智能化建井理论技术研究与工程实践- 大数跨境

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智能化建井理论技术研究与工程实践

矿山安全天地

2023-02-17

导读：提出了“智能化建井，建智能矿井”技术理念，明确了智能化建井的科学定义及内涵，创建了智能化建井协同控制系统，构建了智能化建井系统总体架构。

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©煤炭学报

创新点

（1）提出了“智能化建井，建智能矿井”技术理念，明确了智能化建井的科学定义及内涵，创建了智能化建井协同控制系统，构建了智能化建井系统总体架构。

（2）分析西部地区煤矿井筒建设面临的主要工程科学问题，阐明了智能化建井的技术实现路径。

（3）以智能化建井的工程实践，打造了行业智能化建井示范，创立了智能化建井“延长模式”。创行了斜井敞开式全断面智能掘进工法，实现了斜井掘进“探-掘-支-锚-运”一体化作业；创行了竖井“一钻完井”智能化钻井工法，实现了竖井钻进“井下无人施工”本质安全作业，填补了煤矿及固体矿山领域智能化建井技术空白。

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智能化建井理论技术研究与工程实践

作者：范京道1，2，3，魏东4，汪青仓5，封华4，刘渭4，刘全辉5，黄克军4，闫振国3，刘家佳6，李川2，4

单位：1.陕西延长石油(集团)有限责任公司;2.应急管理部煤矿智能化开采技术创新中心;3.西安科技大学安全科学与工程学院;4.陕西延长石油矿业有限责任公司;5.陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司;6.西北工业大学网络空间安全学院

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

随着“ 双碳” 目标下能源结构调整及供给侧结构性改革的深入，到“ 十三五” 末，我国煤炭消费量占一次能源消费总量的比例下降至57%，预计“十四五”期间将会降至52%。然而，2021年中东部地区的缺电潮导致多个省份的工业产业发展遭受了巨大影响，煤炭作为火电原料，其供应紧张状况在一定时间内仍将存在，消费总量也仍将持续并逐年增加，这说明煤炭作为我国能源的“ 稳定器” 和“ 压舱石” 的重要作用短期内仍不会变化，是国家能源战略稳定安全的重要保障。但是在新时代能源体系下，需改革煤炭行业传统的生产方式，推动煤炭行业继续保持较强竞争力，向高质量发展不断升级，向智能化、绿色化方向发展。

当前，煤炭开发布局正在由长期以来的“中东部为主” 转为“ 中西部为主，并向晋陕蒙集中” ，由“ 大中小煤矿并举，中小煤矿为主” 转为“ 大型现代化煤矿为主，中小煤矿为辅” 的态势。在西部煤炭资源开发中，矿井建设是煤矿资源开发的基础，是地下空间利用和矿井生产全生命周期服务的核心构筑物和安全保障。然而，传统建井模式和建井工法存在着施工工艺落后、工序复杂、劳动强度大、作业环境恶劣、安全事故频发及工效低等问题，这与煤矿智能化建设的发展趋势极不匹配。近年来，在国家政策引领和技术进步推动下，我国煤矿建井技术也在由钻爆法向机械化、自动化不断发展，然而国内外煤矿乃至固体矿山的智能化建井技术尚无实质性突破。

延长石油集团在陕北地区拥有优质且丰富的煤炭资源，地质储量超过210亿 t，可采储量约120亿 t，是晋陕蒙能源聚集区煤炭开发的重要力量，当前正在榆横、榆神矿区建设以巴拉素(国家首批智能化示范煤矿)为代表的的千万吨级智能煤矿集群，迫切需求建井技术突破，实现安全高效建井。通过创新建井思路和技术路径，将“智能化” 的基因植入煤矿安全生产建设全过程，突破传统煤矿建井技术体系制约，形成煤矿智能化建井核心技术支撑，推动煤炭资源安全高效开发。

摘要

ABSTRACT

基于煤矿建井阶段的智能化发展需求，提出了“ 智能化建井，建智能矿井” 的定义与科学内涵，阐述了智能化建井在煤矿智能化建设中的重要作用;分析了西部地区建井面临地质条件复杂、基础理论研究薄弱、智能化建井装备研发滞后及工程技术突破难等问题;构建了由感知层、传输层、边缘层、平台层和执行与应用层组成的智能化建井系统总体架构，研发了由斜井掘进控制、竖井钻进控制及综合保障系统构成的智能化建井协同控制系统;总结了煤矿智能化建井通过基础理论研究、工艺设计、智能装备研制、控制系统研发、现场工程示范的一体化研究思路，解决煤矿建井过程中全断面机械破岩效率低、掘进复杂地层难、地下水防治及井筒稳定性与支护困难的技术难题。

通过延长石油集团可可盖煤矿的智能化建井工程实践，形成了斜井敞开式全断面智能掘进工法，实现了斜井掘进“ 探-掘-支-锚-运” 一体化作业;形成了竖井“ 一钻完井” 智能化钻井工法，实现了竖井钻进“井下无人施工”本质安全作业，打造了行业智能化建井的工程与技术示范，形成了煤矿智能化建井的“延长模式”。最后结合煤矿智能化发展趋势，提出煤炭行业建井应共同遵循的原则与目标、当前工作和发展方向，并号召全行业聚焦智能化建井技术领域，推动煤矿建设向安全高效绿色智能方向发展。

部分图片

图 1 西部榆横矿区综合地质柱状

图 2 智能化建井技术路径

图 3 智能化建井协同控制系统结构

图 4 智能化建井协同控制系统总体架构

图 5 敞开式全断面智能掘进超前地质探测示意

图 6 智能化钻井“一钻完井”主要技术装备

图 7 可可盖煤矿敞开式全断面智能掘进机组

图 8 可可盖煤矿虚拟现实控制平台

图 9 可可盖煤矿中央立井现场

作者简介

范京道，男，1965年生，陕西蒲城人，教授级高级工程师，博士，博士生导师，我国采矿工程专家。获国家科技进步二等奖1项（排名第1），省部级科技进步奖15项，其中特等奖1项，一等奖6项（均排名第1），并获三秦学者、孙越崎能源大奖、陕西省和煤炭行业最美科技工作者等荣誉奖励；发表论文43篇，出版煤矿智能化安全技术专著、教材5部，主持制定煤矿智能化系列标准7项，授权专利7项。

研究方向

煤矿智能化

主要成果

主持建成了我国第一个井下无人操作的智能化开采工作面，实现了智能化开采从0到1的突破；创立智能化开采“⻩陵模式”，推动了煤炭开采技术革命；主持了我国第一个快速建井实践，填补了煤矿智能化建井的空白。