摘要：
随着全国煤炭安全生产的任务要求越来越严格，煤矿对安全的重视程度逐年增强，煤矿井下钻探的作用也凸显的越来越重要，煤矿井下钻探的作用主要有：用来探明前方是否有矿井水(老窑水、裂隙水、岩溶水)，压力大小，用于煤层中瓦斯气体的抽放，用来探明地质构造，用来探煤厚，利用钻孔进行井下注浆等。在《煤矿防治水细则》、《防治煤与瓦斯突出细则》、“一钻一视频规定”等相关要求中均对井下钻探工程作出了明确的要求。并且近年来全国都是建立“煤矿智能化”，因此实现煤矿井下钻探工程智能监测保障系统，是填补关于钻探工程监测智能化空白带的重要举措。
关键词：井下钻探工程；煤矿智能化；智能监测
一、建设背景
目前有煤与瓦斯突出的煤井抽采钻孔的钻进工作基本都要求进行“一钻一视频”工作，以达到在线监控打钻情况，防止打假钻、钻进深度不够等情况。《防治煤与瓦斯突出细则》中第四十四条：“突出矿井应当详细记录突出预测、防突措施实施、措施效果检验、区域验证等关键环节的主要信息，并与视频监控、仪器测量、抽采计量等数据统一归档管理，”第四十七条：“采用视频监控等手段检查确认钻孔深度，并建立核查分析制度。深度超过120m的预抽瓦斯钻孔应当每10个钻孔至少测定2个钻孔的轨迹，深度60～120m的应当每10个钻孔至少测定1个钻孔的轨迹。对穿层预抽瓦斯钻孔实际见(止)煤与设计见(止)煤长度误差超过三分之一的钻孔应当测定该钻孔轨迹”。第四十九条：“突出矿井应当利用人工观测、物探和钻探、煤矿安全监控系统、视频监控等手段综合分析地质构造、煤层赋存条件变化、采掘应力集中、瓦斯涌出异常变化、顶钻、卡钻、喷孔等现象”。《矿安{2021}51号文件》2021年6月6号国家矿山安全监察局下发的文件中明确强调了以下内容：第四条：“强化钻孔设计与施工管理，预抽煤层瓦斯钻孔设计必须符合要求，钻孔长度、方位角、钻孔间距应当根据实际考察的煤层有效抽采半径确定。现场施工管理和质量验收应当采用视频监控等手段检查确认钻孔深度，并建立核查分析制度；必须安规定进行钻孔轨迹测定，当钻孔控制范围不足或者存在空白区域时，必须补充区域防突措施。
在众多的规定之中，着重的强调了关于钻孔轨迹测量、视频监控、防止打假钻、钻进深度不够、有效抽采半径、钻孔控制范围不足等问题的详细说明。
二、煤矿常见钻孔不达标现象分析
(一)钻孔轨迹偏差较大
钻孔钻进过程中受地层倾角、软硬地层变化、不同施工工艺等因素影响会使钻孔轨迹出现偏移，进而影响钻孔质量。钻孔偏移在施工过程中普遍存在。
地层的赋存本身是一个自然地质体，为一不均匀介质体，钻孔施工也非设计理想条件下的直线钻进。因此，在地质因素中，地层、岩层本身的赋存状态及特性造成的钻孔施工必然存在偏斜。岩石软硬变化、地层倾角变化等是导致钻孔钻进偏斜的主要原因。
钻探生产实践表明，钻孔偏斜的原因是多方面的，有地质因素、钻井技术措施因素，钻具结构的配置因素、钻探设备的安装及操作人为操作等因素：
1.技术原因：
(1)钻机安装不正、不水平
开孔是保证保证孔斜符合要求的关键所在，每孔开孔前必须保证钻机安装平稳，必要时需要浇筑底座，使天车、立柱、孔位三点呈一线。
(2)钻机固定不牢固。
包括钻机机座安装不牢固，立柱安装不标准，打钻过程中，钻机加压，钻机发生位移，钻杆方向发生变化，这种情况，钻孔一般发生上偏，严重时会发生卡钻、夹钻的现象。
(3)钻机调试问题
钻机夹持器有问题，立柱角度不对。钻机夹持器压紧圈过松，使钻杆角度改变，造成钻孔偏斜。
(4)操作人员操作不规范。
为急于赶工期，钻压过大，会引起钻杆弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角达到最大，并且钻具的摩擦阻力也会增加，随着摩擦阻力的增大，钻具围绕孔轴线回转的频数下降，甚至只围绕自身轴线自传，此时钻具倾斜或弯曲平面具有固定的方向，从而导致钻孔弯曲造成钻杆发生弯曲变形，钻头方向发生变化，必然造成偏斜。不按要求加导向管等措施，钻孔也会发生偏斜。钻进过程中水压未达到标准，煤岩粉无法及时排出，也会造成孔斜。
(5)钻具本身原因。
①包括钻头质量(只要是锋利程度，耐磨程度)，钻头不锋利，割不动，在钻压的作用下，钻头比如会向任意方向偏斜。钻杆质量(硬度，韧性)，打钻过程中，容易发生弯曲变形，造成钻孔偏斜。
②转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧了钻具的横向震动和扩壁作用，结果孔壁间隙增大，钻孔弯曲。冲洗液量过大，特别是在较软岩层中冲洗液会冲刷、破坏井壁造成“大肚子”孔段，这些都会使孔壁间隙增加，为钻具偏斜、钻孔弯曲创造条件
③钻探工艺，目前井下钻探工艺较为单一，钻具和钻杆较短，接头多，同心度低，导向性差异是导致弯曲度较大，这种工艺容易发生偏斜。
2.客观原因：
(1)地层因素
由于地层较为复杂，岩石的各向异性，软、硬岩层变化频繁，当钻进以锐角透过软硬岩石界面，从软岩层进入到硬岩层时，由于软硬部分抗破碎阻力不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。
(2)裂隙、破碎
钻孔遇到裂隙方向和孔向一致时，孔延裂隙弯曲；遇破碎带时，钻孔会向孔斜率较高的方向偏斜。 (3)遇到断层、溶洞、陷落柱等构造
遇到采空区、底鼓区、火成岩侵入区，钻孔遇到采空区时，如果是冒落带，有岩块堆积的情况，钻孔会向空间较大的方向偏斜，如果是空区，钻孔会因为钻杆钻探自重向下偏斜，遇到火成岩侵入的，钻孔会沿着侵入体边界偏斜。
(二)钻孔施工人员造假
目前煤矿钻探施工是一件非常乏味的工作，且工作量较大、工人体力消耗较大，施工监管主要靠人力完成，缺少视频等主要有效的监管手段。很容易出现打假钻、钻进深度不够等情况。很多矿井为了对钻孔进行验收工作投入了大量的人力物力，常用方法有使用探管复测钻孔长度、使用测斜仪复测测量钻孔轨迹及深度、跨部门专人看管推进钻杆数量等等手段。此类方法均是靠人工完成、均存在造假的可能性，不能非常客观的表现出钻孔的实际深度，且人力消耗严重。
三、解决不达标钻孔的方法
(一)钻孔施工现场的监测管理
1.对施工现场要进行监测管理，主要内容有：安装设备前地基要平整、坚实，钻机底座要水平、稳固。钻机立轴倾角的方向要符合设计要求，同时在钻进过程中还需经常检查和校正立轴方向。
2.施工现场人员及安全的监测管理
施工人员人数是否达标，施工的现场是否存在安全隐患，打钻配套设施如：孔口瓦检仪、专用电话、排水设施、钻探排版等是否安设完好。
(二)钻孔施工过程的监测管理
1.钻孔开孔准确度监测
要对钻机开孔的方位角和倾角进行监控，防止出现钻探的起始方位角和倾角出现过大的偏差，最终导致钻孔轨迹的不达标。
2.打钻推进速度的监测
为了防止钻孔偏斜度加大，应当按照规定要求控制打钻的推进速度，因此应当监测施工人员在实际打钻过程中的实际推进速度。
3.钻机的稳固程度的监测
包括钻机机座安装是否牢固，立柱安装是否标准，打钻过程中，钻机加压是否会钻机发生位移。
4.施工过程的的安全管理
应当实现在钻探施工现场的安全性监测，钻工是否按照钻探的安全规定要求进行施工。
(三)钻孔轨迹测量及规律分析
1.对实际的钻孔轨迹进行测量
通过钻孔轨迹的测量，可以得到钻孔的偏斜程度、终孔的实际位置等信息，用来判断钻孔是否达标，是否打到设计位置。
2.对钻孔的偏斜规律进行分析
通过对钻孔的偏斜规律研究，可以分析出钻孔在孔内的偏斜规律，以便为后期的钻孔设计修改退出依据。
(四)钻孔施工台账管理
对每处每个钻孔都进行施工台账管理，最终达到钻孔总结分析，达标率统计等相关信息，为后期钻孔设计和施工给出数据依据。
四、钻孔工程智能监测保障系统设备的选用
(一)智能视频监控
按照“一钻一视频”的要求，应当在钻场安装视频监控系统。
系统主要由矿用本安型音视频一体化高清摄像仪、矿用本安型钻杆计数器、矿用本安型网络交换机、矿用隔爆兼本安型电源、钻场打钻综合管理软件等组成。系统集计算机信息管理、通信控制、计数器、视频监测等技术于一体。实现打钻过程参数记录、现场打钻钻杆数量实时显示、地面软件实时自动计数、钻场与地面调度可视通话、视频记录存档、实际参数与设计参数比对等功能。极大地提高了打钻记录的实时性、准确性和可靠性，减轻了钻场管理人员的工作强度。为钻场管理提供有效的监控手段，为煤矿安全生产提供有力保障。
高端的视频监控系统产品应当实现人工煤矿探放水管理系统实现探水设计、计划、作业、验收整个探水作业过程的信息化管理，利用人工智能视频识别技术对探水打钻过程视频进行实时识别分析、存储，准确识别钻探深度，实现钻孔数据与视频信息关联，杜绝施工人员谎报进度、违章操作、打假孔等危及安全的事件发生。系统采用云、边、端技术架构，矿领导可随时随地通过手机访问系统，快速、便捷的实时查看煤矿探放水作业信息及视频并完成审批操作。
(二)开孔定向设备
为了保障钻孔的开孔方位角、倾角的准确度，应当选用不受磁干扰的开孔定向设备对钻孔开孔定向做准确的调整。
(三)钻孔轨迹测量设备
为了研究和分析钻孔在孔内的实际偏斜程度，应当使用钻孔轨迹测量设备，对钻孔的实际轨迹进行测量，为了使工作时间优化，避免反复测量，最好选用随钻轨迹测量设备。根据钻孔测量的数据形成钻孔施工台账。
(四)钻杆扶正器使用
为了减少因为地质因素导致钻孔在孔内产生偏差，应当选用合适的煤矿井下坑道钻机用钻杆扶正器。钻杆扶正器通过在钻杆外部加设防斜定位器实现钻杆在孔内减小偏差的一种装置。
五、钻探工程监测保障系统智能化设计
关于整个钻探工程监测保障系统智能化设计主要是将选用设备进行糅合，并且实现一键智能化监控的目的。
(一)实现视频监控的基础功能，实现井下钻场的全视频监控、实时视频数据传输、无网状态下井下视频保存。
(二)实现井上、下的语音互通交互，可以通过语音系统来及时沟通打钻情况，实现地面或者远程指挥，后期如果有无人智能钻机投入使用，可以接入智能钻机系统。
(三)实现智能测斜系统，只需要在系统中输入指令，系统自动打点，工人只需正常打钻，听从系统指挥进行正常打钻即可。
(四)实现自动开孔定向功能，系统在钻机上接入开孔定向仪，在钻机没有摆到需要的方位角和倾角的时候，系统自动提示校正。在校正成功后系统提示可以正常打钻。
(五)系统监控部分实现AI识别功能，自动识别工人打钻动作、钻杆数量等，工人只需要正常打钻，听从系统指挥即可。
(六)实现智能打钻设计功能，根据矿方提前输入的打钻设计来自动判断开孔的方位角和倾角是否有误。
(七)钻探数据的智能化数据库保存，可以自动生成矿井所有钻孔一张图轨迹展示。
(八)实现钻孔报表的一键化生成，方便矿方进行纸质化管理。
下图为煤矿井下钻探工程智能监测保障系统的设计拓扑图： 六、结束语
通过钻探工程监测保障系统智能化建立，可以有效的保证钻孔现场的施工安全，监管人员可以随时查看施工现场，保障了钻孔施工的影像资料保存、防止打假钻、钻孔深度不足，方便上级监察部门的审核，节省了大量的复测钻孔深度和轨迹的环节、省人省力，真正的做到一键智能化的全程监测，做到了智能钻机开孔方位角、倾角确定，做到了智能钻孔轨迹测量工作，做到智能钻探台账的记录和保存工作，为保障矿井安全生产提供了新的智能化的监控系统。
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