煤礦巷道快速掘進的“長掘長探”技術

程建遠,陸自清,2,蔣必辭,2,李 鵬,3,王 盼,3

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054)

煤礦采煤、掘進、機電、運輸、通風五大主要生產系統中，掘進是最為重要的生產子系統之一，它為其他四大系統以及排水、通信等子系統提供了通道保障。截止到2020年底，我國現有生產礦井約4 700多座，其中井工煤礦數量超過90%、產能占比約81%；煤礦采煤工作面5 000個左右，而掘進工作面數量近1.6 萬個；2020年，全國原煤產量約39億t，按照萬噸平均掘進率50 m估算，我國煤礦每年掘進巷道長度近1.5萬km，其中煤巷掘進巷道長度1.1萬～1.2 萬km/a，巷道掘進速度慢是造成采掘失調的主要原因。另一方面，巷道掘進、支護等工序用工超過70 萬人，約為采煤人員的3倍多；巷道掘進成本占全礦井生產成本50%左右；同時，煤礦井下巷道掘進是安全生產事故高發區域，2012—2019年發生在巷道掘進期間的瓦斯、水害、頂板較大及以上事故占比達到48.9%，58.6%和27.7%。因此，實現煤礦井下巷道安全、快速掘進至關重要。

王虹等分析了目前煤礦巷道快速掘進的技術現狀，指出全國綜掘平均進尺180 m/月，采掘失衡嚴重，制約了煤礦高效生產水平的提升。影響煤礦井下巷道快速掘進的因素較多?？导t普等認為巷道掘進工序復雜、支護占用時間長，掘進設備功能單一、相互協同性差，是導致巷道掘進效率偏低的直接原因；王步康從地質條件、掘進裝備、掘進工藝之間的相互關系出發，提出掘支平行作業是提高掘進效率的發展方向；惠興田、黃曾華等認為掘一支一、短掘短支、串行作業是造成“采快掘慢”“掘快支慢”“采掘失調”問題的關鍵因素。實際上，在地質條件、圍巖條件較好的蒙陜礦區，巷道掘進速度能夠達到1 500～2 000 m/月，而在地質條件復雜、圍巖松軟破碎的煤礦掘進速度不足200 m/月；2013年神東大柳塔礦快速掘進系統創造了大斷面(25.2 m)，日最高進尺158 m、月最高進尺3 088 m的世界記錄。王國法等指出目前存在的地質探測精度不足、探測技術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備性能的充分發揮。可見，掘進巷道地質條件的超前查明程度是影響煤礦巷道快速掘進的深層次原因。

煤礦井下巷道快速掘進地質超前探測的任務，一是要查明掘進工作面潛在的隱蔽致災地質因素，包括斷層、陷落柱、采空區、火燒區、巖漿巖侵入區及富水異常區等；二是要查明煤層的空間賦存形態，如煤層起伏、煤厚變化、地質構造等；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想地質剖面，以利于掘進工作面的優化設計。在掘進巷道水害隱患超前方面，傳統的巷道直流電法、瞬變電磁等能夠實現掘進前方0～80 m內低阻富水異常區的探測，并已得到推廣應用；在地質構造超前探測方面，井下瑞雷波、地質雷達、反射槽波等成熟技術，已被列為《煤礦地質工作規定》《煤礦防治水細則》的推薦技術；在巷道掘進的超前鉆探方面，已形成系列化鉆探技術與裝備，特別是2018年頒布的《煤礦防治水細則》首次明確提出地質超前探測的“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的試驗并取得成功，今后有望成為解決“探掘分離”的技術途徑；范濤等開展了基于鉆孔 TEM的快速掘進超前探測方法試驗；殷朋、李彤、王帥等從生產需求出發，提出了物探鉆探一體化、探測掘進一體化的初步構想；文獻[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；張平松等認為在快速掘進條件下隨掘多源多場信息采集、大數據智能分析與透明化表達是超前探測系統的新發展模式。總之，目前的巷道掘進和地質探測工作尚存在著掘進與探測距離短(“短掘短探”)、物探與鉆探分別施工(“探鉆分離”)、探測與掘進串行作業(“探掘分離”)等問題，難以適應煤礦井下巷道快速掘進的地質需求。

在前人研究成果的基礎上，筆者提出了煤礦井下巷道快速掘進的“長掘長探”地質超前探測技術，通過采用“定向長鉆孔+鉆孔物探”的工藝模式，克服了傳統掘進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提供了地質保障。

1 “短掘短探”的技術瓶頸

目前，煤礦井下巷道掘進的常規超前探測模式，是一個“物探-鉆探-掘進”串行作業、周而往復的“短掘短探”工作流程。

1.1 “短掘短探”的工作模式

“短掘短探”是指單日掘進距離短、單次探測距離短的巷道掘進超前探測工作模式。圖1為煤礦巷道掘進超前探放水工作中“短掘短探”的典型模式，即如果每次超前探測60 m、允許掘進40 m、留設20 m超前距作為安全煤柱，則巷道掘進40 m后需要再次開展超前探測，如此往復循環。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速度較慢的掘進工藝。

圖1 巷道掘進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”的技術缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技術缺陷：一是“探掘分離”，即掘進時間不能探測、探測時間不能掘進，探測與掘進是串行作業而不是并行作業，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《煤礦防治水細則》第36條明確要求：掘進工作面電法超前探測時，掘進機應后退20 m以免影響探測效果，這對于掘錨一體機、全斷面TBM盾構機等體積龐大的快速掘進設備而言難以滿足(圖2)。

圖2 巷道掘進設備Fig.2 Roadway excavation equipment

可見，“短掘短探”工作模式是傳統炮掘、機掘、綜掘條件下的低效工作模式，不適應煤礦巷道快速掘進的技術需求。為了滿足巷道快速掘進的地質需求，一方面要求掘進工作面的超前探測距離要足夠大，另一方面要求掘進超前地質探測工作應盡可能避免與掘進作業在時間、空間和探測環境上的沖突，筆者提出的“長掘長探”技術滿足了快速掘進的上述需求。

2 “長掘長探”技術

“長掘長探”是指單日掘進距離長、單次探測距離長的巷道掘進超前探測工作新模式，實現了物探、鉆探的同時間、同地點探測(“探鉆一體”)和超前探測、快速掘進的并行作業(“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”等不足，提高了巷道快速掘進地質超前的探測效率和成果精度。

2.1 “長掘長探”的技術思路

“長掘長探”技術通過在快速掘進巷道的后方或鄰近巷道預設鉆場，以避免鉆探作業與快速掘進在施工時間和空間上的矛盾，利用煤礦井下定向鉆探技術實現長距離超前鉆探(圖3)；為了彌補鉆探“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與裝備，開展鉆孔徑向富水區、地質構造的超前探測工作，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的長距離探測、長時間掘進需求；在巷道快速掘進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、循環探測，就能夠實現快速掘進工作面的“長掘長探”。

圖3 長距離定向鉆孔布設示意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綜合探測，2者的區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的原理和方法，采用專門的儀器設備，沿鉆孔進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，其探測精度能達到厘米級；而孔中物探的探測半徑可以達到幾米甚至近百米，以解決鉆孔徑向空間的側向探測問題。目前，成熟的鉆孔物探方法包括鉆孔地質雷達、鉆孔瞬變電磁、偶極橫波遠探測、鉆孔方位伽馬等。

2.2 “長掘長探”的關鍵技術

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

..定向鉆探技術

目前，煤礦井下近水平定向鉆探技術在我國煤礦井下瓦斯抽采、水害防治、沖擊地壓災害預防等方面發揮了巨大的作用。目前，煤礦井下定向鉆進技術與裝備已經成熟并得到了廣泛應用，取得了順煤層定向鉆進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“長掘長探”中的定向鉆探技術，其主要作用體現在：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” 技術有效控制煤層頂底板、煤層厚度以及小構造等地質變化；③ 實現地質超前探放水、鉆孔瓦斯抽采、沖擊地壓卸壓等功能；④ 利用地質、物探與鉆探資料，生成掘進巷道高精度地質預報剖面(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

..鉆孔地質雷達探測技術

煤礦井下低頻地質雷達探測深度30～50 m、分辨率可以達到亞米級，但是礦井地質雷達發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的影響。

鉆孔地質雷達通過特殊設計工藝實現了雷達發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射高頻雷達波，雷達波在傳播過程中遇到不同介電常數的煤巖層界面和異常地質體后發生反射；利用鉆孔雷達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，可以達到對煤巖界面的有效探測和識別的目標。鉆孔雷達對煤巖界面探測具有測量速度快、分辨率高等優點，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、鉆孔雷達徑向探測又彌補了 “一孔之見”問題，從而實現了長距離、高精度的地質構造探測。

圖5為SSP煤礦利用鉆孔雷達探測煤層頂底板的應用實例，該礦煤層厚度0.70～19.17 m，平均6.33 m；鉆孔雷達測試位置巷道煤厚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；鉆孔雷達的發射和接收頻率為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 鉆孔雷達探測成果Fig.5 Borehole radar detection results

..鉆孔瞬變電磁探測技術

鉆孔瞬變電磁探測技術是將常規在巷道發射、巷道接收的瞬變電磁工作模式，改變為在鉆孔中建立一次電磁場、鉆孔接收二次感應場，從而實現基于定向鉆孔縱向1 000 m長距離、徑向30 m半徑范圍內富水異常區的超前探測。

鉆孔瞬變電磁儀器通過特殊設計將常規瞬變電磁的線圈改變為能夠植入鉆孔的桿狀天線，在一定程度上造成發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，發射、接收天線無法靈活旋轉，因此需要對鉆孔周圍低阻體的二次感應場進行三分量接收，以便于在室內數據處理時能夠實現矢量旋轉、合成與異常方位確定。與常規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超前探測對幫距的控制要求，且探測深度可以抵達近1 000 m的鉆進深度，這一點是常規巷道瞬變電磁所無法比擬的。

圖6為TJH煤礦302運輸巷快速掘進鉆孔瞬變電磁探測的實例。該巷道采用掘錨一體機沿煤層底板掘進，煤層底板以下30，50 m分別發育有太原組薄層灰巖和奧陶紀灰巖，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域和導升情況，保障巷道安全快速掘進，利用掘進巷道開口附近的鉆場施工了1個沿太原組灰巖、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合探測。定向鉆孔鉆進過程中，在薄層灰巖中發現2個出水點，鉆孔瞬變電磁探測在同一深度控制了出水點的范圍和方位，結合定向鉆孔出水狀況及前期資料綜合分析，認為出水點為垂向裂隙帶和巖溶縫洞，為鉆探注漿治理提供了依據。遠距離定向鉆孔和鉆孔瞬變電磁的長距離綜合探測，為302巷道的快速掘進創造了條件。

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”技術不但發揮了鉆探“眼見為實”的優勢，還通過物探手段彌補了鉆探“一孔之見”的劣勢；同時，利用定向鉆機的遠距離輸送，實現了孔中物探在鉆孔方向的“遠距離”探測、沿鉆孔徑向30 m范圍內的精細探測，以及對地質異常深度的精確控制，為巷道安全、快速掘進提供了地質依據。

2.3 “長掘長探”的應用實例

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，表明地質條件前期查明程度低，極大地影響了礦井的采掘設計。如2201試采工作面由于斷層、陷落柱密集、煤質很差、成本太高而提前終止，2202準備工作面基于同樣原因被迫提前放棄，造成了采掘嚴重失調。為此，該礦2203工作面巷道掘進前采用“長掘長探”技術，已超前查明煤層起伏、構造發育以及陷落柱等地質異常體。圖7中，2203工作面回風巷超前定向長鉆孔設計在3號煤與2號煤之間，主孔鉆進深度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

結果表明：圖7(a)的預想地質剖面是一個寬緩的向斜、構造簡單，圖7(b),(c)定向鉆孔與孔中物探的綜合探測地質剖面上，發現掘進巷道前方存在3條斷層、4個陷落柱，且向斜軸發生了較大的偏擺，這一成果已被后期巷道掘進實際揭露所驗證。

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

3 “長掘長探”的技術討論

3.1 “長掘長探”的合規性

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

《煤礦防治水細則》在“井下探放水”一章和“底板水防治”一節中要求：采掘工作面超前探放水應當同時采用鉆探、物探2種方法；鉆探可采用定向鉆機，開展長距離、大規模探放水；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立的消費稅征收權。在中央政府統一課稅后，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，聯邦政府對煙、酒、燃料類商品征收統一的消費稅，所有州政府也對煙、酒、燃料類商品獨立地加征消費稅，根據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。但這一模式只能適合在財政分權徹底，地方稅權較大的聯邦制國家中實施。并且，地方政府在消費稅的具體稅收政策上存在差異，由此可能產生政府間縱向和橫向稅收政策的矛盾，誘發相應的稅收競爭。[22]

同時，鉆孔超前距和幫距按式(2)確定。

(2)

其中，為煤柱留設的寬度，m；為安全系數，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行探測，底板中有效孔段短、盲區范圍大、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、徑向盲區小、探測精度高等獨到優勢。因此，“長掘長探”技術符合《煤礦防治水細則》的規定。

3.2 “長掘長探”的經濟性

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

TJH煤礦主采的6號煤層位于石炭系上統太原組第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，奧灰巖溶發育、富水性強，底板灰巖承壓含水層的水壓0.74 MPa，斷層、垂向裂隙發育，在動壓條件下有可能形成潛在的導水通道。按照《煤礦防治水細則》要求，巷道掘進前需要施工1個沿煤層的探查孔、2個底板灰巖承壓水探查孔。

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60 m、留設20 m的超前距，因此形成一次超前探測的閉環需要1次電法超前探測、鉆探進尺200 m、鉆進凈工作時間約合40 h；此后，巷道掘進60 m后，重復上一輪次的探測工作，周而往復。按照掘進巷道設計長度1 800 m計算，則1條掘進巷道需要開展電法超前探測30次、鉆探施工30次，每次鉆探進尺合計200 m、累計進尺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左右的薄層灰巖層位，施工2個1 800 m沿底板薄層灰巖的定向長鉆孔、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，且不占據巷道掘進的時間和空間，為巷道快速掘進贏得更多的有效掘進時間。

3.3 “長掘長探”的普適性

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

4 結 論

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

(2)常規的 “短掘短探”技術探測距離短且“探鉆分離”“探掘分離”等問題，且與巷道掘進存在工作時間、空間和環境上的矛盾，無法適應巷道快速掘進的地質需要。

(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，具有掘進與探測的平行作業、鉆探與物探一體化施工等突出優勢，可以實現掘進巷道長距離、高精度的地質超前探測，能夠滿足巷道快速掘進的地質需求。

(4)“長掘長探”技術符合《煤礦防治水細則》等規程、規定要求，能夠實現快速掘進巷道的高效率、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是未來煤礦采掘智能化技術的發展方向。今后，隨著傳感器技術、信息技術、計算機技術的不斷進步以及多專業的交叉融合，應該開展隨掘多參數同步測量、隨鉆隨探以及巷道自動寫實等技術與裝備的研發，為煤礦快速掘進巷道的地質透明化提供可靠的地質保障。

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