煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术

程建远,陆自清,2,蒋必辞,2,李 鹏,3,王 盼,3

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

煤矿采煤、掘进、机电、运输、通风五大主要生产系统中，掘进是最为重要的生产子系统之一，它为其他四大系统以及排水、通信等子系统提供了通道保障。截止到2020年底，我国现有生产矿井约4 700多座，其中井工煤矿数量超过90%、产能占比约81%；煤矿采煤工作面5 000个左右，而掘进工作面数量近1.6 万个；2020年，全国原煤产量约39亿t，按照万吨平均掘进率50 m估算，我国煤矿每年掘进巷道长度近1.5万km，其中煤巷掘进巷道长度1.1万～1.2 万km/a，巷道掘进速度慢是造成采掘失调的主要原因。另一方面，巷道掘进、支护等工序用工超过70 万人，约为采煤人员的3倍多；巷道掘进成本占全矿井生产成本50%左右；同时，煤矿井下巷道掘进是安全生产事故高发区域，2012—2019年发生在巷道掘进期间的瓦斯、水害、顶板较大及以上事故占比达到48.9%，58.6%和27.7%。因此，实现煤矿井下巷道安全、快速掘进至关重要。

王虹等分析了目前煤矿巷道快速掘进的技术现状，指出全国综掘平均进尺180 m/月，采掘失衡严重，制约了煤矿高效生产水平的提升。影响煤矿井下巷道快速掘进的因素较多。康红普等认为巷道掘进工序复杂、支护占用时间长，掘进设备功能单一、相互协同性差，是导致巷道掘进效率偏低的直接原因；王步康从地质条件、掘进装备、掘进工艺之间的相互关系出发，提出掘支平行作业是提高掘进效率的发展方向；惠兴田、黄曾华等认为掘一支一、短掘短支、串行作业是造成“采快掘慢”“掘快支慢”“采掘失调”问题的关键因素。实际上，在地质条件、围岩条件较好的蒙陕矿区，巷道掘进速度能够达到1 500～2 000 m/月，而在地质条件复杂、围岩松软破碎的煤矿掘进速度不足200 m/月；2013年神东大柳塔矿快速掘进系统创造了大断面(25.2 m)，日最高进尺158 m、月最高进尺3 088 m的世界记录。王国法等指出目前存在的地质探测精度不足、探测技术与装备智能化程度低等瓶颈问题，在很大程度上制约了高端采掘设备性能的充分发挥。可见，掘进巷道地质条件的超前查明程度是影响煤矿巷道快速掘进的深层次原因。

煤矿井下巷道快速掘进地质超前探测的任务，一是要查明掘进工作面潜在的隐蔽致灾地质因素，包括断层、陷落柱、采空区、火烧区、岩浆岩侵入区及富水异常区等；二是要查明煤层的空间赋存形态，如煤层起伏、煤厚变化、地质构造等；三是在提高探测精度的前提下加大超前探测的距离，形成一个高精度的预想地质剖面，以利于掘进工作面的优化设计。在掘进巷道水害隐患超前方面，传统的巷道直流电法、瞬变电磁等能够实现掘进前方0～80 m内低阻富水异常区的探测，并已得到推广应用；在地质构造超前探测方面，井下瑞雷波、地质雷达、反射槽波等成熟技术，已被列为《煤矿地质工作规定》《煤矿防治水细则》的推荐技术；在巷道掘进的超前钻探方面，已形成系列化钻探技术与装备，特别是2018年颁布的《煤矿防治水细则》首次明确提出地质超前探测的“两探”要求(即物探+钻探)。近年来，王季等开展了随掘地震超前探测技术的试验并取得成功，今后有望成为解决“探掘分离”的技术途径；范涛等开展了基于钻孔 TEM的快速掘进超前探测方法试验；殷朋、李彤、王帅等从生产需求出发，提出了物探钻探一体化、探测掘进一体化的初步构想；文献[21]基于煤矿井下钻探与物探的“两探”要求，提出了钻探、物探一体化的思路；张平松等认为在快速掘进条件下随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统的新发展模式。总之，目前的巷道掘进和地质探测工作尚存在着掘进与探测距离短(“短掘短探”)、物探与钻探分别施工(“探钻分离”)、探测与掘进串行作业(“探掘分离”)等问题，难以适应煤矿井下巷道快速掘进的地质需求。

在前人研究成果的基础上，笔者提出了煤矿井下巷道快速掘进的“长掘长探”地质超前探测技术，通过采用“定向长钻孔+钻孔物探”的工艺模式，克服了传统掘进巷道超前探测存在的“短掘短探”、探钻分离、探掘分离等不足，实现了“长掘长探”、探钻一体、探掘并行的一体化工作模式，为煤矿井下巷道快速掘进提供了地质保障。

1 “短掘短探”的技术瓶颈

目前，煤矿井下巷道掘进的常规超前探测模式，是一个“物探-钻探-掘进”串行作业、周而往复的“短掘短探”工作流程。

1.1 “短掘短探”的工作模式

“短掘短探”是指单日掘进距离短、单次探测距离短的巷道掘进超前探测工作模式。图1为煤矿巷道掘进超前探放水工作中“短掘短探”的典型模式，即如果每次超前探测60 m、允许掘进40 m、留设20 m超前距作为安全煤柱，则巷道掘进40 m后需要再次开展超前探测，如此往复循环。目前，煤矿井下岩巷炮掘速度一般不足3 m/d、煤巷综掘平均速度6 m/d左右，而单次超前物探、钻探的探测距离60～80 m左右，因此“短掘短探”的工作模式适用于煤矿巷道掘进速度较慢的掘进工艺。

图1 巷道掘进探放水钻孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of borehole layout for roadway excavation

1.2 “短掘短探”的技术缺陷

“短掘短探”的工作模式存在如下技术缺陷：一是“探掘分离”，即掘进时间不能探测、探测时间不能掘进，探测与掘进是串行作业而不是并行作业，两者存在时间、空间上的矛盾；二是“两探分离”，即物探先行、钻探验证，物探与钻探在时间、空间上是分别施工而不是一体化工作的，造成物探异常定位精度差致使钻探难以验证；三是《煤矿防治水细则》第36条明确要求：掘进工作面电法超前探测时，掘进机应后退20 m以免影响探测效果，这对于掘锚一体机、全断面TBM盾构机等体积庞大的快速掘进设备而言难以满足(图2)。

图2 巷道掘进设备Fig.2 Roadway excavation equipment

可见，“短掘短探”工作模式是传统炮掘、机掘、综掘条件下的低效工作模式，不适应煤矿巷道快速掘进的技术需求。为了满足巷道快速掘进的地质需求，一方面要求掘进工作面的超前探测距离要足够大，另一方面要求掘进超前地质探测工作应尽可能避免与掘进作业在时间、空间和探测环境上的冲突，笔者提出的“长掘长探”技术满足了快速掘进的上述需求。

2 “长掘长探”技术

“长掘长探”是指单日掘进距离长、单次探测距离长的巷道掘进超前探测工作新模式，实现了物探、钻探的同时间、同地点探测(“探钻一体”)和超前探测、快速掘进的并行作业(“探掘并行”)，克服了“短掘短探”工艺中“探掘分离”“两探分离”“串行作业”等不足，提高了巷道快速掘进地质超前的探测效率和成果精度。

2.1 “长掘长探”的技术思路

“长掘长探”技术通过在快速掘进巷道的后方或邻近巷道预设钻场，以避免钻探作业与快速掘进在施工时间和空间上的矛盾，利用煤矿井下定向钻探技术实现长距离超前钻探(图3)；为了弥补钻探“一孔之见”的不足，在长距离定向长钻孔中采用孔中物探技术与装备，开展钻孔径向富水区、地质构造的超前探测工作，从而形成以定向长钻孔为圆心、半径30 m、深度近1 000 m的探测范围，能够满足巷道快速掘进的长距离探测、长时间掘进需求；在巷道快速掘进到前期长钻孔控制的边界之前，再次施工超前定向长钻孔，并同步开展孔中物探，如此往复、循环探测，就能够实现快速掘进工作面的“长掘长探”。

图3 长距离定向钻孔布设示意Fig.3 Long distance directional drilling layout diagram

狭义的孔中物探是指地球物理测井或矿场地球物理，即“钻孔测井”；广义的孔中物探是指在钻孔中开展地球物理多参数综合探测，2者的区别在于探测范围与探测精度存在差异。无论是钻孔测井还是孔中物探，都是基于地球物理学的原理和方法，采用专门的仪器设备，沿钻孔进行剖面测量的孔中物探方法。钻孔测井的探测半径是以井轴为中心、径向半径几厘米至几十厘米的范围，其探测精度能达到厘米级；而孔中物探的探测半径可以达到几米甚至近百米，以解决钻孔径向空间的侧向探测问题。目前，成熟的钻孔物探方法包括钻孔地质雷达、钻孔瞬变电磁、偶极横波远探测、钻孔方位伽马等。

2.2 “长掘长探”的关键技术

如上所述，“长掘长探”是定向钻探与孔中物探技术的融合，其中定向钻进主要服务于沿目的层受控钻进，而孔中物探的主要任务是实现钻孔径向一定范围的高精度探测。定向钻探技术、钻孔地质雷达、钻孔瞬变电磁等技术是实现“长掘长探”的关键技术。

..定向钻探技术

目前，煤矿井下近水平定向钻探技术在我国煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、冲击地压灾害预防等方面发挥了巨大的作用。目前，煤矿井下定向钻进技术与装备已经成熟并得到了广泛应用，取得了顺煤层定向钻进3 353 m的世界记录，完全满足“长掘长探”的钻孔深度需求。

煤矿井下巷道快速掘进“长掘长探”中的定向钻探技术，其主要作用体现在：① 施工近1 000 m的定向长钻孔，为孔中物探提供空间条件；② 采用 “一孔多分支” 技术有效控制煤层顶底板、煤层厚度以及小构造等地质变化；③ 实现地质超前探放水、钻孔瓦斯抽采、冲击地压卸压等功能；④ 利用地质、物探与钻探资料，生成掘进巷道高精度地质预报剖面(图4)。

图4 定向钻主孔及分支孔示意Fig.4 Schematic diagram of directional drilling main holes and branch holes

..钻孔地质雷达探测技术

煤矿井下低频地质雷达探测深度30～50 m、分辨率可以达到亚米级，但是矿井地质雷达发射天线与接收天线的外形尺寸相对较大，只能在巷道空间施工，且施工时容易受到巷道周围铁磁性物质的影响。

钻孔地质雷达通过特殊设计工艺实现了雷达发射天线与接收天线的小型化和MA要求，通过在钻孔中向地层发射高频雷达波，雷达波在传播过程中遇到不同介电常数的煤岩层界面和异常地质体后发生反射；利用钻孔雷达的接收天线接收来自地层的反射回波，对回波信息的传播脉冲幅度、波形和时延等加以分析处理，可以达到对煤岩界面的有效探测和识别的目标。钻孔雷达对煤岩界面探测具有测量速度快、分辨率高等优点，但是探测深度较浅，而“长掘长探”中定向长钻孔解决了超前探测的深度难题、钻孔雷达径向探测又弥补了 “一孔之见”问题，从而实现了长距离、高精度的地质构造探测。

图5为SSP煤矿利用钻孔雷达探测煤层顶底板的应用实例，该矿煤层厚度0.70～19.17 m，平均6.33 m；钻孔雷达测试位置巷道煤厚5.8 m，钻孔开孔位置距离煤层顶板1 m、底板4.8 m，钻孔深度380 m；钻孔雷达的发射和接收频率为100 MHz。由图5可以看出，该钻孔平均煤厚6 m左右，煤层顶板相对平整，煤层底板有一定的起伏。

图5 钻孔雷达探测成果Fig.5 Borehole radar detection results

..钻孔瞬变电磁探测技术

钻孔瞬变电磁探测技术是将常规在巷道发射、巷道接收的瞬变电磁工作模式，改变为在钻孔中建立一次电磁场、钻孔接收二次感应场，从而实现基于定向钻孔纵向1 000 m长距离、径向30 m半径范围内富水异常区的超前探测。

钻孔瞬变电磁仪器通过特殊设计将常规瞬变电磁的线圈改变为能够植入钻孔的杆状天线，在一定程度上造成发射天线辐射功率受限、钻孔中穿过接收线圈的磁通量降低，这就要求接收天线要有很高的灵敏度；同时，在钻孔受限杆状空间内，发射、接收天线无法灵活旋转，因此需要对钻孔周围低阻体的二次感应场进行三分量接收，以便于在室内数据处理时能够实现矢量旋转、合成与异常方位确定。与常规的巷道瞬变电磁相比，尽管钻孔瞬变电磁30 m左右的探测半径相对偏小，但是能够满足巷道掘进超前探测对帮距的控制要求，且探测深度可以抵达近1 000 m的钻进深度，这一点是常规巷道瞬变电磁所无法比拟的。

图6为TJH煤矿302运输巷快速掘进钻孔瞬变电磁探测的实例。该巷道采用掘锚一体机沿煤层底板掘进，煤层底板以下30，50 m分别发育有太原组薄层灰岩和奥陶纪灰岩，底板承压水最大压力为0.74 MPa。为了超前探查底板承压水的富水区域和导升情况，保障巷道安全快速掘进，利用掘进巷道开口附近的钻场施工了1个沿太原组灰岩、距离煤层底板下30 m左右的近水平定向孔，完孔深度468 m，并采用钻孔瞬变电磁开展联合探测。定向钻孔钻进过程中，在薄层灰岩中发现2个出水点，钻孔瞬变电磁探测在同一深度控制了出水点的范围和方位，结合定向钻孔出水状况及前期资料综合分析，认为出水点为垂向裂隙带和岩溶缝洞，为钻探注浆治理提供了依据。远距离定向钻孔和钻孔瞬变电磁的长距离综合探测，为302巷道的快速掘进创造了条件。

图6 钻孔瞬变电磁探测断面Fig.6 Borehole transient electromagnetic sounding section

可见，“长掘长探”技术不但发挥了钻探“眼见为实”的优势，还通过物探手段弥补了钻探“一孔之见”的劣势；同时，利用定向钻机的远距离输送，实现了孔中物探在钻孔方向的“远距离”探测、沿钻孔径向30 m范围内的精细探测，以及对地质异常深度的精确控制，为巷道安全、快速掘进提供了地质依据。

2.3 “长掘长探”的应用实例

山西某基建煤矿主采2号和3号煤层，其中2号煤平均厚度2.8 m、3号煤平均厚度1.3 m；首采区开展了地面三维地震勘探，基建期间新揭露了多条小断层、陷落柱和次级褶曲，表明地质条件前期查明程度低，极大地影响了矿井的采掘设计。如2201试采工作面由于断层、陷落柱密集、煤质很差、成本太高而提前终止，2202准备工作面基于同样原因被迫提前放弃，造成了采掘严重失调。为此，该矿2203工作面巷道掘进前采用“长掘长探”技术，已超前查明煤层起伏、构造发育以及陷落柱等地质异常体。图7中，2203工作面回风巷超前定向长钻孔设计在3号煤与2号煤之间，主孔钻进深度468 m，并施工了8个分支孔控制2号煤与3号煤层界面变化，同时采用随钻伽马测井探测沿钻孔方向的煤岩界面变化、采用钻孔瞬变电磁探测钻孔周围低阻体。

图7 2203工作面回风巷2号煤层“长掘长探”综合成果Fig.7 Comprehensive results of long excavation long detection of No.2 coal seam’s return lane in 2203 working face

结果表明：图7(a)的预想地质剖面是一个宽缓的向斜、构造简单，图7(b),(c)定向钻孔与孔中物探的综合探测地质剖面上，发现掘进巷道前方存在3条断层、4个陷落柱，且向斜轴发生了较大的偏摆，这一成果已被后期巷道掘进实际揭露所验证。

目前，2203工作面回风巷掘进500 m，揭露了5个断层、4个陷落柱，与“长掘长探”结果比较吻合，“长掘长探”显著提高了地质超前探测的精度和可靠性。

3 “长掘长探”的技术讨论

3.1 “长掘长探”的合规性

《煤矿地质工作规定》(2014)、《煤矿安全规程》(2016)、《煤矿防治水细则》(2018)、《防治煤矿冲击地压细则》(2018)、《防治煤与瓦斯突出细则》(2019)等对于地质超前探测工作的方法、技术和工程布置都提出了明确的要求，“长掘长探”技术符合以上规程、规定与细则的要求。下面以《煤矿防治水细则》为例加以阐述。

《煤矿防治水细则》在“井下探放水”一章和“底板水防治”一节中要求：采掘工作面超前探放水应当同时采用钻探、物探2种方法；钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水；探放水钻孔除兼作堵水钻孔外，终孔孔径一般不得大于94 mm；探水钻孔沿掘进方向的正前方及含水体方向呈扇形布置，钻孔不得少于3个，其中含水体方向的钻孔不得少于2个。煤矿井下超前探放水工作中钻探与物探的探测深度按式(1)确定。

(1)

式中，为安全隔水层厚度，m；为巷道底板宽度，m；为底板隔水层的平均容重，MN/m；为底板隔水层的平均抗拉强度，MPa；为底板隔水层承受的实际水头，MPa。

以TJH煤矿为例，取=5 m，=0.024 MN/m，=2.59 MPa，=1.2 MPa计算，则钻探和物探的探测深度不得小于=18.80 m。

1.附加型的共享税模式，即中央和地方分别就某特定商品具有独立的消费税征收权。在中央政府统一课税后，地方政府以一定税率附加课税，收入归课税主体所有。在美国，联邦政府对烟、酒、燃料类商品征收统一的消费税，所有州政府也对烟、酒、燃料类商品独立地加征消费税，根据各州具体的税收政策不同，适用的税率亦有差异，中央和地方都配置完整的税权。但这一模式只能适合在财政分权彻底，地方税权较大的联邦制国家中实施。并且，地方政府在消费税的具体税收政策上存在差异，由此可能产生政府间纵向和横向税收政策的矛盾，诱发相应的税收竞争。[22]

同时，钻孔超前距和帮距按式(2)确定。

(2)

其中，为煤柱留设的宽度，m；为安全系数，一般取2～5；为煤层厚度或者采高，m。取=3.5，=4.6 m，=1.2 MPa，=0.8 MPa计算，则=17.07 m。因此，TJH煤矿井下掘进巷道超前探放水要求钻探与物探的探测深度、超前距和帮距，应该不小于17 ～18 m。理论上“短掘短探”与“长掘长探”，均能满足防治水细则要求，图8为“短掘短探”与“长掘长探”的剖面对比。

图8 “短掘短探”与“长掘长探”的剖面对比Fig. 8 Profile contrast between short excavation/short detection and long excavation/long detection

从图8可知，“短掘短探”对于底板承压水是以穿层钻孔方式进行探测，底板中有效孔段短、盲区范围大、可靠性差，难以有效防范底板岩溶水害事故；而“长掘长探”无论是纵向探测深度还是径向探测半径，均能满足上述要求，且有效孔段长、径向盲区小、探测精度高等独到优势。因此，“长掘长探”技术符合《煤矿防治水细则》的规定。

3.2 “长掘长探”的经济性

仍以TJH煤矿掘进巷道超前探测为例，对“短掘短探”与“长掘长探”的工程量、工期和费用加以对比分析。

TJH煤矿主采的6号煤层位于石炭系上统太原组第3岩段上部，煤层埋藏深度平均486.06 m，平均厚度18.93 m，采用综采放顶煤工艺回采。6号煤层距离奥灰顶面平均50 m左右，奥灰岩溶发育、富水性强，底板灰岩承压含水层的水压0.74 MPa，断层、垂向裂隙发育，在动压条件下有可能形成潜在的导水通道。按照《煤矿防治水细则》要求，巷道掘进前需要施工1个沿煤层的探查孔、2个底板灰岩承压水探查孔。

如果按照“短掘短探”方式开展超前探放水，每次巷道掘进前开展1次矿井瞬变电磁探测、探测距离80 m左右，然后施工1个80 m的超前孔和2个倾角-45°、孔深60 m的底板穿层孔，钻孔出水小于10 m/h时才能允许掘进60 m、留设20 m的超前距，因此形成一次超前探测的闭环需要1次电法超前探测、钻探进尺200 m、钻进净工作时间约合40 h；此后，巷道掘进60 m后，重复上一轮次的探测工作，周而往复。按照掘进巷道设计长度1 800 m计算，则1条掘进巷道需要开展电法超前探测30次、钻探施工30次，每次钻探进尺合计200 m、累计进尺6 000 m左右、钻探施工时间超过50 d。

对于“长掘长探”而言，巷道长度1 800 m的超前探测，只需沿煤层底板以下30 m左右的薄层灰岩层位，施工2个1 800 m沿底板薄层灰岩的定向长钻孔、开展2次钻孔瞬变电磁探测，就可以高效率、高精度完成1 800 m巷道的超前探测任务，且不占据巷道掘进的时间和空间，为巷道快速掘进赢得更多的有效掘进时间。

3.3 “长掘长探”的普适性

煤矿井下施工的钻孔数量众多，用途各异，如常规掘进超前探测的地质孔/水文孔、高瓦斯矿井的顺层瓦斯抽采孔、大水矿区的顶/底板疏水降压孔等。上述钻孔在完成其特定的工程任务后，可以利用“长掘长探”的工作思路，开展钻孔物探以达到“一孔多用”的目的，因此“长掘长探”技术具有广泛的适应性。

4 结 论

(1)煤矿巷道快速掘进的影响因素中，除了掘进工艺中“掘、支、锚、运”串行作业以及掘进系统的协同性不足之外，掘进巷道地质条件的超前查明程度是不可忽视的重要原因。

(2)常规的 “短掘短探”技术探测距离短且“探钻分离”“探掘分离”等问题，且与巷道掘进存在工作时间、空间和环境上的矛盾，无法适应巷道快速掘进的地质需要。

(3)“长掘长探”是定向钻探+孔中物探相互融合的巷道超前探测新技术，具有掘进与探测的平行作业、钻探与物探一体化施工等突出优势，可以实现掘进巷道长距离、高精度的地质超前探测，能够满足巷道快速掘进的地质需求。

(4)“长掘长探”技术符合《煤矿防治水细则》等规程、规定要求，能够实现快速掘进巷道的高效率、高精度超前探测，具有广泛的适用性。

煤矿巷道安全高效智能快速掘进是未来煤矿采掘智能化技术的发展方向。今后，随着传感器技术、信息技术、计算机技术的不断进步以及多专业的交叉融合，应该开展随掘多参数同步测量、随钻随探以及巷道自动写实等技术与装备的研发，为煤矿快速掘进巷道的地质透明化提供可靠的地质保障。

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