煤礦井下智能化鉆探配套鉆具研究進展

高曉亮

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

近年來，煤礦企業提升生產效率的主要方式為提升裝備自動化水平，推進煤炭開采智能化。截至2021 年底，全國已建成智能化采掘工作面813 個，其中，采煤面477 個，掘進面336 個。已有29 種煤礦機器人在370 余處礦井現場應用。煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，對實現煤礦減人、提效、保障安全，促進能源低碳轉型具有重要意義[1]。在煤礦井下瓦斯抽采、探放水以及沖擊地壓防治等鉆孔施工過程中，煤與瓦斯突出、頂底板涌水和高沖擊低壓導致的頂板動力災害，成為威脅作業人員人身安全的主要危險源。為保障作業人員安全，行之有效的方法是最大限度地減少危險崗位作業人員，因此發展基于無人化或少人化煤礦井下智能化鉆探技術成為現階段亟需解決的問題[2]。李泉新等[3-4]提出了煤礦智能化鉆探的發展路徑，即圍繞精準導向系統與高精度隨鉆測量系統，發展智能決策與自動控制系統，實現煤礦井下雙向通信、自主決策、自動控制相集成的閉環鉆進系統。王清峰等[5]提出從鉆孔設計、自主導航與定位、工況感知、質量評估等方面實現智能化，依靠智能鉆孔機器人，實現煤礦鉆探從設計到質量評估的全過程智能化。

作為智能鉆探的主要組成部分，智能鉆探鉆具系統是以自動化鉆探為基礎，對從鉆頭到孔口設備中的孔底破巖、定向鉆進、數據采集、信號傳輸等過程進行全程監測，并融合相關數據在統一的平臺上進行互動，共享數據，并基于相關數據進行分析，依靠人工智能做出最優決策，控制孔內鉆具以調整鉆頭姿態、改變鉆進軌跡、優化鉆進參數，從而實現閉環鉆進[5-6]。其主要包括智能化鉆頭、定向(導向)鉆具、智能化鉆桿、隨鉆測量系統、信號傳輸系統。通過分析智能鉆探鉆具系統的組成，從定向鉆具、測量系統與鉆桿鉆頭等方面對國內外現狀進行梳理、研究，查明煤礦井下智能化鉆探配套鉆具研究現狀，并通過對比分析，提出存在問題與發展趨勢。

1 定向鉆具

定向鉆具是智能鉆探鉆具系統的重要組成部分，起到控制鉆進方向的作用，是智能鉆探鉆具系統的主要執行機構，目前常用的主要有螺桿馬達與旋轉導向鉆具。

1.1 螺桿馬達

螺桿馬達是一種容積式馬達，其依靠水力驅動改變馬達內部的容積驅動馬達旋轉。馬達前端設置彎接頭，用于鉆頭的定向，廣泛應用于石油、地質、煤炭等鉆探領域[7]。

經過多年的研究，螺桿馬達技術已日趨成熟。現階段關于螺桿馬達的研究，主要在于提高其轉矩、轉速等輸出性能、延長使用壽命、開發特殊工藝及地層的新型螺桿馬達等。黃超[8]、陳欣[9]、趙娜[10]等采用數值分析方法，對螺桿馬達線形進行優化，進一步提高線形連續光滑性能，降低了最大相對滑動率與綜合曲線率，增大了過流面積。張士明[11]、陳逸珂[12]、邵增元[13]等通過分析定子襯套的熱應力分布和位移變化規律，優化橡膠襯套性能、加工工藝及配合間隙，提高馬達壽命。屈文濤等[14]為徹底解決橡膠襯套對螺桿馬達壽命的限制，設計了全金屬螺桿馬達，通過線型分析，選用普通內擺線等距線型，同時將金屬螺桿馬達定、轉子間的配合關系由過盈配合改為間隙配合，并仿真分析了間隙值、鉆井液性能等參數對馬達性能的影響。

等壁厚螺桿馬達是螺桿鉆具行業的前沿技術之一，等壁厚螺桿馬達定子橡膠層的厚度是均勻地硫化在定子外殼的螺旋曲面上的，如圖1 所示，由于橡膠層厚度均勻，等壁厚螺桿馬達具備以下優點[15]：一方面，等壁厚螺桿馬達具備更好的熱傳遞性能，解決了常規螺桿馬達由于散熱不及時導致的橡膠襯套熱損傷問題，同時能適應更高的孔內溫度；另一方面等壁厚保證橡膠膨脹均勻，即使高溫條件，馬達線形也能夠得到一定保證。韓傳軍[16]、祝效華[17]、郝榮明[18]、王可[19]等對等壁厚螺桿馬達襯套進行了分析試驗，并建立了相關的力學計算模型，發現等壁厚螺桿馬達橡膠襯套具備更好的抗壓能力及密封性能。

煤礦領域多針對不同鉆進工藝對螺桿馬達進行個性化設計。劉建林等[20]針對煤礦定向鉆進特點，結合等壁厚螺桿馬達優點，研制了礦用?73 mm 等壁厚螺桿馬達，經測試其性能較常規螺桿馬達顯著提升；張杰等[21]針對碎軟煤層空氣鉆進特點，開發了軟煤鉆進用空氣螺桿馬達，其啟動壓力低，輸出效率高，滿足了軟煤空氣定向鉆進需求，并在各大礦區進行了推廣，取得了良好的應用效果；王四一等[22]針對常規單彎螺桿馬達鉆進硬巖層時效率低的問題，采用在馬達萬向軸與鉆頭之間增加沖擊機構的方法，研制了沖擊螺桿馬達，其具有沖擊和定向雙重功能，鉆進效率較常規單彎螺桿馬達提高20%～30%，其結構如圖2 所示。

圖2 沖擊螺桿馬達結構Fig.2 Schematic diagram of the structure of the impact screw motor

1.2 旋轉導向鉆具

旋轉導向系統是20 世紀90 年代作為替代螺桿馬達研發的一種新型定向鉆井工具，與螺桿馬達滑動鉆進定向相比，其鉆進時鉆具整體旋轉，有效解決了滑動鉆進鉆孔清洗不好，易形成巖粉墊、鉆桿落在孔壁下方、摩擦阻力大、鉆壓傳遞困難、易發生卡鉆等問題。目前，旋轉導向的應用主要集中于石油領域。國內外各大油服公司都相繼開發了旋轉導向鉆具，主要包括推靠式和指向式兩種[23]。

1)推靠式

推靠式旋轉導向鉆具的工作原理如圖3 所示，其偏置裝置通常由液壓驅動，在鉆井過程中，液壓缸向導向翼肋施加推力作用于井壁，井壁對翼肋的反作用力的合力使鉆頭發生偏轉，從而控制鉆井軌跡。當鉆頭傾角和方位角與預設一致時，導向翼肋保持恒定的伸縮長度，不再對井壁施加推力，井眼曲率不發生改變。

圖3 推靠式旋轉導向系統偏置原理Fig.3 Bias principle of push to bit RSS

根據導向工具外筒是否旋轉，推靠式旋轉導向系統分為動態推靠式和靜態推靠式兩種。動態推靠式旋轉導向系統以斯倫貝謝公司的PowerDrive 系統為代表。斯倫貝謝公司推出了一種近鉆頭導向系統(NeoSteer At-Bit Steerable System,ABSS)，采用全旋轉動態推靠式導向機理，但推靠執行機構直接作用在鉆頭處，使鉆頭姿態調整更為容易。近鉆頭推靠式工具有兩種結構：一種是導向機構與鉆頭分離式 NeoSteerCLx ABSS，另一種是導向機構與鉆頭一體式 NeoSteer CL ABSS，如圖4 所示。

圖4 NeoSteer 近鉆頭導向系統Fig.4 NeoSteer ABSS

靜態推靠式旋轉導向系統以貝克休斯公司的AutoTrak 系統為代表。AutoTrak 系統的外套不旋轉，依靠旋轉心軸連接鉆桿鉆頭，傳遞鉆壓扭矩。不旋轉外套上設置有推靠機構，并具備決策和控制功能。AutoTrak 系統的不旋轉扶正器滑套鉆進中相對靜止，確保鉆頭可以沿著特定的方向鉆進。目前其較為先進的AutoTrack Curve 系統在傳統導向系統的基礎上，對導向機構以及水力參數進行重新設計，增大了導向機構的適應性，對不同地層均能提高其造斜能力，能夠實現用一套鉆具、一趟鉆鉆穿造斜段、穩斜段、著陸段和水平段。

2)指向式

指向式旋轉導向系統以哈里伯頓公司的GeoPilot 為代表，其偏置原理如圖5 所示。該系統不依賴偏移鉆頭進行轉向，也不旋轉外筒。依靠中間的一組偏心環偏置旋轉心軸，使鉆頭具有與井眼軸不一致的傾斜角，產生轉向效果[24]。

圖5 指向式旋轉導向系統組成及偏置原理Fig.5 Bias principle and compose of point to bit RSS

2021 年，哈里伯頓公司發布了iCruise 智能旋轉導向系統，該系統更新了更先進的轉向機構，與傳統系統相比，能夠適應更高溫度，且轉向動力更大，轉速可達400 r/min，造斜率可達18(°)/30 m。該智能旋轉導向系統配備6 個高速處理器，可進行三刀面測量，測量速度可達1 000 次/s，配合LOGIX 自動化鉆井平臺，能夠實現實時自動鉆井，提供更快、一致和可重復的鉆井功能。

國內旋轉導向系統的研究單位以中海油、中石油、中石化以及相關高校為主，相關研究以靜態推靠式為主，大多處于樣機試制階段，具體研究單位及相關樣機參數見表1。

表1 國內各旋轉導向系統研究現狀Table 1 Status of rotary steerable systems in China

煤礦井下旋轉導向系統起步晚，研究相對較少，主要是石油行業旋轉導向系統的小型化。“十三五”期間，中煤科工西安研究院(集團)有限公司研制了國內首套煤礦井下用小直徑旋轉導向系統，采用推靠式結構，造斜率22(°)/100 m，可實現旋轉狀態下鉆孔軌跡的自動糾偏，該系統在內蒙古唐家會煤礦進行了現場試驗，完成了2 個800 m 鉆孔。袁子航[25]結合礦用小直徑旋轉導向鉆具結構特點，對旋轉導向鉆進軌跡控制技術展開研究，為小直徑旋轉導向鉆進系統應用于煤礦井下定向鉆孔施工提供了技術支持。

2 隨鉆測量系統

隨鉆測量系統是指在鉆具上布設各種傳感器，實現在鉆進中實時監測各種地層參數、鉆井參數的系統。目前常用的隨鉆測量系統一般由數據采集系統、信號傳輸系統兩大部分組成。數據采集系統，為一段安裝在近鉆頭端的無磁短節，以防止磁性元件對內部測量元件的干擾。通過無磁短節內的各測量元件，采集鉆進需要的相關數據。信號傳輸系統在鉆進過程中將采集的數據處理后，通過有線或者無線的方式傳輸到孔口，通過孔口數據分析，反饋給操作人員進行判斷，從而實現鉆進過程的隨鉆測量。圖6 為貝克休斯Auto-Trak G3 旋轉導向系統測量模塊。

圖6 貝克休斯AutoTrak G3 旋轉導向系統測量模塊Fig.6 Measurement module of AutoTrak G3 RSS of Baker Hughes

2.1 數據采集系統

目前石油行業數據采集系統經過多年的發展，測量的數據較多，主要包括地層參數、工程參數以及軌跡參數三大類，具體測量參數如圖7 所示。

圖7 數據采集分類Fig.7 Classification of data collection

國外大型油服公司的隨鉆測量產品主要有8 種約20 個系列，能夠測量的參數達30 多項，可以滿足各種井身結構及鉆井方式的需要。貝克休斯公司的NaviGator 系統，可以測量井斜、電阻率、方位、伽馬射線等參數。斯倫貝謝公司的 EcoScope 系統，主要用于測量鉆頭參數，包括鉆孔直徑、環空壓力、振動等工程參數，同時可監測地層密度、孔隙度以及伽馬射線、電阻率等參數。哈利伯頓公司的 ABI 系統，也能實現近鉆頭處的井斜、伽馬、電阻率等參數的測量[26]。

煤礦井下隨鉆測量系統一般僅對傾斜、方位、工具面等空間軌跡參數進行測量，逐步加入了伽馬地層識別功能。石智軍[27]、劉京科[28]等采用靜態方位伽馬方式，比對含煤地層自然伽馬，識別煤層與巖層的分界面，以指導順煤層鉆進。西安研究院在靜態伽馬基礎上，采用動態方位伽馬進行測量，實現復合鉆進工況下動態方位伽馬數據實時采集與成像，可實時辨認地層分界，為導向鉆進提供依據。

2.2 信號傳輸系統

隨鉆測量的信號傳輸方式分為有線、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、光纖等技術[29-30]。其中，聲波通信傳輸速率高，但鉆桿對聲波的衰減比較大，無法實現遠距離傳輸；光纖數據傳輸等技術目前尚處于理論研究階段[31]，應用比較成熟的無線傳輸為泥漿脈沖和電磁波傳輸。

1)有線傳輸

有線信號傳輸系統主要通過在鉆桿中埋設的纜線傳遞數據，其數據傳輸可靠，傳輸速度快，傳輸數據量大，西安研究院通過多年技術積累，研制了多種型號有線隨鉆測量系統[32]，其供電方式也由電池供電轉變為孔口防爆計算機供電，目前煤礦有線隨鉆測量系統實鉆最大傳輸距離達2 311 m[33]。

2)泥漿脈沖傳輸

泥漿脈沖式信號傳輸系統，采用泥漿脈沖發生器將測量的數據轉換為泥漿壓力的變化，進而傳遞到孔口，如圖8 所示，高壓和低壓分別代表“0”“1”二進制信號，在石油和天然氣鉆探領域應用比較成熟。近年來，為了解決煤礦井下有線信號傳輸技術存在的必須配備通纜鉆桿從而導致鉆桿強度低、通水量小的問題，泥漿脈沖無線傳輸技術被引入到煤礦井下。西安研究院研發了泥漿脈沖無線隨鉆測量系統[34]，可與常規普通鉆桿配套使用，測量精度達到了有線隨鉆測量技術同等技術水平[35]，目前煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量系統實鉆最大傳輸距離達3 353 m。

圖8 泥漿脈沖發生器原理Fig.8 Schematic of mud pulse generator

3)無線電磁波傳輸

無線電磁波信號傳輸系統是利用電磁波作為媒介，實現信號的傳輸，主要由孔內測量儀器和孔口接收裝置組成，測量原理如圖9 所示。該技術不依賴通纜鉆桿和流體介質，具有傳輸速率高，可用于氣體鉆進等優點，在石油領域應用成熟，最大垂直傳輸深度可到3 000 m 以上。中國地質大學(武漢)王家豪基于經典電磁理論，建立了井下EM-MWD 電磁傳輸信道模型，結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，包括煤巖層導電性、發射信號頻率、鉆桿電阻率、鉆桿長度對接收信號電壓的影響規律。西安研究院、重慶研究院、河南理工大學[36]等單位研發了電磁波無線隨鉆測量系統，該系統利用孔內鉆具與地層作為無線信號傳輸介質，不再依靠通纜鉆桿傳輸，可用于空氣鉆進工藝，為我國碎軟煤層定向鉆進提供了新的技術方法。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備電磁干擾，井下傳輸距離有限，一般適用于500 m 以內的定向鉆孔施工。

圖9 電磁波傳輸Fig.9 Schematic diagram of EM-MWD transmission

3 智能化鉆桿與鉆頭

3.1 智能化鉆桿

在鉆探施工中，鉆桿不僅起到傳遞鉆壓、扭矩，提供鉆井液通道的作用[37-38]，在有線隨鉆測量系統中，還具有傳遞信號的功能。目前對智能化鉆桿的研究，多特指為通纜鉆桿，即在鉆桿中孔或側壁嵌入纜線，以實現電能和信息的傳輸。根據鉆桿接頭連接傳導方式的不同可分為磁耦合連接和接觸連接。

1)磁耦合連接

美國Intelliserv 公司最早提出了智能化鉆桿的概念，2003 年，J.J.Michael 等[39-40]研制了一種通纜鉆桿，如圖10 所示，該鉆桿在鉆桿內壁上埋設有導線，接頭處連接導電環，兩導電環連接后采用磁感應傳遞信號。

胡永建等[41-42]研制了一種磁耦合有纜鉆桿，其傳輸速率達到 100 kb/s，并通過信道建模與模擬分析等方式對其進行了優化，目前已經在吉林油田、大慶油田等進行了現場試驗。

2)接觸連接

石崇東等[43]提出了智能化鉆桿的方案，通過金屬面密封或彈性元件連接置于鉆桿內的銅導線，從而實現整個鉆具的有線導通。劉選朝等[44]采用有線接觸連接方式設計了智能化鉆桿的電力與信息傳輸系統，可實現電力與信息的同線同步傳輸。

煤礦井下定向鉆進用隨鉆測量系統自研發之初便采用通纜鉆桿傳輸信號和電能，目前通纜鉆桿技術日趨成熟，廣泛應用于煤礦井下定向鉆進施工中。田東莊[45]、燕南飛[46-47]、呂晉軍[48]等通過對定向鉆進配套鉆具工作條件分析，研制了中心通纜鉆桿，并廣泛應用于煤礦井下有線隨鉆測量施工。朱寧[49]針對空氣復合定向鉆進需要低壓耗、大風量驅動空氣螺桿和高效排渣要求，優化設計鉆桿間信號傳輸結構與支撐結構，設計了大風量有線隨鉆測量螺旋鉆桿，滿足了空氣復合定向鉆進技術要求。馬少明等[50]發明了一種隨鉆測量用多通道并聯式穿線鉆桿，如圖11 所示，該鉆桿通過多個并聯式的電纜通道實現孔底供電和信號傳輸的分離，提高信號傳輸的可靠性和穩定性。

圖11 多通道并聯式穿線鉆桿Fig.11 Schematic diagram of multi-channel parallel threading drill pipe

3.2 智能化鉆頭

智能化鉆頭主要是指鉆頭在破巖過程中能夠獲取自身工作狀態參數，并通過數據分析與處理，調整自身形態與鉆進參數，更好地適應孔底環境與鉆遇地層，以期獲得最優鉆進效率[51-52]。A.Leseultre 等[53]提出了一種多傳感器的鉆頭，可在鉆進過程中采集鉆進參數，感知孔底環境，為其自身形態調整奠定了基礎。A.L.Sinor 等[54]提出了一種可以調整切削齒單齒加載力的鉆頭，鉆進過程中可調整切削深度以適應地層特性。王以法[55]構想了一種具備參數測量、數據分析處理與通信以及自身形態控制的智能化鉆頭。以上鉆頭目前處于概念階段，未進行試制與現場試驗。貝克休斯公司發布的TerrAdapt 鉆頭是行業內第一款自適應鉆頭，如圖12 所示，該鉆頭通過安裝在冠部的機械卵形元件，可以根據鉆遇地層特性調節切削齒的切削深度，以最優切削深度，防止鉆頭振動、黏滑和孔底巖石對鉆頭的沖擊，從而獲取最優鉆速與最長鉆頭壽命[56]。哈里伯頓公司也推出了自適應鉆頭-CruzerTM 深切削滾珠元件鉆頭，具備根據孔內參數調整鉆進參數的功能，可采用低扭矩實現高機械鉆速鉆進[57]。

圖12 TerrAdapt 自適應智能化鉆頭Fig.12 TerrAdapt adaptive intelligent drill bit

吳澤兵等[58]采用 BP 神經網絡學習算法建立了巖性識別模型，并設計了一種新型可伸縮式 PDC-孕鑲金剛石耦合仿生智能化鉆頭，通過仿真分析表明BP 神經網絡模型對巖性的識別精度非常高，有利于合理選擇鉆頭類型、及時調整鉆井參數和提高鉆井效率。

4 存在不足與發展趨勢

目前智能鉆探鉆具系統仍處于發展初期，諸多關鍵基礎理論與核心技術尚待突破。其中，歐美等發達國家的智能鉆探鉆具技術研究已取得了一定進展，以三大油服為主導的智能閉環鉆具系統已初具規模，取得較好的現場應用效果，驗證了智能鉆井技術的可行性和適應性。國內仍處于起步階段，智能化鉆探鉆具研究水平與國外存在一定差距，但是以中石油、中石化、中海油為主導的大企業已聯合高校開發了旋轉導向系統、隨鉆測量系統，并日趨成熟，但是在閉環智能鉆進系統集成方面還亟待攻關。

4.1 存在不足

煤礦井下智能鉆探主要用于巷道內近水平鉆進，鉆具尺寸小、鉆孔彎曲度大、鉆遇地層更為破碎，同時要求相關元器件具備防爆功能，石油行業先進成熟技術難以直接應用，因此需要突破智能鉆探關鍵鉆具技術，形成以導向鉆具、隨鉆測量鉆具、智能化鉆桿與智能化鉆頭為核心鉆具的智能鉆具體系，為煤礦井下鉆探智能化、無人化提供技術支撐。對標石油行業，在定向鉆具、隨鉆測量系統、鉆桿鉆頭研究方面存在以下不足。

(1)煤礦井下定向鉆具目前主要以螺桿馬達為主，創新發展方面主要針對螺桿馬達的個性化改型、定制，對螺桿馬達的線形設計、橡膠襯套的抗疲勞、增強壽命研究相對較少；旋轉導向系統方面僅西安研究院研制了小尺寸推靠式旋轉導向系統，對不同類型的旋轉導向系統，未進行適用性研究與小型化改型。

(2)隨鉆測量系統在數據采集方面除了鉆孔軌跡參數、工具面參數，目前僅進行了煤巖交接面的伽馬識別，采集的參數較少，對于傳輸方式，大多依靠傳統的泥漿脈沖、有線以及無線電磁波的傳輸方式，泥漿脈沖存在數據量小，依靠水的缺點，無線電磁波傳輸距離局限在500 m 的缺陷。

(3)智能化鉆桿研究主要集中在通纜鉆桿的優化改進方面，未對電磁耦合等新型傳輸方式開展研究，另外對鉆桿自身狀態監測未進行研究；智能化鉆頭方面研究投入過少，對鉆頭破巖指導相對較少，不能指導鉆機端對鉆頭破巖參數進行優化。

4.2 發展趨勢

借鑒石油行業智能鉆井鉆具系統發展方向，煤炭行業一方面應開展基于旋轉導向系統的閉環智能鉆進鉆具系統，同時應根據本行業需求，在煤礦井下瓦斯抽采、探放水、沖擊地壓防治等鉆探施工中，加入孔內瓦斯監測、煤礦水害超前探測以及地層應力監測等方面內容，進一步保障煤礦鉆探安全、綠色、高效施工，具體表現在以下方面：

(1)開展以旋轉導向為主，多種定向鉆具并存的定向鉆具研究。從現有技術來看，智能鉆探鉆具系統的核心依舊是旋轉導向系統，煤礦井下鉆探以水平、近水平鉆孔為主，旋轉導向技術在防止巖屑沉積，超深鉆孔鉆壓傳遞等方面較滑動鉆探具備較大優勢，因此，應開展高精度旋轉導向鉆具的研制，以此為基礎配合隨鉆測量系統，形成孔口與孔底雙向通信的全閉環智能鉆探鉆具系統。另外，旋轉導向系統的研究并非一蹴而就，煤礦井下定向鉆進在一個時期內，主要定向方式應該以螺桿馬達為主，因此，應繼續開展螺桿馬達的研究，一方面，針對煤礦井下地層特點，開展螺桿馬達線形優化，提升螺桿馬達能力與適用性。另一方面，優化螺桿馬達襯套橡膠性能，開展全金屬螺桿馬達研究，提升螺桿馬達使用壽命。

(2)開展具備煤礦特色的孔內多參數監測與多種傳輸方式并存的隨鉆測量系統研究。隨鉆數據采集方面，除應對鉆孔軌跡、工具面等鉆孔參數進行監測外，還應對鉆具工作狀態、地層參數進行監測，為智能鉆探決策系統提供依據，進而自動優化鉆孔軌跡與鉆進參數。另外，煤礦智能鉆探施工主要針對瓦斯抽采、探放水、沖擊地壓防治等方面，因此，在隨鉆測量系統方面，應在近鉆頭端增加瓦斯監測、地下水超前探測以及地層壓力感知功能，并及時反饋給智能鉆探系統，防止鉆探事故及災害的發生。在孔內信號傳輸方面，一方面應持續優化現有有線傳輸方式，開展獨立多通道傳輸方式研究，實現孔口與孔底的雙向通信，為智能鉆探的實現提供通信基礎；另一方面，應針對常規鉆進和空氣鉆進，分別開展高速無線傳輸技術。通過優化泥漿脈沖發生器及相關元件，提高泥漿脈沖傳輸的實時性與數據傳輸效率；通過聲波、電磁波傳輸技術的研究，以更高精度、更快速度地傳遞日趨增大的數據量，并通過增加中繼器等方式，提高其傳輸距離，進而滿足更深空氣鉆進的需求。

(3)開展具備自身性能監測的智能化鉆桿與破巖參數監測的智能化鉆頭。由于煤礦近水平施工特點，鉆桿尺寸小，受力復雜，更容易出現斷鉆、埋鉆等事故，因此，應開展鉆桿自身狀態監測，實時監測鉆桿受力狀態、疲勞程度等，及時更換或調整鉆桿狀態，防止因斷鉆導致孔內鉆具系統掉落等事故發生。鉆頭是鉆具系統的最前端，其工作表現直接影響鉆探施工效率。因此，應開發具備自身工作狀態監測并能及時調整的智能化鉆頭，一方面監測地層、溫度、沖洗液以及鉆壓、轉速等鉆頭端數據，另一方面監測自身工作溫度、切削齒狀態及自身受力狀態，并根據以上數據調整切削齒，滿足不同工作狀態需求，進而提高鉆進效率與壽命。

5 結論

a.目前，煤礦井下智能化鉆具研究處于起步階段，定向鉆具以螺桿馬達為主，主要研究集中于螺桿馬達的線形設計、定子橡膠抗疲勞研究與不同工藝個性化定制；隨鉆測量系統可監測參數較少，以軌跡參數為主，數據傳輸以有線與泥漿脈沖方式為主；智能化鉆桿研究主要為通纜鉆桿的優化與改進，智能化鉆頭的研究尚未開展。

b.煤礦井下智能化鉆探用配套鉆具的發展應從以下方面展開：開展多種結構形式的旋轉導向鉆具研究，豐富煤礦井下隨鉆測量系統數據種類，針對不同鉆進工藝開展與之相適用的不同數據傳輸方式并增大其傳輸距離與傳輸速度，完善具備高速傳輸通道的智能化鉆桿與自適應智能化鉆頭的研究。

c.根據煤礦鉆孔施工需求，煤礦井下智能鉆進配套鉆具系統發展應解決以下問題：多結構形式近鉆頭端旋轉導向鉆具的設計開發，具備鉆進過程中瓦斯、地下水、地應力等多參數實時監測的隨鉆測量系統的開發，具有自身工作狀態監測的智能化鉆桿、智能化鉆頭研發，最終形成具備雙向通信、能夠根據相關參數進行分析、優化、決策的閉環鉆進系統。