei,ZHAO Guorui,et al. Analysis and countermeasures of ten pain point of intelligent coal mine[J].Industry and Mine Automation,2021,47(6):1-11.

[10] 韓德品,李丹,程久龍,等. 超前探測(cè)災(zāi)害性含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的直流電法[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(4):635-640.

HAN Depin,LI Dan,CHENG Jiulong,et al. DC method of advanced detecting disastrous water-conducting or water-bearing geological structures along same layer[J]. Journal of China Coal Society,2010,35(4):635-640.

[11] 張平松,胡雄武. 礦井巷道掘進(jìn)電磁法超前探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(1):112-115,119

ZHANG Pingsong,HU Xiongwu. Research status on technology of advanced detection by electromagnetic methods in mine laneway[J].Coal Science and Technology,2015,43(1):112-115,119.

[12] 程久龍,陳丁,薛國強(qiáng),等.礦井瞬變電磁法超前探測(cè)合成孔徑成像研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2016,59(2):731-738.

CHENG Jiulong,CHEN Ding,XUE Guoqiang,et al. Synthetic aperture imaging in advanced detection of roadway using the mine transient electromagnetic method[J]. Chinese Journal of Geophysics,2016,59(2):731-738.

[13] 許獻(xiàn)磊,楊峰,夏云海,等. 礦井超深探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)天線的開發(fā)及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2016,44(4):124-129.

XU Xianlei,YANG Feng,XIA Yunhai,et al.Development and application of mine geological radar antenna for mine ultra-deep detection[J].Coal Science and Technology,2016,44(4):124-129.

[14] 姬廣忠. 反射槽波繞射偏移成像及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2017,45(1):121-124.

JI Guangzhong. Diffraction migration imaging of reflected in-seam waves and its application[J]. Coal Geology & Exploration,2017,45(1):121-124.

[15] 張幼振,范濤,闞志濤,等. 煤礦巷道掘進(jìn)超前鉆探技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2021,49(5):286-293.

ZHANG Youzhen,FAN Tao,KAN Zhitao,et al. Application and development of advanced drilling technology for coal mine roadway heading[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(5):286-293.

[16] 王季,覃思,吳海,等. 隨掘地震實(shí)時(shí)超前探測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探,2021,49(4):1-7.

WANG Ji,QIN Si,WU Hai,et al. Experimental study on advanced real time detection system of seismic-while-excavating[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(4):1-7.

[17] 范濤,張幼振,趙睿,等. 基于鉆孔TEM智能立體成像的快速掘進(jìn)超前探測(cè)方法[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2021,46(2):578-590.

FAN Tao,ZHANG Youzhen,ZHAO Rui,et al. Advance detection method of rapid excavation based on borehole TEM intelligent stereo imaging[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(2):578-590.

[18] 殷朋. “物探鉆探 + ”技術(shù)在掘進(jìn)工作面過斷層中的應(yīng)用[J]. 能源技術(shù)與管理,2019,44(6):98-99.

YIN Peng. Application of “Geophysical plus Drilling” technology in excavation while crossing fault [J]. Energy Technology and Management,2019,44(6):98-99.

[19] 李彤. 新景礦鉆探物探一體化超前探查技術(shù)應(yīng)用[J]. 山西煤炭,2021,41(1):88-90.

LI Tong. Application of integrated advanced drilling and geophysical detection technology in Xinjing Mine[J]. Shanxi Meitan,2021,41(1):88-90.

[20] 王帥. 掘探一體化技術(shù)研究[J]. 煤礦機(jī)械,2018,29(9):28-30.

WANG Shuai. Research on integrated mining and exploration technology[J]. Coal Mine Machinery,2018,29(9):28-30.

[21] 程建遠(yuǎn),王會(huì)林. 煤礦地質(zhì)保障技術(shù)現(xiàn)狀與智能探測(cè)前景展望[J]. 智能礦山,2020(1):35-45.

CHENG Jianyuan,WANG Huilin. Current situation of coal mine geological guarantee technology and prospect of intelligent detection[J]. Journal of Intelligent Mine,2020(1):35-45.

[22] 張平松,李圣林,邱實(shí),等. 巷道快速智能掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)與發(fā)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2021,46(7):2158-2173.

ZHANG Pingsong,LI Shenglin,QIU Shi,et al. Advance detection technology and development of fast intelligent roadway drivage[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2158-2173.

[23] 楊仁樹,張召冉,安晨,等. 煤礦巖巷掘進(jìn)爆破掏槽孔超深問題探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2020,48(1):10-23.

YANG Renshu,ZHANG Zhaoran,AN Chen,et al. Discussion on ultra-deep depth problem of slot hole in blasting excavation of rock roadway in coal mine[J]. Coal Science and Technology,2020,48(1):10-23.

[24] 李愛軍. 鉆爆法巖巷四位一體快速掘進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(7):39-43,131.

LI Aijun. Research and application of four-in-one rock drift rapid excavation technology based on drilling and blasting method[J].Coal Science and Technology,2017,45(7):39-43,131.

[25] 倪禮強(qiáng),洪平,胡忠新,等. 煤礦巷道綜掘-炮掘快速轉(zhuǎn)換實(shí)踐[J]. 采礦技術(shù),2021,21(S0):173-175.

NI Liqiang,HONG Pin,HU Zhongxin,et al. Practice of rapid conversion between machine and blasting method in coal mine roadway excavation [J]. Mining Technology,2021,21(S0):173-175.

[26] 李冬,杜文鳳,許獻(xiàn)磊. 礦井地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)方法及應(yīng)用研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2018,46(7):223-228.

LI Dong,DU Wenfeng,XU Xianlei. Study on advanced detection method and application of mine geological radar[J]. Coal Science and Technology,2018,46(7):223-228.

[27] 唐曉明,魏周拓. 利用井中偶極聲源遠(yuǎn)場輻射特性的遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井[J]. 地球物理學(xué)報(bào),2012,55(8):2798-2807.

TANG Xiaoming,WEI Zhoutuo. Single-well acoustic reflection imaging using far-field radiation characteristics of a borehole dipole source[J]. Chinese Journal of Geophysics,2012,55(8):2798-2807.

[28] 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):161-167,20.

WANG Xiaolong. Design and experiment of mine azimuth gamma logging instrument while drilling[J]. Coal Science and Technology,2016,44(8):161-167,20.

[29] 石智軍,董書寧,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.

[30] 劉帥,趙文生,高思偉.超寬帶探地雷達(dá)煤層厚度探測(cè)試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2019,47(8):207-212.

LIU Shuai,ZHAO Wensheng,GAO Siwei. Experimental study on coal seam thickness measurement of ultra-wide band ground penetrating radar[J]. Coal Science and Technology,2019,47(8):207-212.