煤礦井下隨鉆測量技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

陳澤平，閆保永,3，王國震，張先韜

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

煤炭是我國的主體能源，是國家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)和能源戰(zhàn)略安全的重要保障[1]。我國煤礦以地下開采為主，煤層賦存條件復(fù)雜，普遍存在瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出、突水等安全風(fēng)險問題，嚴(yán)重威脅煤礦井下生產(chǎn)人員的生命安全[2-3]。煤礦井下隨鉆測量鉆進(jìn)技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測和顯示鉆孔軌跡參數(shù)，控制實際鉆孔軌跡沿著設(shè)計軌跡或目標(biāo)地層鉆進(jìn)，還可以進(jìn)行多分支鉆孔，具有鉆進(jìn)距離遠(yuǎn)、效率高、成本低、可集中抽采、一孔多用、超前災(zāi)害防治等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采、探放水、注漿防滅火、防突泄壓、地質(zhì)勘探等災(zāi)害防治領(lǐng)域[4]。隨鉆測量技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)鉆孔深度淺、軌跡不可控、存在瓦斯抽采空白帶等問題，是煤礦井下鉆探技術(shù)由“軌跡不可控”到“精確定向”的關(guān)鍵技術(shù)。

自2003年引進(jìn)國外隨鉆測量技術(shù)與裝備以來，我國科研人員圍繞定向鉆探技術(shù)發(fā)展前沿，結(jié)合國內(nèi)煤礦實際需求，展開了多年持續(xù)攻關(guān)，研發(fā)了多項達(dá)到國際先進(jìn)水平的重大技術(shù)成果，打破了國外技術(shù)壟斷，成功實現(xiàn)了由技術(shù)引進(jìn)、跟跑到超越的重大進(jìn)步，有效提升了我國煤礦井下鉆探技術(shù)裝備及災(zāi)害防治水平。

2020年3月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出：推進(jìn)科技創(chuàng)新，提高智能化技術(shù)與裝備水平，重點突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測、重大危險源智能感知與預(yù)警、煤礦機(jī)器人等技術(shù)與裝備[2]。2021年12月，中國煤炭工業(yè)協(xié)會印發(fā)《煤炭工業(yè)“十四五”安全高效煤礦建設(shè)指導(dǎo)意見》，提出加快智能化核心技術(shù)裝備研發(fā)，重點突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測、煤巖識別、透明地質(zhì)等智能化技術(shù)與裝備，深化煤礦重大災(zāi)害防治，提升煤礦安全保障能力[3]。要實現(xiàn)以上目標(biāo)，需要進(jìn)一步提升煤礦井下隨鉆測量技術(shù)水平，為實現(xiàn)煤礦的信息化、智能化提供大量基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。因此，筆者系統(tǒng)闡述我國煤礦井下隨鉆測量技術(shù)的發(fā)展歷程、典型成果和技術(shù)現(xiàn)狀，指出實際應(yīng)用中存在的問題，并圍繞煤礦災(zāi)害防治智能鉆探需求，提出“近鉆頭隨鉆測量”“定向長鉆孔+地質(zhì)參數(shù)”“定向長鉆孔+瓦斯參數(shù)”等隨鉆測量新技術(shù)將成為煤礦井下隨鉆測量技術(shù)的重點研究方向。

1 隨鉆測量技術(shù)原理

1.1 隨鉆測量系統(tǒng)組成

煤礦井下隨鉆測量系統(tǒng)主要用于鉆孔軌跡參數(shù)測量，主要由采集、通信、顯示等部分組成，如圖1所示。采集部分由各種安裝在鉆頭后方的鉆桿或無磁鉆桿內(nèi)的傳感器組成，用于測量孔內(nèi)各類數(shù)據(jù)，主要包括鉆孔軌跡參數(shù)(傾角、方位、工具面向角)、地質(zhì)信息參數(shù)(方位伽馬、電阻率、中子孔隙數(shù)據(jù)等)、工程參數(shù)(振動、鉆壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、振動、溫度等)等數(shù)據(jù)[5]；通信部分主要是將孔底測量數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳輸至孔口儀器；顯示部分將對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理后，通過電腦顯示出來。

圖1 隨鉆測量系統(tǒng)組成

1.2 隨鉆測量技術(shù)類型

隨鉆測量按照信息傳輸方式可分為有線、無線兩大類。有線傳輸主要是采用通纜鉆桿，無線傳輸主要有泥漿脈沖、電磁波、聲波、智能鉆桿、光纖等技術(shù)[5-6]。其中，泥漿脈沖式和電磁波技術(shù)較為成熟，主要應(yīng)用于石油和天然氣鉆探領(lǐng)域，近年來開始在煤礦井下應(yīng)用；聲波通信傳輸速率高，但鉆桿對聲波的衰減比較大，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，目前還未見其在煤礦井下應(yīng)用的相關(guān)報道;智能鉆桿、光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)目前尚處于理論研究階段[7]。

2 煤礦井下隨鉆測量技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

目前，煤礦井下隨鉆測量技術(shù)主要有存儲式測量、有線傳輸測量和泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)，電磁波隨鉆測量處于應(yīng)用推廣階段。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)形成了以中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司(以下簡稱“重慶研究院”)ZSZ系列、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(以下簡稱“西安研究院”)YHD系列等礦用有線或無線隨鉆測量系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)或領(lǐng)先水平，均得到廣泛推廣應(yīng)用，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供了技術(shù)與裝備保障。

2.1 存儲式測量技術(shù)

存儲式測量技術(shù)通過置于孔內(nèi)的測量儀器采集鉆孔軌跡參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，保存在專用的存儲器中，在完孔后取出并通過計算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等設(shè)備將數(shù)據(jù)讀出，并采用專用軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后顯示實際鉆孔軌跡。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)鉆孔軌跡無法實時測量和顯示的問題，為后續(xù)補(bǔ)孔或布孔提供了重要參考。測量方式分為隨鉆測量和退鉆后使用鉆桿推送方式進(jìn)行測量2種。

20世紀(jì)40到50年代，美國等國開發(fā)了存儲器式鉆孔測斜儀，采用鋼繩或鉆桿直接把測斜儀送進(jìn)或提離所測鉆孔。1990年代，為滿足國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需要，在國家的扶持下，隨著單點定向測斜儀、多點連續(xù)測斜儀、陀螺測斜儀、有線隨鉆測斜儀、無線隨鉆測斜儀等系列成果相繼研制成功，我國鉆孔測量技術(shù)得到了很大的發(fā)展。21世紀(jì)以來，激光陀螺、光纖加速度計、光纖陀螺等測斜儀的研制成功，進(jìn)一步提高了測斜儀的適用性和測量精度，減小了儀器的體積[8]。

目前，煤礦井下大部分均采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆孔作業(yè)，存儲式測量技術(shù)應(yīng)用十分普遍。結(jié)合伽馬探測、電法探測、電磁波探測等物探新技術(shù)，可以通過鉆孔測量得到鉆孔周圍地質(zhì)、水文等信息，進(jìn)一步拓展了測斜儀的應(yīng)用范圍。

2.2 有線隨鉆測量技術(shù)

有線隨鉆測量技術(shù)是指以通纜鉆桿作為通信載體，將孔底MWD數(shù)據(jù)上傳到孔口或地面解碼系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆孔軌跡等參數(shù)的隨鉆測量，這種方式有利于實時對鉆孔軌跡進(jìn)行修正。有線隨鉆測量技術(shù)解決了存儲式測量技術(shù)不能實時測量和顯示、軌跡不可控等問題，是煤礦井下鉆探技術(shù)由“軌跡不可控”到“精確定向”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，是隨鉆測量技術(shù)發(fā)展的重大進(jìn)步。

2003年，山西亞美大寧礦率先引進(jìn)了澳大利亞VLD-1000型千米定向鉆機(jī)，配套DDM-MECCA隨鉆測量系統(tǒng)，傾角測量精度±0.2°，方位角測量精度±0.5°，采用一次性鋰電池筒供電方式，電池使用周期8～10周。2003—2009年期間，施工鉆孔1 848個，最大鉆孔深度1 002 m，總進(jìn)度110 km，累計抽采瓦斯純量達(dá)到7.08億 m3，井下瓦斯抽放率達(dá)到了80%以上，有效杜絕了瓦斯事故的發(fā)生[9]。該鉆機(jī)的引進(jìn)具有標(biāo)志性意義，促進(jìn)了我國煤礦隨鉆測量技術(shù)與裝備的快速發(fā)展。

2005年，西安研究院在借鑒澳鉆隨鉆測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了YHD1-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用孔內(nèi)電池供電方式，但在使用過程中，存在信號傳輸強(qiáng)度低、傳輸不穩(wěn)定、電池更換成本高等問題[4]?！笆晃濉逼陂g，重慶研究院王清峰等首創(chuàng)了基于探管孔外供電技術(shù)的煤礦井下ZSZ1000隨鉆測量系統(tǒng)，采用電流環(huán)技術(shù)和信號自動補(bǔ)償技術(shù)，實現(xiàn)測量信號和供電電流共線傳輸，解決了孔內(nèi)電池供電存在的信號穩(wěn)定性差、故障判斷困難、電池更換成本高等問題。ZSZ1000礦用隨鉆測量系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)在工業(yè)性試驗中完成主孔深度超過1 000 m的鉆孔3個，鉆孔效率提高10%以上[10-11]。該測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①采用孔外供電方式，探管工作時間不受限制，提高了鉆進(jìn)效率；②信號穩(wěn)定，測量精度高，傾角-90°～+90°(±0.2°)，方位角及工具面向角0°～360°(±1.5°)；③安全環(huán)保，使用成本低，單套每年可節(jié)省電池成本約25萬元[11]。

圖2 基于孔外供電技術(shù)的ZSZ1000礦用隨鉆測量系統(tǒng)

張先韜等[12]基于復(fù)合誤差補(bǔ)償方法，研發(fā)了ZSZ1500隨鉆測量系統(tǒng)，并將測量精度提高近1倍。探管孔外供電技術(shù)是煤礦井下隨鉆測量技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性成果，為煤礦井下有線隨鉆測量技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。“十三五”期間，重慶研究院研發(fā)了ZKGM1000礦用自然伽馬隨鉆測量裝置，西安研究院研制了基于方位自然伽馬的礦用有線隨鉆測量系統(tǒng)[13]，均可用于指導(dǎo)隨鉆煤巖識別，提高煤層鉆遇率，識別范圍0.5 m以內(nèi)。

有線隨鉆測量技術(shù)是目前煤礦井下應(yīng)用最為廣泛和成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在煤礦井下瓦斯災(zāi)害防治、水害治理、地質(zhì)構(gòu)造探測、沖擊地壓防治等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但在實際應(yīng)用中，還存在以下問題：①通纜鉆桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝嚴(yán)格，生產(chǎn)和使用成本高；②電纜接頭易磨損，通信效果受鉆桿密封效果影響較大；③相較于常規(guī)鉆桿外壁薄、強(qiáng)度低、抗轉(zhuǎn)矩能力弱，一般適用于滑動定向鉆進(jìn)工藝，不適用于復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，限制了其更大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

2.3 泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)

泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是在石油領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)傳輸方式，該技術(shù)以壓力脈沖為信號載體，以鉆柱內(nèi)沖洗液為信號傳輸通道，向孔口傳輸孔內(nèi)測量數(shù)據(jù)。近年來，為了解決煤礦井下有線隨鉆測量技術(shù)存在的鉆具成本高、工藝適用性差等問題，泥漿脈沖無線傳輸技術(shù)被引入到煤礦井下。由于井下防爆要求、鉆具直徑小、泵量小、工藝特點等因素，不能夠直接進(jìn)行應(yīng)用，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

“十三五”期間，重慶研究院研發(fā)了ZSZ2000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)(見圖3)，可與常規(guī)普通鉆桿配套使用，適用于定向鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)工藝，是煤礦井下隨鉆測量技術(shù)的一次重大技術(shù)進(jìn)步。該系統(tǒng)采用孔內(nèi)充電電池筒供電，連續(xù)工作時間可達(dá)20 d以上，測量精度達(dá)到了有線隨鉆測量技術(shù)同等技術(shù)水平，適用鉆桿直徑大于等于73 mm，具有測量精度高、性能可靠、信號穩(wěn)定、測量快速等特點[14-15]，近年來在井下得到大量推廣應(yīng)用。

圖3 ZSZ2000礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)

與有線隨鉆測量技術(shù)相比，泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)傳輸距離更遠(yuǎn)，可采用常規(guī)鉆桿，鉆具成本低、強(qiáng)度高、工藝適用性好。但泥漿數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)傳輸速率低，單次測量時間需要2 min左右，在一定程度上對鉆進(jìn)效率有所影響，且測量儀器采用電池筒供電和間歇工作模式，不能滿足鉆探施工長時間測量和實時傳輸?shù)男枰?/p>

2.4 電磁波無線隨鉆測量技術(shù)

電磁波傳輸技術(shù)是利用電磁波作為媒介，實現(xiàn)信號的傳輸，主要由孔內(nèi)測量儀器和孔口接收裝置組成，測量原理如圖4所示。該技術(shù)不依賴通纜鉆桿和流體介質(zhì)，具有傳輸速率高，可用于氣體鉆進(jìn)等優(yōu)點，在石油領(lǐng)域應(yīng)用成熟，最大垂直傳輸深度可到3 000 m以上，是近年來煤礦井下無線隨鉆測量技術(shù)的研究熱點之一[16-17]。

圖4 煤礦井下電磁波無線隨鉆測量原理

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)王家豪等基于經(jīng)典電磁理論，建立了井下EM-MWD電磁傳輸信道模型，結(jié)合煤層及煤層圍巖電性，運用等效傳輸線法，計算了孔口接收電極間信號電壓，包括煤巖層導(dǎo)電性、發(fā)射信號頻率、鉆桿電阻率、鉆桿長度對接收信號電壓的影響規(guī)律[16]?！笆濉逼陂g，重慶研究院研發(fā)了電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)[17]，傾角測量精度-90°～+90°(±0.2°)，方位角及工具面向角測量精度0°～360°(±1.0°)。該系統(tǒng)利用礦用鉆桿和地層作為無線信號傳輸?shù)耐ǖ?，不依賴通纜鉆桿，可采用空氣鉆進(jìn)工藝，為我國碎軟煤層定向鉆孔提供了新的技術(shù)方法。

電磁波隨鉆測量傳輸速率可達(dá)50 bit/s，可實現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)工藝提高鉆進(jìn)效率，針對松軟破碎煤層鉆進(jìn)、氣動螺桿鉆進(jìn)等工況具有顯著優(yōu)勢，但由于煤礦井下防爆要求，功率受限，接收信號易受地層及周邊設(shè)備電磁干擾，井下傳輸距離有限，一般適用于500 m以內(nèi)的定向鉆孔施工。

3 展望

多年來，我國煤礦井下隨鉆測量技術(shù)及測量儀器的研究取得了一系列原創(chuàng)性成果，為我國煤礦井下災(zāi)害防治做出了重要貢獻(xiàn)。但與石油領(lǐng)域先進(jìn)的多參數(shù)隨鉆測量技術(shù)相比，煤礦井下隨鉆測量技術(shù)目前只能測量鉆孔軌跡、伽馬等基本參數(shù)，功能有所欠缺。當(dāng)前，國家大力推進(jìn)煤礦智能化發(fā)展，筆者基于新形勢下智慧礦山、透明礦井建設(shè)需求，借鑒石油領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)，圍繞煤礦災(zāi)害防治智能鉆探技術(shù)前沿，以提升鉆孔精確度、降低鉆探施工風(fēng)險、提高煤礦災(zāi)害防治水平為目的，提出以下關(guān)于隨鉆測量技術(shù)發(fā)展趨勢及建議：

1)近鉆頭軌跡及工程參數(shù)隨鉆測量技術(shù)

現(xiàn)有煤礦井下隨鉆測量以鉆孔軌跡參數(shù)為主，數(shù)據(jù)類型單一，且數(shù)據(jù)測量嚴(yán)重滯后。亟待研究工程參數(shù)隨鉆測量技術(shù)，如鉆壓、轉(zhuǎn)速、振動、環(huán)空壓力、溫度等參數(shù)的測量，以綜合評價孔內(nèi)工況，為鉆進(jìn)工藝參數(shù)自主調(diào)整和優(yōu)化提供依據(jù)；研究近鉆頭隨鉆測量及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，研制?73/?89 mm小型化近鉆頭測量儀器，解決受限空間及強(qiáng)振動條件下測量儀器結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、測量精度和穩(wěn)定性等問題，為鉆孔高效精準(zhǔn)施工和煤礦災(zāi)害精準(zhǔn)防治提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2)“定向長鉆孔+地質(zhì)參數(shù)”隨鉆測量技術(shù)

“定向長鉆孔+地質(zhì)參數(shù)”是將定向鉆探和孔內(nèi)物探相融合的超前探測新技術(shù)，可實現(xiàn)“鉆+探”一體化，具有遠(yuǎn)距離定向鉆孔和地質(zhì)參數(shù)探測平行作業(yè)的突出優(yōu)勢，可實現(xiàn)煤礦井下異常地質(zhì)災(zāi)害的超前精準(zhǔn)防治，也可為智能鉆探和透明礦井建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地質(zhì)參數(shù)探測可采用自然伽馬和方位伽馬、鉆孔地質(zhì)雷達(dá)等技術(shù)，前者目前已在煤礦井下應(yīng)用，但仍需要解決近鉆頭測量、探測距離和探測精度等問題；鉆孔地質(zhì)雷達(dá)隨鉆超前探測技術(shù)在石油領(lǐng)域應(yīng)用成熟，探測深度可達(dá)30～50 m、分辨率可以達(dá)到亞米級[18]，數(shù)據(jù)量可達(dá)2 000 B以上，若應(yīng)用到煤礦井下，還需要重點從鉆孔地質(zhì)雷達(dá)的小型化、抗干擾、防爆設(shè)計、數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)确矫嬷盅芯俊?/p>

3)“定向長鉆孔+瓦斯參數(shù)”隨鉆測量技術(shù)

“定向長鉆孔+瓦斯參數(shù)”隨鉆測量技術(shù)是定向鉆探和孔內(nèi)瓦斯含量快速測定技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)，可實現(xiàn)“鉆+測”一體化，為煤礦井下智能鉆孔設(shè)計、瓦斯抽采效果評價提供數(shù)據(jù)。目前，瓦斯參數(shù)測定主要依托DGC、SDQ、密閉保壓取樣后在地面進(jìn)行解析，測定時間達(dá)8 h[19]，在隨鉆瓦斯測定領(lǐng)域還處于技術(shù)空白。需要研究孔內(nèi)濕煤樣瓦斯含量與瓦斯解吸規(guī)律、快速測定模型及方法等；研制隨鉆保真取樣—瓦斯解吸一體化裝置，需要解決受限空間條件下裝置尺寸、強(qiáng)度及功能等問題，將瓦斯含量測定時間縮短至30 min以內(nèi)。

4)隨鉆測量高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

現(xiàn)有有線數(shù)據(jù)傳輸速率為300～1 000 bit/s，傳輸速率較高，但信號傳輸易受鉆桿密封影響，且通纜鉆桿成本高、工藝適應(yīng)性差；泥漿脈沖數(shù)據(jù)傳輸速率僅為1～6 bit/s；電磁波數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10～50 bit/s，但傳輸距離有限且受地層干擾影響大[20]，均不能滿足智能鉆探大容量、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼?，需要研究智能鉆桿、光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃录夹g(shù)，如研發(fā)基于電磁感應(yīng)信號雙向數(shù)據(jù)傳輸高性能定向鉆具，需要解決鉆桿軟連接、電磁信號衰減、通信導(dǎo)線埋置、鉆桿加工工藝等技術(shù)難題，理論數(shù)據(jù)信號傳輸速率可達(dá)20 Kibit/s以上，可保證信號傳輸?shù)膶崟r性，能實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的實時測量和上傳、控制指令的快速下達(dá)，以期為智能鉆探和煤礦智能化提供技術(shù)支撐。