淮南矿业集团潘一矿 安徽淮南 232082
摘要：我国国民经济和社会发展“十三五”规划纲要明确要求加快推进煤炭无人化开采。我国煤矿瓦斯灾害严重，事故多发，近5年瓦斯事故起数占煤矿重大事故起数的60%以上，死亡人数1071人。瓦斯抽采是瓦斯防治的根本措施，目前井下以抽采为主，钻孔工程量大、施工人员多、劳动强度大。开发以钻孔机器人为主的智能化、无人化关键技术装备是未来我国煤矿井下瓦斯智能抽采的发展方向。
关键词：煤矿井下；瓦斯抽采钻孔；施工技术
［引言
瓦斯事故灾害是我国煤矿生产的六大灾害之首，严重影响矿井安全生产。随着矿井开采深度和强度的不断加大，工作面瓦斯涌出量不断增加，瓦斯涌出异常导致工作面瓦斯超限，成为矿井生产过程中的重要安全隐患。
1瓦斯抽采钻孔技术实施的主要装备
1.1钻机
钻机是瓦斯抽采钻孔技术实施的主要动力来源，借助发动机将机械能转换为动能，带动外部钻头转动，实现瓦斯抽采技术元件做功。如图1为瓦斯抽采钻孔技术施工环境图。通过对钻机部分做功效果的不断分析，瓦斯抽采钻机已改良为全液压动力式钻机，与传统气缸做功设备相比，能够通过发动机内部液体比重的调整，实现钻机做功的动力传输量的灵活调节，其做功效果更好。同时，瓦斯抽采钻孔技术中应用的钻机，逐渐向着分体式钻机的方向转换，分体式钻机能够在保障井下基础设备正常做功的同时，将部分设备转移到井上来，使瓦斯抽采钻孔技术的应用更加灵活。
图1 瓦斯抽采钻孔技术施工环境图
1.2钻杆
钻杆也是煤矿井下瓦斯钻孔处理的设备，在钻孔挖掘技术中主要用于煤矿开采挖掘的连接与传输。钻杆内部采用数字化程序控制为主，外部采用摩擦焊接工艺为主。当内部程序按照控制命令进行区域钻孔运动时，外部摩擦焊接部分，则承担钻孔部分瓦斯密度增加后的压力，确保煤矿开采口承担的重力相对平衡，确保井下煤井钻孔传输过程中，瓦斯应用的安全性。在进行井下操作时，应注重钻杆的外部承载力分析、以及内部动力系统命令传输的灵活性，达到充分发挥瓦斯抽采钻孔技术在煤矿井下开采调节的作用。
1.3钻头
煤矿开采的外部环境主要为火成岩或者变质岩，矿井内部开采的坚硬程度较高。钻头是瓦斯抽采钻孔技术实施的主要受力部分，如果瓦斯抽采钻孔施工中所应用的钻头质量较差，很容易出现矿井中瓦斯残留的问题，对于后期煤矿井下开采工作将留下较大的施工隐患，煤矿井下开采中应用的钻头选择上应首先注重其硬度。
2煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术
2.1顺层瓦斯抽采钻孔施工技术
在煤矿生产的时候，尤其是高突矿井，从利用和治理瓦斯的角度来考虑，经常要在煤层中布置好钻孔来抽采和释放瓦斯，用来确保生产活动中的安全。在钻孔中一般根据目的分为两类，分别是：为煤层回采服务的预抽瓦斯顺层长钻孔和为巷道掘进服务的预抽瓦斯顺层长钻孔。前者一般沿采煤工作面上、下顺槽向工作面中间施工布置长钻孔，其间距一般为3～5m，巷道掘进边缘和钻孔的距离一般为工作面长度的一半以上。后者一般沿掘进巷道两帮每隔一定距离布置一个钻场，通过钻场向工作面前方及两帮一定范围内施作顺层长钻孔抽采瓦斯，钻孔为扇形布置，保证掘进工作面瓦斯含量安全达标。想要不使钻孔施工中偏离掘进的方向，确保掘进安全，应该采取可靠的测斜和纠偏措施。
在有突出危险的煤层中，为了确保掘进工作安全，防止煤和瓦斯突出的危险，经常会在掘进工作面施工较浅深度防突钻孔，用来释放地层和瓦斯的压力，降低瓦斯的含量来保证施工的安全。而这类钻孔的深度一般在10~30m，半径会小于50mm，间距和排距都在1m左右，有些煤层的瓦斯含量特别高，有时候排放孔设在煤巷两侧，确保煤巷正常的掘进，这类防突钻孔设备比较简单，而且钻孔深度还比较浅。在少数情况下，为了提高掘进工作的防突、防喷，施工时常常采用直径大，深度超过50m的抽采孔。实践证明，只要有条件合适的地层、配套的设备、正确的方法，这类钻孔可以起到良好的防突、防喷效果，有利的加快了掘进速度。
2.2穿层瓦斯抽采钻孔施工技术
穿层钻孔是通过本煤层巷道向邻近煤层施作钻孔（或者在煤层顶板或者底板施作专用瓦斯抽采巷道，通过在专用抽采巷道内钻场向煤层中施工瓦斯抽采钻孔）抽采煤层中的瓦斯，除低煤层的突出危险性。钻孔的长度根据抽采巷道距离煤层（被保护层）的距离确定。在被保护的煤层内钻孔呈网格式均匀布孔，间排距离根据瓦斯抽采半径确定，需进行现场实测。所有抽放钻孔要在保护层开采前结束施工，在接入瓦斯抽放管路前封孔，并保证足够的抽采时间。穿层钻孔抽采邻近被保护层瓦斯时，待开采保护层以后，被保护层相应煤体由于膨胀而变形，煤体卸压，形成了层间裂隙，瓦斯得到了活化，在矿井负压和煤层瓦斯压力的作用下卸压瓦斯得到抽放，由于煤层瓦斯含量降低，所以达到消突瓦斯的突出危险性的目的。
2.3煤矿井下钻孔机器人关键技术
（1）基于真三维动态地质模型的钻孔智能设计技术基于瓦斯赋存参数、地质构造、巷道布置和采掘计划，建立可视化三维瓦斯地质模型，利用任意切片、空间检索、信息融合的方法智能判识煤层瓦斯抽采单元；构建典型瓦斯抽采单元钻孔设计数据库，基于抽采单元划分结论及采掘时空布置，提出区域瓦斯防治钻孔无人化智能设计方法；研究施工钻孔缺陷分析评价模型，提出瓦斯防治钻孔无人化智能补偿设计方法；设计面向钻孔机器人的瓦斯防治钻孔信息数据库；开发钻孔无人化智能设计与分析系统；
（2）井下复杂受限环境中钻孔机器人精确定位及自主避障技术研究干扰环境下的无线传感网络定位方法、基于里程测量与惯性元件的航迹推算与激光扫描融合的同步定位与地图构建方法、基于多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略；研究全场景地形评估方法，面向复杂工况的全局路径规划策略，基于多动态约束的局部避障和行为优化机制；研究钻孔机器人履带底盘建模与参数识别方法、纯追踪模型算法、误差原理及目标点位置精确控制策略；
（3）钻孔机器人系统智能感知与多机协作控制方法钻孔机器人与钻杆自动装卸系统通过多机协作完成钻孔施工，钻杆自动装卸系统工作过程中需实时感知周围环境、与钻孔机器人的相对位置关系，完成环境模型的建立与更新。钻孔机器人钻进过程中需智能感知自身的施工状态，确认钻杆装卸是否到位、机械手是否撤离到安全位置、是否存在故障等；
（5）基于钻进信息反馈及图像辨识的典型煤岩识别技术通过分析钻进参数随地层条件变化规律，建立钻进参数与煤岩特性关系，获得典型煤岩识别准则，生成钻进参数适配库，结合煤岩返渣图像分析，形成基于钻进参数反馈为主、煤岩返渣图像为辅的煤岩识别技术；
（6）基于差分进化算法的钻孔机器人自适应钻进控制技术建立机器人自学习与优化准则，通过实时采集钻进工作参数对钻孔机器人工作状态进行自动评估，通过差分优化算法对控制向量进行优化，使钻孔机器人自主运行在效率较高、钻孔故障较低的稳定工作区。
结语
近年来，我国广大技术人员的不懈努力，使我国在瓦斯抽采方法方面和成孔工艺方面都取得了重大的成就，现在已经具备了施工中千米钻孔的能力，但是由于我国的煤矿地质条件比较复杂，在一些方面与实际需要还有很大差距。随着科技的进步、钻具制作技术断改进、钻孔施工技术的不断优化，未来钻孔施工技术会取得更加突出的成就。
参考文献：
[1]石志军.煤矿坑道近水平钻探机具与定向钻进技术[C].北京：煤炭工业出版社，2010.
[2]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.
[3]袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2011.
论文作者:黄天资
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/3
标签：钻孔论文; 瓦斯论文; 煤层论文; 井下论文; 煤矿论文; 钻机论文; 机器人论文; 《防护工程》2018年第24期论文;