煤礦井下定向鉆探數字化平臺技術研究

范 強 ，張幼振 ，陳 龍 ，陳 果 ，楊冬冬

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

隨著煤礦開采深度的不斷加大，礦井地質條件更為復雜化，如何保證煤礦生產的高產高效，防范煤礦在開采過程中發生的各類礦井災害，已成為我國煤礦安全高效開采的技術瓶頸之一[1-2]。在計算機技術、自動化控制技術、管理信息化技術和傳感器技術快速發展下，數字化礦山應運而生。數字化礦山通過利用計算機和傳感器技術，將礦山內有用的信息進行數字化存儲、傳輸和深度加工處理，廣泛應用于礦山的生產環節、流程監控和管理決策，進而實現采礦的自動化和智能化，確保礦山生產的高產高效[3-4]。

目前煤礦井下數字化建設主要集中在采、掘、運等生產環節上，采煤機數字化已具備自主定位、自動調高、遠程視頻監控和記憶切割等功能。掘進機數字化在智能截割、智能導航、智能協同控制和遠程智能測控等技術取得了突破。運輸機數字化可實時監測運輸機運行狀態，進行故障定位報警和遠程啟停。相比采、掘、運的數字化建設，煤礦井下定向鉆探數字化發展水平相對較低，如井下定向鉆機參數仍以液壓儀表顯示為主，無法實時存儲。鉆孔施工進度和相關鉆進參數仍以人工記錄為主，無法與地面控制中心實時數據傳輸等[5]。為此，在煤礦數字化建設的大趨勢之下，研究符合煤礦鉆探實際需求的定向鉆探數字化平臺，將煤礦井下鉆機參數、鉆場環境參數和隨鉆測量參數等信息統一管理，實現井下設備的遠程監控、數據實時采集和自動處理以及鉆探過程中的數據分析和挖掘，為數字化礦山建設奠定良好的基礎。

1 現有煤礦井下定向鉆探數字化建設

井下定向鉆探是指在鉆孔施工過程中，利用隨鉆測量系統對鉆孔軌跡實時測量，通過孔底螺桿馬達實現鉆孔軌跡的控制，并按照指定路徑鉆進。數字化是井下定向鉆探智能化實現的基礎，其目的實現井上井下信息共享，并在地面控制中心對鉆機和鉆場環境實現遠程監控。現有煤礦井下鉆探數字化平臺建設可分為隨鉆測量數字化、鉆場環境監測數字化和鉆機監測數字化3 個部分。

1.1 隨鉆測量數字化

隨鉆測量數字化是以定向鉆探軌跡參數的監測和控制信息的數字化為核心，通過井下防爆計算機和軟件工具實現鉆進數據采集和數據傳輸等工作，孔底多參數示意圖如圖1。隨鉆測量數字化從參數測量類型上分為鉆孔軌跡參數測量、工程參數和地質導向參數測量3 個部分：其中軌跡參數包括傾角、工具面向角和方位角等參數；工程參數包括孔底鉆壓、扭矩、轉速等；地質導向參數包括自然伽馬、電阻率等多參數與軌跡參數的組合。

圖1 孔底多參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole bottom multi parameters

1）鉆孔軌跡參數。鉆孔軌跡參數的研究重點主要集中在數據傳輸方式上，具體包括有線傳輸、泥漿脈沖傳輸和電磁波傳輸：①有線隨鉆測量技術是指通過專用的通纜鉆桿將孔底測量信號傳輸到孔口儀器，通纜鉆桿具備傳遞鉆機的扭矩、鉆壓、輸送沖洗液和通過孔口防爆計算機為測量探管供電等功能；②泥漿脈沖傳輸技術以高壓沖洗液為動力，驅動螺桿馬達回轉碎巖鉆進，循環水作為通信介質，中煤科工集團西安研究院（以下簡稱“西安研究院”）研制的YHD3 系列礦用泥漿脈沖隨鉆測量設備，成功應用于山西晉城寺河和成莊煤礦和神東保德煤礦，試驗表明，該裝置具備信號傳輸穩定和信號傳輸距離遠等特點,不僅可以克服有線傳輸對專用鉆桿的限制，還實現對鉆孔軌跡的實時控制和提高鉆孔施工效率[6-7]；③電磁波傳輸通過鉆桿和含煤地層傳遞信息，以低頻電磁波為信號載體，信號傳輸不依賴通纜鉆桿和鉆井液，具有測量時間短和信號傳輸穩定等特點[8-9]，試驗表明鉆孔內泥漿液或泥漿液壓力，不會影響電磁波信號傳輸，但電磁波傳輸對信號的衰減嚴重，通常適用于500 m 以內的定向鉆孔。

2）孔底工程參數。煤礦井下鉆孔施工時主要依靠孔口鉆機上的儀表顯示工程參數，與孔底實際工程參數存在差異，容易導致操作人員誤判和控制滯后。西安研究院研制的YZD-15T 礦用本安型隨鉆多參數測量探管，主要用于對孔底近鉆頭處的扭矩、鉆壓、內外環空壓力、轉速、振動和溫度等工程參數的實時監測，可真實掌握孔底鉆進狀態，為煤礦井下智能化鉆進提供有效的參數控制,提高了煤礦井下鉆探施工的安全性和準確性。

3）地質導向參數。目前國內煤礦行業，鉆孔地質導向隨鉆測量對自然伽馬隨鉆測量裝置研發較多。汪凱斌[10]開發出基于自然伽馬的礦用隨鉆測量儀器，實現了多方位靜態方位伽馬測量和全方位自然伽馬測量，但此儀器只能應用于滑動鉆進測量，不適用回轉鉆進，無法實現方位成像，且工作效率低；陳龍等[11]研制出礦用動態方位伽馬儀器，該儀器采用屏蔽開窗的結構設計，實現單伽馬晶體的8 扇區分區測量，基于三軸MEMS加速度傳感器和三軸MEMS 陀螺儀不同頻率特性，并通過地面和井下試驗，驗證了儀器的準確性。

1.2 鉆場環境監測數字化

井下鉆場環境監測數字化平臺主要分為鉆場視頻信息監控和鉆場數字信息監控2 個部分：鉆場視頻信息監控主要在鉆機操作平臺、鉆桿加卸處、泥漿泵和鉆孔孔口設置攝像儀進行鉆場的視頻監控；鉆場數字信息則是在鉆場上風側、孔口和沖洗液出口等位置設置相應的傳感器，以獲取鉆場安全預警所需的相關參數。通過對鉆場設備和環境的監測，能有效預防煤礦突發事故，保障井下作業人員安全。

王恩元等[12]分析了瓦斯災害的大數據特征，研發了煤礦井下瓦斯災害隱患大數據監測預警云平臺，該平臺能夠將動態信息資源展示在“一張圖”中；高瑞等[13]利用改進RestNet 網絡技術，實時監測打鉆視頻，做到對鉆桿的自動計數。井下鉆場環境監測數字化能夠有效減輕人員的工作壓力并大幅度提高工作效率，利用鉆場視頻和多種傳感器對人員安全、瓦斯突出和煤塵污染等實時監測，有利于礦區的安全生產。

1.3 鉆機監測數字化

鉆機監測數字化由外部傳感器、數據采集器、防爆計算機和顯示軟件組成，鉆機的各項參數均以數字形式顯示。西安研究院研制的ZDY4000LK型等鉆機可實時獲取鉆機的工作狀態及其相關的運行參數[14]，但上述鉆機均無法實現地面遠程監控，且鉆機參數顯示不全，鉆機在處于多粉塵、多水霧的工況下，工作人員不能準確判斷鉆機運行狀態和鉆場環境[15]；王天龍等[16]使用ZDY4500LFK型鉆機在唐家會煤礦井下探放水鉆孔施工時進行地面遠程監測試驗，試驗結果表明，鉆進參數的實時性和準確性滿足了遠程監測的要求，井下和地面之間的通信未出現數據丟失現象，鉆機三維模型和視頻監測畫面流暢。

在煤礦鉆探設備智能化、少人化的發展趨勢下，當前井下鉆探設備監測系統仍存在諸多問題，如多源數據融合監測不足，工作人員可以對隨鉆測量參數、鉆場環境參數和鉆機參數進行實時監測，但數據之間相互關聯不足，數據孤島化嚴重；遠程監控技術不成熟，現場技術人員數據管理仍以紙質作業辦公或Excel 文檔保存為主，地面人員無法實時更新現場鉆探數據；現有鉆孔軌跡展示以二維形式展示為主，對于整個工作面空間鉆孔群的分布情況表現不直觀，同時缺少對鉆場施工設備運行情況、施工進度情況等缺少監控和統計。

2 煤礦井下定向鉆探數字化平臺總體架構

目前，我國井下定向鉆探數字化在隨鉆測量、鉆場環境監測和鉆機監測已經取得了較大進展。結合鉆探施工需求，提出了煤礦井下定向鉆探數字化平臺總體架構，煤礦井下定向鉆探數字化平臺總體架構如圖2。

圖2 煤礦井下定向鉆探數字化平臺總體架構Fig.2 Overall architecture of digital platform for directional drilling in coal mines

煤礦井下定向鉆探數字化平臺以實現對井下設備、環境和人員的智能監控和分析，達到鉆探設備三維場景的呈現、鉆場環境、工程進度管理和設備運行狀態的實時監測，實現煤礦井下鉆場、隨鉆測量數據的基礎數據圖表可視化、作業環境仿真孿生化和邏輯分析智能化等功能。從層次上分為5 個部分：數據來源層、傳輸層、基礎設施層、應用層和終端用戶層。

1）數據來源層。作為井下鉆探數字化平臺數據來源的基礎，數據來源層包含多種傳感器和應用系統，用以獲取鉆孔參數（鉆孔幾何參數、鉆孔地質參數）、鉆機工況參數（回轉速度、鉆進/起拔壓力、轉矩等）和鉆場環境參數（甲烷、一氧化碳、粉塵、攝像頭等）。

2）傳輸層?；诠I環網、WIFI、4G 和5G等技術，通過各軟件硬件接口，將數據來源層的信息上傳到基礎設施層。

3）基礎設施層。包含平臺環境、數據庫存儲以及企業私有云。平臺環境作為礦區提供的軟硬件平臺，如配套計算機、軟件環境等。數據庫存儲為礦區提供的數據中心，從礦區抽取生產、安全和運行信息，進行數據匯總和整理。企業私有云為各子公司數字化平臺提供云計算、云存儲、多業務數據融合分析和異地災備等功能。

4）應用層。應用層接收數據層的信息后，基于客戶機/服務器（Client/Server，簡稱C/S）、瀏覽器/服務器（Brovser/Server，簡稱B/S）等架構模式，在C 端或B 端通過相關數據通信協議與規范進行處理，并實現可視化展示。應用層分類和整合井下所有鉆場的多源數據，實現鉆場、鉆具、地質信息和鉆孔軌跡等三維場景的呈現；實現鉆場基本信息、工程進度信息和工況統計信息的進度管理；實現鉆具實時姿態和工程參數的監測。

5）終端用戶層。該層是對煤礦井下鉆探數字化平臺信息成果的展現，主要包含PC 機、智能終端和大屏幕等不同終端用戶。同時用戶層對后臺數據管理端進行權限設置，針對不同層級用戶，劃分不同權限級別，如決策者、技術員、管理員和訪客等層級。不同權限級別瀏覽的信息也不盡相同，分層展示可以保證數據信息的總覽全局和局部突出。

3 定向鉆探數字化平臺關鍵技術

3.1 多傳感器數據融合技術

多傳感器數據融合技術是將煤礦井下布置的各類傳感器（如溫度、瓦斯、風速、孔底軌跡參數等）進行綜合處理分析，彌補單一傳感器對礦井狀態判斷的局限。井下數字化平臺通過多傳感器參數的采集，更全面反映了煤礦井下定向鉆探所需的信息，提高了數字化平臺系統的可靠性和穩定性。

多傳感器數據融合技術在我國煤炭安全預警領域得到長足發展，通過不同傳感器的相互聯系和補充，能更準確地判斷鉆場環境狀態。史俊茹[17]采用特征層和決策層2 層數據融合設計井下安全預警模型，采用基于D-S 證據理論改進算法，在決策級實現多傳感器信息融合，通過仿真試驗證實了該融合算法的可行性；SI 等[18]利用多傳感器融合技術，將煤礦井下環境各指標參數進行融合，從而獲得更加準確的預警信號；孟廣瑞等[19]通過搭載多傳感器實現可移動巡檢機器人的自主導航避障和危險氣體的監測。

現有煤礦井下定向鉆探數字化平臺，以多傳感器數據融合技術為基礎，集中處理鉆孔軌跡參數、工程參數、鉆機參數、環境參數和地質信息等，有效的運用自動控制技術、系統集成技術和數字孿生技術，為實現煤礦井下定向鉆探智能化奠定基礎。

3.2 遠程交互技術

煤礦井下工作環境惡劣，人員在鉆探過程中會受到礦山災害威脅，井下設備的運行對人員依賴程度較高，導致井下工作人員勞動強度大和工作時間長。遠程交互技術的應用可以降低人員的工作風險和勞動強度，提高生產效率和質量。煤礦井下遠程交互技術主要有以下幾種應用方式：

1）語音與數據通信。井下工作者與地面指揮中心，通過煤礦工業環網、無線電或其他通信設備實現信息的實時傳遞、施工情況匯報和緊急救援等。隨著煤礦數字化建設的不斷推進，除語音通信外，井下視頻監控、環境監測和遠程遙控作業等對無線通信系統在帶寬、延遲率等方面提出更高的要求?；诰鹿I環網，在井下配置無線Mesh 網絡節點、WiFI 無線基站、4G 無線基站和5G 無線基站等，實現井下數據統一采集、設備統一維護和業務統一管控。目前煤礦井下以4G和WiFi 無線通信系統為主，5G 和WiFi6 無線通信系統處于起步階段。

2）遠程監控系統。通過物聯網、傳感器、控制系統等技術，實現對煤礦井下鉆場設備、環境等各項參數（如氧氣體積分數、溫度、濕度等）的實時監控，并實現井下設備的遠程控制。井下定向鉆機遠程監控系統軟件采用B/S 架構，通過數據中心對數據索引、結構分析和規范化處理形成數據服務，在B 端以三維和圖表等形式實現鉆探數據可視化。

3）虛擬現實技術。虛擬現實技術可以彌補鉆探視頻監測時，因鉆場環境容易出現水霧大、粉塵大等不利于視頻監測的缺陷。虛擬現實技術將煤礦井下的場景和設備轉化為數字形式，讓管理人員通過終端設備在虛擬環境中實時監測和控制井下設備，提高鉆探效率和安全性?，F有虛擬現實技術在鉆探領域的應用較少，國內井下定向鉆探以功能實現為主，鉆進參數主要以液壓儀表顯示。

4 工程實踐

中煤科工集團西安研究院應用了煤礦井下定向鉆探數字化平臺，配套ZDY12000LD 型定向鉆機在阿拉善天榮煤礦井下成功施工應用，進行了9 個探放水鉆孔施工時孔底隨鉆參數和鉆場環境參數的遠程地面監測。數字化平臺界面和功能如圖3。

圖3 數字化平臺界面和功能Fig.3 Digital platform interfaces and functionality

定向鉆探數字化平臺實現的主要功能有：①通過記錄鉆探設備運行狀態，自動以圖表的形式統計每班、每日、每周和每月的施工工作量，并根據不同用戶權限導出不同用戶所需要的施工信息報表；②結合隨鉆測量儀器和數據模塊，實時采集孔底隨鉆數據，利用數字孿生技術實時呈現不同鉆具和測量系統的三維展示；③運用多傳感器數據融合技術，將視頻監控、瓦斯體積分數傳感器、一氧化碳體積分數傳感器和溫度傳感器進行數據采集融合。通過視頻監測和數字信息監測實時獲取鉆場環境信息，聚焦鉆探過程和鉆機運行狀態。

試驗結果表明，軌跡參數、工程參數和鉆場環境參數準確性和實時性滿足現場施工需求。鉆探數據全過程記錄，可隨時查詢、分析和追溯。鉆孔設計軌跡和鉆孔實鉆軌跡的三維展示準確，能直觀反映兩者軌跡偏差。同時鉆場視頻監測效果流暢，未出現明顯卡滯，符合定向鉆探遠程監測的要求。

5 發展趨勢

雖然煤礦井下鉆探數字化平臺已經取得了眾多的成果與突破，但在孔底多參數一體化測量技術、智能導向鉆進技術和智能診斷技術等方面仍需加強研究。

1）孔底多參數一體化測量技術。煤礦井下鉆探過程中，因儀器安裝空間狹小和工作環境惡劣，目前仍以鉆孔軌跡參數測量為主。軌跡參數、工程參數、伽馬參數和電阻率參數等未實現一體化測量，各參數信息仍需不同的探管獲得。綜合考慮各類傳感器的安裝布局，通過對測量探管結構的優化設計，集成各類參數傳感器，保證測量探管的整體強度。

2）智能導向鉆進技術。由于鉆具自重、地質條件、鉆進參數、鉆進工藝和人員等因素，實際鉆孔軌跡和設計軌跡會產生一定的偏離，從而影響瓦斯抽采和防治水的效率等。根據多傳感器實時獲取的孔底鉆探參數，在遠程控制中心利用人工智能算法技術，實時分析隨鉆測量軌跡參數、地質參數和工程參數，實現鉆孔軌跡的動態調整和優化。

3）智能診斷技術。由于鉆探設備系統復雜，設備中的故障可能由多種原因共同導致，各類故障對系統存在交錯作用，對復合故障存在排除困難等問題。智能診斷技術通過多傳感器對鉆機各項參數進行實時監測和采集處理，提取故障特征和預設失效判據比對鉆機的實時狀態信息，判斷是否存在故障，并根據選定參數的閾值對故障進行報警，實現鉆機故障的早期預警和診斷。

6 結 語

煤礦井下鉆探數字化平臺的研發應用可為數字化礦山建設奠定良好的基礎。從隨鉆測量數字化、鉆場環境監測數字化和鉆機監測數字化3 個方面分析了現有煤礦井下鉆探數字化平臺的國內研究現狀；結合當前煤礦井下智能鉆探實際需求，設計了煤礦井下定向鉆探數字化平臺總體架構，分析了定向鉆探數字化平臺關鍵技術；指出了煤礦井下定向鉆探數字化發展趨勢，為我國煤礦井下鉆探數字化發展提供參考和借鑒。