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截止到2020年底，我国现有生产矿井约4700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5000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。

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。

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0～80ｍ 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）。

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）“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。下图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60ｍ、允许掘进40ｍ、留设20ｍ超前距作为安全煤柱，则巷道掘进40m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3m/d、煤巷综掘平均速度6ｍ/d左右，而单次超前物探、钻探的探测距离60～80m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。

巷道掘进探放水钻孔布置示意

（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20m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。

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。

（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；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30ｍ、深度近1000ｍ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”。

长距离定向钻孔布设示意

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）“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。

① 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3353m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1000ｍ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。