我國煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展與展望

李泉新，劉飛，方俊，劉建林，褚志偉

我國煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展與展望

李泉新，劉飛，方俊，劉建林，褚志偉

(中煤科工集團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裝備是煤礦智能化建設的重要組成部分，也是當前煤礦企業深入推進減人增效工作所急需的先進技術裝備。系統總結了“十三五”期間我國煤礦井下智能化鉆探技術裝備所取得的階段性成果，重點介紹了自動化鉆機、隨鉆參數監測系統和旋轉導向系統等關鍵技術裝備的發展現狀。全面分析了制約井下智能化鉆探技術裝備研發與應用的關鍵因素：鉆機智能化水平較低、隨鉆探測數據類型少、多系統集成控制難。在此基礎上提出深入推進數字化、網絡化、智能化技術與傳統坑道鉆探技術結合，強化多學科融合和協同創新能力；并不斷加強智能化鉆探技術裝備研發與應用人才的培養力度，以技術裝備為支撐、以數字化平臺為保障、以人才隊伍建設為基礎；在智能化鉆機、高精度數據獲取與傳輸技術、鉆孔軌跡智能優化與控制技術、輔助關聯設備集成控制技術、數字化鉆進平臺開展攻關，以實現煤礦井下鉆孔全流程智能化施工作業。

智能化鉆探；自動化鉆機；隨鉆測量系統；旋轉導向系統；研究進展；發展趨勢

當前，煤炭作為我國的主體能源仍然不可替代，2020年，煤炭在一次能源消費總量中的占比約為57%，深入推進煤炭資源安全、高效、智能、綠色開采已成為業界共識[1]。國家八部門聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，為加快煤礦智能建設提供綱領性指引，提出了對煤炭地質保障技術發展的具體目標：重點突破精準地質探測等技術與裝備[2]。通過智能化鉆探和智能化物探等技術手段，構建面向智能開采的透明工作面，為智能開采提供高精度地質導航。此外，在礦井瓦斯、水害和沖擊地壓等災害防治鉆孔施工過程中，施工人員面對煤與瓦斯突出、涌水和頂板動力災害的直接威脅，為貫徹“少人則安、無人則安”的發展理念，需要最大限度地減少危險崗位作業人員，因此亟需研發煤礦井下智能化鉆探技術裝備。

煤礦井下智能化鉆探技術裝備是煤礦智能化建設的重要組成，代表著煤礦坑道鉆探發展的高級階段。我國在煤礦井下智能化鉆探領域進行了長期不懈探索，筆者曾提出煤礦智能化鉆探的發展路徑：從自動化鉆探向智能化鉆探逐步邁進，并提出圍繞精準導向系統、數據測量系統、數據傳輸系統、智能決策系統和自動控制系統的智能化鉆探發展框架和重點攻關方向[3-4]。王清峰等[5]提出從全自動鉆機、智能化鉆機到鉆孔機器人的瓦斯抽采鉆探智能化的發展路徑，指出從鉆孔智能設計、鉆探裝備自主導航和定位、鉆進工況智能感知、鉆進過程智能控制和鉆孔質量智能評估等方面開展技術研究。從2005年起，以中煤科工集團西安研究院有限公司(以下簡稱“西安研究院”)和中煤科工集團重慶研究院有限公司(以下簡稱“重慶研究院”)為代表開展了煤礦井下自動化鉆機的研發工作，相繼研制出多款井下自動化鉆機，具備遠程遙控、自動裝卸鉆桿、程序控制鉆進、參數監測等功能[6-7]。在透明工作面構建方面，采用隨鉆測量定向鉆進技術輔助進行煤巖界面的識別，利用定向鉆孔軌跡精確可控的特點獲取工作面區域頂底板數據，揭露鉆遇的陷落柱、斷層等地質異常體。同時結合工作面采掘信息，構建動態優化的工作面三維地質模型，已在神東煤炭集團公司榆家梁煤礦智能無人化工作面開采中得到應用[8]，精度達到0.2 m。

但還應該看出，當前我國煤礦智能化建設仍處于初級階段[9]。煤礦井下智能化鉆探在基礎理論、關鍵技術、核心裝備、基礎平臺、標準規范等方面存在諸多瓶頸尚待突破。目前煤礦井下鉆探技術裝備的智能化水平仍然較低，距離無人化操作還有較大差距[10]；利用定向鉆孔軌跡數據進行煤巖界面識別存在一定的滯后性，難以實現連續動態探測，尚不能滿足智能開采對高精度、快速、動態修正的三維地質模型建立的需要。鑒于此，筆者分析了煤礦井下智能化鉆探技術裝備進展，展望了煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展趨勢。

1 智能化鉆探技術裝備研究進展

為實現煤礦井下“機械化減人、自動化換人、智能化無人”的目標，發展井下智能鉆探技術裝備是大勢所趨。目前我國煤礦井下智能化鉆探技術裝備研究主要集中在自動化鉆機、隨鉆參數監測系統和旋轉導向系統等方面，均取得了一定的研究進展。

1.1 自動化鉆機

重慶研究院在國內最早開展煤礦井下自動化鉆機的研究工作，針對大角度自動加卸鉆桿、遠程遙控控制、自適應鉆進等技術難題開展科研攻關，相繼研制出遠距離控制鉆機、地面控制鉆機、地面遠距離自動控制鉆機、遙控自動鉆機[5]，具有自動化程度高、操作簡單、作業人數少、勞動強度低、安全系數高等優點。在國家重點研發計劃“煤礦井下瓦斯防治無人化關鍵技術與裝備”的支持下，為提高瓦斯抽采鉆孔機器人智能化程度，王清峰等[11]建立了井下鉆孔機器人自動鉆進數學模型，研究揭示了鉆進工況智能感知與自適應控制機理，開發了自適應鉆進技術，實現了鉆進工藝參數的自動調節控制；張始齋等[12]介紹了ZYWL-4000SY 型自動化鉆機的總體設計方案和結構特點，并分析了智能防卡鉆技術的工藝流程；針對自動化鉆機鉆桿倉容量小的問題，王清峰等[13]開發了大容量鉆桿自動輸送系統，基于鉆桿輸送路徑規劃針對性設計了鉆桿箱、轉運器、主機械手和副機械手等執行機構；呂晉軍[14]、陳魚[15]設計了機械手伸縮關節、翻轉關節，并通過有限元分析和現場工業性試驗驗證了其可靠性和穩定性。2021年，采用ZYWL-4000SY型自動化鉆機(圖1)在淮南謝橋煤礦施工完成深度126 m的碎軟煤層瓦斯預抽鉆孔，解決了自動鉆進過程中排渣判斷不及時、易埋鉆卡鉆等諸多難題，創造了行業新紀錄[16]。

圖1 ZYWL-4000SY自動化鉆機[16]

西安研究院從2008年開始自動化鉆機的研究工作[10,17-19]，研制出多款自動化鉆機，開發出抓手翻轉式、多組油缸坐標平移式、多自由度機械手等多類型鉆桿自動裝卸裝置，在鉆機上集成位移傳感器、壓力傳感器、接近開關等各類傳感器進行信號的采集，采用電液控制技術實現鉆機自動化鉆進，實現了鉆桿自動化裝卸、一鍵操作鉆進、遠程遙控鉆進。

“十三五”期間，在國家科技重大專項“煤礦井下智能化鉆探裝備及高效快速鉆進技術”支持下，西安研究院研制出ZDY25000LDK[20]大功率自動化定向鉆機，如圖2所示。額定轉矩25 000 N·m，最大給進起拔力達300 kN，采用以無線遙控為主、液控備用的電液控制系統，滿足智能高效控制需要，單根鉆桿自動上卸時間55 s；開發了鉆進參數監測系統，建立了工況識別判據智能專家知識庫，輔助進行鉆進工況的自動識別，實現了多種孔內工況和鉆機故障實時診斷報警；研制出BLY800/12泥漿泵車，采用高壓大流量泥漿泵車閉式液壓系統，配合先導比例調節技術和近/遠端雙重控制方式，解決了定向鉆進負載功率自適應控制難題，最大輸出流量800 L/min、最高輸出壓力12 MPa，比現有井下常用泥漿泵輸出參數提升1倍。

圖2 ZDY25000LDK自動化定向鉆機[20]

為提高瓦斯抽采鉆孔施工效率、減少施工人員數量，西安研究院研制出ZDY4500LFK瓦斯抽采鉆孔機器人。對固定式鉆桿倉、防爆伺服電機控制機械手、視覺伺服系統和電液控制系統進行創新設計[20]，鉆機具備開孔姿態自動調節、自動裝卸鉆桿、自動鉆進、故障監測診斷等功能，鉆桿倉存儲容量達150 m，滿足單個順煤層鉆孔或穿層鉆孔施工需要。

煤礦井下鉆機的精確定位、自主導航、避障是實現煤礦智能化鉆探的關鍵，近年來備受行業關注。與煤礦井下救援機器人相比，井下鉆機體積和重量都大，需外部供電；受井下環境復雜、工況惡劣、無 GPS、非結構化地形等因素限制，要實現鉆機自主導航、精確定位與避障功能開發與應用更加困難。楊林[21]闡述了井下復雜受限環境下瓦斯抽采鉆孔機器人自主導航定位需攻克的技術難題。姚克[10]、姚寧平等[20]提出通過巷道環境識別與仿真模擬、鉆機姿態測控、履帶平臺運動控制等方法實現鉆機自主導航定位。李猛鋼[22]針對瓦斯抽采鉆孔機器人在井下復雜環境下自行走需要，提出了基于偽 GPS、NDT-graph-SLAM、LI-SLAM和LIU-SLAM等精確定位與地圖構建算法，開發了鉆機定位導航軟硬件系統，開展了模擬井下巷道環境下的定位試驗，驗證了所提出算法對鉆孔機器人的實用性。可以看出，當前關于煤礦井下鉆機自主導航定位和越障技術的研究以理論為主，部分單位研制出原理樣機，距離工程化應用尚有一定距離。

1.2 隨鉆參數監測系統

孔底多參數隨鉆監測是實現智能化鉆探的基礎，測量數據的大容量、穩定、高速傳輸是實現智能化鉆探的保障[23-25]。隨鉆測量/隨鉆測井系統是獲取鉆孔幾何參數、地質參數和工程參數的關鍵，可實現對鉆進過程的動態預測與評價，為鉆孔高效精準施工提供重要數據支撐[26]。

目前主要采用基于孔口防爆計算機供電的有線隨鉆測量系統、泥漿脈沖無線隨鉆測量系統、電磁波無線隨鉆測量系統進行鉆孔幾何參數的測量，實現對鉆孔軌跡的精確控制。各測量系統對鉆孔軌跡參數、鉆具姿態參數測量精度較高，但信號傳輸方式存在差異。其中有線隨鉆測量系統實鉆最大傳輸距離達2 311 m[27]，泥漿脈沖無線隨鉆測量系統實鉆最大傳輸距離達3 353 m[28]，電磁波無線隨鉆測量系統實鉆最大傳輸距離超過500 m，應根據鉆進工藝、鉆具組合形式不同選擇配套的隨鉆測量系統。

為滿足煤礦井下地質導向鉆進需要，方俊[29]、王小龍[30]研制了基于靜態方位伽馬測量的礦用隨鉆測量系統。通過含煤地層自然伽馬的測量實現鉆遇地層巖性和煤巖界面的探測識別，從而指導順煤層地質導向鉆進，并開展了現場工業性試驗。但是由于該測量系統適用于滑動定向鉆進狀態下靜態定點測量，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，不能滿足復合定向鉆進對自然伽馬動態隨鉆測量要求?；诖?，“十三五”期間，西安研究院開發出礦用隨鉆動態方位伽馬測量系統[3]，如圖3所示。集成自然伽馬、井斜和工具面向角測量功能，自然伽馬探測范圍0～350 API，探測半徑0.3 m，滿足復合鉆進條件下動態方位伽馬數據實時采集和動態方位伽馬成像需要，可實現含煤地層巖性和煤巖層界面的辨識，從而引導鉆頭沿目標地層精確延伸。針對鉆機參數監測系統采集的孔口鉆進參數和孔底實際鉆進參數差異性較大，難以高效指導鉆孔施工的問題，研制了礦用工程參數測量短節，可實時監測孔底鉆壓、溫度、振動、環空壓力等參數，綜合評估孔內工況環境和鉆具狀態。此外，為解決無線隨鉆測量系統孔底連續供電難題，研制了礦用小直徑小排量渦輪發電機，可為孔底無線隨鉆測量短節持續供電。

圖3 礦用動態方位伽馬隨鉆測量系統

定向鉆孔軌跡信息和隨鉆測量地質信息為建立采煤工作面三維地質模型提供基礎數據，服務于透明工作面構建。劉建林等[31]發明了基于定向鉆孔數據探測的煤巖界面識別方法，大幅提高采煤工作面三維地質模型的精度。朱夢博等[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，可實現三維地質模型的高精度定量預測。

1.3 礦用旋轉導向系統

旋轉導向系統是在鉆柱旋轉鉆進時，隨鉆實時完成定向功能的一種導向式鉆進系統，能有效提高鉆進能力、鉆進效率和軌跡控制能力，可應用于煤礦井下超長、超大直徑鉆孔施工。與地面油氣勘探開發領域相比[33]，煤礦井下旋轉導向系統工作環境一般為常溫、常壓，但要求盡量減小旋轉導向系統的外徑，并滿足井下防爆要求。“十三五”期間，西安研究院開發出國內首套礦用小直徑旋轉導向系統[3]，如圖4所示，包括推靠裝置、液控動力單元、發電電子節、渦輪發電機及測量探管，外徑133 mm、造斜強度22°/hm，可實現旋轉狀態下鉆孔軌跡的自動糾偏。該系統采用推靠式結構設計，以電路控制、液壓驅動、機械機構執行的方式控制推靠巴掌伸縮，通過推靠巴掌支撐孔壁，為鉆頭方向調整提供側向力；采用復合供電模式，利用孔底渦輪發電機為導向系統供電，利用孔口防爆計算機為內置的測量探管供電；采用動態高精度幾何參數隨鉆測量方式，解決了在強振動環境下傾角、方位角和工具面角的高精度測量難題，為旋轉導向工具控制和鉆孔軌跡調整提供依據；采用有線雙向信號傳輸方式，利用研制的專用高強度通纜鉆桿進行測量數據和控制指令的傳輸，具有傳輸速度快、穩定性高等特點。2021年，采用研制的ZDY25000LDK大功率自動化定向鉆機、礦用小直徑旋轉導向系統等裝備在鄂爾多斯唐家會煤礦施工完成了2 個孔深超過800 m、孔徑165 mm的定向鉆孔，驗證了成套技術裝備的穩定性和可靠性。

圖4 礦用小直徑旋轉導向系統

2 智能化鉆探技術裝備發展存在的問題

煤礦井下自動化鉆機、隨鉆參數監測系統和礦用旋轉導向系統等技術裝備的研發為煤礦智能化建設起到積極推動作用。但還需要在高性能防爆元器件、基礎材料、關鍵核心技術等方面開展持續攻關，推動多學科交叉融合，不斷提升井下鉆探裝備的智能化水平、地層適應性和集成控制能力，破解制約煤礦智能化鉆探技術裝備研發與應用的難題。制約因素主要包括以下方面：

1) 鉆機智能化水平仍然較低

自動化鉆機的研發應用在一定程度上減輕了工人勞動強度、實現了減人增效，但施工過程中還需要人為輔助，鉆機智能化水平仍然較低，主要表現為：

在設計方面，煤礦井下環境對智能化鉆機的防爆設計有嚴格要求，當前防爆設計理論框架嚴重束縛著智能化鉆機設計[34]。目前可供選擇的防爆型元器件有限、品種和規格單一[10]，同時由于缺乏實用的數據和先進的人工智能算法作為支撐，導致鉆機機械結構與控制系統之間的協調性差，難以完成某些復雜的機械動作。在鉆進工況和鉆場環境智能感知、鉆機精確定位導航、鉆桿裝卸自適應跟蹤調整、基于鉆進參數反饋的自適應鉆進等方面研究還存在不足。

在操作方面，主要通過對鉆機及孔底傳感器采集的參數進行分析并指導施工，鉆進工藝參數調整仍然以人工操作為主，依賴于人工經驗，針對異常工況識別、預警和處理質量難以保證。有學者提出通過采集鉆機運行參數，建立精確的目標函數，采用神經網絡算法進行鉆進參數的優化控制[35-37]，進而實現鉆壓、鉆速和回轉壓力自適應優化調控，然而井下鉆探是個非線性、不確定的過程，當前基于算法優化的自適應控制鉆進大多是匱乏的，因此目前主要以理論研究為主，指導實際生產能力不足。

在推廣應用方面，由于我國煤層地質條件、開采地質條件差異大，不同鉆進工藝需要配套不同的鉆機和鉆具組合，難以通過現有的幾款自動化鉆機解決所有工程難題。同時還應該看出，當前自動化鉆機針對復雜地層適應性弱，鉆進效率和鉆孔質量難以得到有效保證。其次，鉆進過程中反饋的鉆進工藝參數的微小變化可能就是鉆孔事故的先兆，但當前自動鉆進狀態下對負載突變的響應不及時，鉆進工藝參數調整滯后，易引發孔內事故，需根據瓦斯、水害、沖擊地壓等災害類型和含煤地層精細探查要求，針對性開發智能化鉆機，選擇成孔工藝技術及配套鉆具，進一步提高鉆機的適用性和實用性。

2) 隨鉆探測數據類型少、實效性低

當前在隨鉆探測數據獲取、實時傳輸、數據融合、數據利用方面仍有待突破[38]。

在數據獲取方面，隨鉆探測技術對復雜地質特征的響應速度慢，源頭獲取數據質量難以保證，所采集的數據類型結構單一。目前主要利用鉆孔軌跡參數獲取工作面點、線等基礎數據，并結合孔口返渣輔助識別煤巖界面，識別精度有限，同時由于井下鉆探數據的空間密度有限，容易存在“一孔之見”。

在數據傳輸方面[3]，當前階段，隨鉆無線數據傳輸速率低、容量小、受干擾因素多；隨鉆有線數據傳輸必須借助專用鉆桿，應用形式受限，難以滿足井下智能化鉆探對數據高速、大容量傳輸的需要。

在數據融合方面，透明工作面構建所需的數據大多來源于鉆探、物探和揭露信息，包括各類結構化或非結構化數據，數據之間的沖突和深度挖掘是必須要解決的關鍵問題。

在數據利用方面，鉆探過程中積累的形態各異的數據，包括結構化及非結構化數據，由于鉆孔數據的采集方式、產生周期不同，導致數據可管理性差、數據利用率低。

3) 多系統集成控制難

煤礦井下智能化鉆探是涉及多系統集成的復雜工程，需要協同配合完成。包括自動化鉆機、泥漿泵、精準導向系統、隨鉆參數監測系統、鉆桿等諸多設備工具；包含開孔、下套管、鉆進、清渣、起下鉆等復雜工藝流程。但現階段智能化鉆探裝備主要集中在單個系統產品的研發，輔助工序配套裝備自動化、智能化程度低。各系統控制分散。同時缺乏高效的協同控制策略，難以實現鉆探裝備的集成管理和協同控制。清渣、搬運、配套設備拆卸等工藝流程還需要人工輔助完成，遠達不到“無人化”作業的目標，這成為制約煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展的關鍵因素之一。

3 智能化鉆探技術裝備展望

面對新一輪能源革命和產業變革，煤礦井下鉆探技術裝備與5G、大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術加速融合，將推動煤礦井下鉆探技術裝備向更加智能、更高質量的方向發展。

需要深入推進數字化技術、網絡化技術、智能化技術與傳統鉆探技術結合[39]，以技術裝備為支撐、以數字化平臺為保障、以人才隊伍建設為基礎，不斷提高井下鉆探技術裝備的智能化水平，實現煤礦井下鉆孔全流程智能化施工作業。需要在以下5方面重點突破：

1) 智能化鉆機

建立面向煤礦機器人的輕量化、低功耗、高機動性能新型防爆電氣設計方法，突破現有煤礦電氣防爆框架下智能化鉆機設計存在的零部件體積增大、重量增加、散熱不良等問題[34]。從感知、決策、執行層面持續完善鉆機的技術性能，突破鉆機自主導航定位、多源數據融合狀態監測、鉆進工況智能感知、鉆進動作自主分析決策、智能精準控制鉆進和多機智能協同控制等關鍵技術，進一步提升鉆機智能化水平、拓展鉆機適用地層范圍；開發高可靠性的防爆型液壓元件和傳感器，推動實現關鍵零部件國產化；強化鉆機模塊化設計理念，優化鉆機的液壓管路布局，提高鉆機的可維護性和拆裝便利性。

2) 高精度數據獲取與傳輸技術

開發礦用方位電阻率隨鉆測量系統，研究建立煤巖界面識別標準，充分利用煤層與頂底板巖層之間的電阻率差異，進行煤巖界面反演，實現孔周地層巖性的數據化描述和煤巖分界面的精準判識，實現復雜地層隨鉆前探測和遠探測，進一步豐富鉆孔地質信息探查手段，為透明工作面構建提供更加可靠的地質信息[40]；開發礦用近鉆頭隨鉆測量技術，突破近鉆頭測量信息無線短傳和測量探管抗振結構設計技術瓶頸，實現隨鉆測量位置的“前移”，利用近鉆頭測量得到的地質參數和工程參數輔助判斷鉆頭與儲層的相對位置，提高獲取地層數據的可靠性和實效性，為實現特殊目標地層定向鉆進提供技術支撐；開發礦用智能鉆桿，重點解決鉆桿軟連接、信號傳輸過程中失真等難題，實現隨鉆監測信息實時上傳、控制指令快速下達，為智能決策提供數據支撐。

3) 鉆孔軌跡智能優化與控制技術

開展鉆孔軌跡智能優化與控制技術研究，建立含煤地層與鉆進參數間的對應關系，借助先進的人工智能算法，通過對孔底隨鉆監測參數進行反演分析，得出鉆孔軌跡最優化調控策略，實現鉆進過程的風險評估和最優化控制。研究完善井下旋轉導向系統，進一步提高系統的可靠性和穩定性，通過技術創新降低旋轉導向系統的使用維護成本，研究形成系列化大直徑超長孔旋轉導向鉆進技術裝備，實現安全快速成孔。

4) 輔助關聯設備集成控制技術

研究基于智能分析決策的井下鉆探多系統協同控制技術，加快提升輔助關聯設備的可集成性，包括自動控制泥漿泵車、沖洗液連續循環系統、鉆渣“集-運-排”一體化系統、輔助設備吊運系統，探索面向井下復雜環境的多系統協同控制算法，能實時調整輔助關聯設備的運行參數，實現井下工藝流程的智能化，從根本上減少井下鉆孔施工作業人員。

5) 數字化鉆進平臺

通過對煤礦井下鉆探裝備和鉆探工藝參數監測技術的研究，開發配套監測系統，實現多種鉆進參數實時監測、數據自動存儲、遠程數據傳輸，建立基于數字孿生的數字化鉆進平臺，集成鉆進數據、專家經驗、科學經驗等，實現鉆進過程實時監控、數字孿生、信息共享和高效決策，盡量減少鉆場施工人員數量、降低人為干預程度。同時，通過傳感器采集的機械、液壓、電控系統運行參數進行融合分析，建立故障預測與診斷模型，實現鉆機運行狀態的實時智能監測和遠程運維管理，以進一步降低鉆機的故障率和安全施工風險、提高鉆孔施工質量。

4 結論

a.煤礦智能化建設為智能化鉆探技術裝備的發展提供了前所未有的機遇，開展智能化鉆機、高精度數據獲取與傳輸技術、鉆孔軌跡智能優化與控制技術、輔助關聯設備集成控制技術、數字化鉆進平臺等方面攻關是實現井下鉆孔全流程智能化施工作業的關鍵，也必將推動煤礦井下鉆探技術裝備向更加智能、更高質量的方向發展。

b.受井下防爆型作業環境、狹小封閉作業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發領域成熟的先進技術裝備，必須立足于當前煤礦坑道鉆探技術裝備發展現狀，根據礦井實際地質條件和工程需求開展研究，進一步提高井下鉆探技術裝備的智能化水平，服務于煤礦智能化建設。

c.煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展是涉及多學科融合和協同創新的系統工程，需瞄準世界科技前沿，緊跟新一代信息技術發展趨勢，強化頂層設計，充分借鑒吸收地面油氣勘探領域成熟經驗，深入推進數字化、網絡化、智能化技術與傳統坑道鉆探技術結合，突破制約智能化鉆探技術裝備發展的技術瓶頸；同時需加強井下智能化鉆探技術裝備人才培養和團隊建設，培養一批懂采礦工程、機械工程、鉆探工藝、計算機與信息技術的復合型人才，為礦井智能化建設奠定人才基礎。

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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

語音講解

TD712

A

1001-1986(2021)06-0265-08

2021-08-25；

2021-10-19

國家科技重大專項課題(2016ZX05045-003)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創新基金項目(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與裝備研究工作. E-mail：liquanxin@cctegxian.com

李泉新，劉飛，方俊，等. 我國煤礦井下智能化鉆探技術裝備發展與展望[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：265–272. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.032

LI Quanxin，LIU Fei，FANG 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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(責任編輯 郭東瓊)