煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2023年第10期

• 不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

  刘高峰, 李宝林, 张震, 刘欢, 关文博, 司念,

  为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性，选取6种不同变质程度的煤样，开展高压压汞实验、等温吸附实验，计算瓦斯膨胀能，分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异，导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大，增加趋势逐渐变缓；相同瓦斯压力下，煤的变质程度越高，总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大；相同瓦斯压力下，游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当Rmax>1.6%，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等，进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用，也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当Rmax为0.6%~1.6%时，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g，夸大了煤体所具备的突出潜能，会加大防突工作量。当Rmax<0.6%，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能大于42.98 mJ/g，这会导致低指标突出灾害的发生。因此，在进行煤与瓦斯突出预测和防治时，应充分考虑煤的变质程度对突出的影响，研究可为突出预测提供新的科学依据和方法借鉴。

• 地下矿井煤炭碳排放量估算方法研究 以阜康矿区西部为例

  彭仁东, 韦波, 李鑫, 张冀, 张紫昭, 王博, 张娜, 崔德广,

  碳排放已成为人类社会关注的焦点，煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最主要的部分。目前尚无对新疆典型地下矿井煤炭碳排放量的准确计算研究，其中CH4排放量亦被忽略。基于煤层CH4、CO2赋存规律和煤炭开采规划，排除化石燃料燃烧、电力和热力排放，将阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放划分为已生产煤炭碳排放、计划生产煤炭碳排放、未回采煤炭碳排放、井下煤柱碳排放四部分进行计算，最终获得阜康矿区西部地下矿井煤炭的碳排放总量。结果如下：(1) 根据阜康矿区西部地下矿井平均生产年限，计算出阜康矿区西部已生产煤炭碳排放量为2.17万t/a、计划生产煤炭碳排放量为5.35万t/a、未回采煤炭碳排放量为0.40万t/a、井下煤柱碳排放量为0.74万t/a，则阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放总量为8.66万t/a。(2) 计划生产煤炭碳排放量>已生产煤炭碳排放量>井下煤柱碳排放量>未回采煤炭碳排放量，建议生产过程中先采气后采煤、强化充填抑制未回采资源及煤柱碳排放，对不同浓度瓦斯进行梯级综合回收利用以弱化碳排放。(3) 阜康矿区西部地下矿井 煤炭碳排放量主要受煤炭生产总量(已生产和计划生产煤炭总量)、煤层CH4和CO2含量、解吸率、煤变质程度等影响，并随这些影响因素量值的增大而增大。研究成果可为阜康矿区西部地下矿井煤炭碳排放量控制及减排措施制定提供建议。

• 基于空间统计的采煤工作面内断层识别方法

  冯雅杰, 文广超, 吴冰洁, 胡祖栋,

  采煤工作面内小断层严重影响瓦斯抽采及煤层回采工作，准确识别位置、落差、产状等参数对保障煤矿安全生产意义重大。为有效降低瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸、开发利用瓦斯资源，煤矿施工了大量的瓦斯抽采孔，这为识别煤层内小断层提供了良好的工程条件。相较于传统依赖地质人员专业基础的断层识别方法，基于数学统计和空间拟合的识别模型具有自动化程度高的特点。为此，依据断层两盘高程相异特性和煤层错断前埋深相似性特征，提出了基于瓦斯抽采孔数据，采用聚类分析方法，识别采煤工作面内小断层的思路。对比分析了不同聚类算法的原理和结构，建立了基于K-Means聚类算法的煤层小断层识别模型；设计了小断层识别的关键技术流程：采用手肘法求解最佳聚类簇数，以戴维森堡丁指数和相关系数作为识别精度评价标准，通过异常点识别、断层参数(走向、倾角、落差)计算、断层面拟合、三维可视化等技术手段，实现煤层小断层识别；利用现场采煤工作面底抽巷的部分瓦斯抽采孔数据，识别出落差为3 m和1 m的断层，结合断层实际揭露情况和工作面可视化结果分析。结果表明，现场揭露情况与模型计算结果基本一致，识别方法可用于煤层工作面内断层的识别。

• 基于DeeplabV3+改进的煤岩显微组分组自动化测试模型

  胡晋玮, 奚峥皓, 徐国忠, 李忠峰, 刘翔,

  煤岩显微组分组的识别对分析煤炭化学性质起到关键作用。人工识别方法费时费力，且专业性要求较高。现有的计算机辅助识别有效方法多以深度学习语义分割模型为手段，但因煤岩显微图像组成复杂，且存在过渡组分，因此无法准确识别煤岩显微组分组。针对此问题，提出改进的DeeplabV3+语义分割模型，在改进模型中引入Swin Transformer骨干网络和SkNet网络。首先，针对煤岩显微图像各个组分组交错杂糅且存在过渡组分，特征提取困难，利用Swin Transformer骨干网络作为基础特征提取网络，提升模型对煤岩显微图像每种组分组的特征提取能力，并使得分割网络获得特征间信息交互的能力；其次，针对在模型中空洞空间卷积池化金字塔模块对特征利用率低的问题，将SkNet网络融入空洞空间卷积池化金字塔模块，强化空洞空间卷积池化金字塔模块对重要特征的提取能力，并抑制非必要特征对最终预测结果的干扰；最后，将改进的DeeplabV3+模型与现有先进算法通过实验进行性能比较，结果表明：改进的DeeplabV3+语义分割模型在煤岩显微图像测试集上的像素准确率为92.06%，与随机森林方法、U-Net语义分割模型和DeeplabV3+语义分割模型相比像素准确率分别提高了9.48%、6.90%和3.40%；改进的DeeplabV3+语义分割模型与人工点测方法测试结果相近。改进的DeeplabV3+语义分割模型较现有煤岩显微组分组自动识别模型性能更优，可作为一种强大的计算机辅助人工识别煤岩显微组分组的手段。

• 基于物理信息约束的页岩油储层可压性评价新方法

  李玉伟, 李子健, 邵力飞, 田福春, 汤继周,

  储层可压性的准确评价是储层压裂设计和压后产能评估的重要前提。目前，采用岩石力学参数进行页岩可压裂性评价取得了较好的现场应用效果。因此，如何准确获取岩石力学参数成为至关重要的问题。通过建立一种基于物理信息约束的神经网络模型，该模型采用物理和数据双驱动，仅使用少量数据就能够实现岩石力学参数的准确预测。为验证模型性能的优异性，采用人工神经网络、随机森林和XGBoost模型与之进行对比。结果表明，物理信息约束的神经网络在少量数据下预测岩石力学参数的平均准确率高于95%，性能远优于其他模型。采用物理信息约束的神经网络预测得到弹性模量、泊松比、抗拉强度和断裂韧性4种岩石力学参数，基于岩石力学参数对储层可压性的影响，建立了基于脆性指数和力学参数的可压性评价方法。最后，以渤海湾盆地沧东凹陷K2段不同储层可压性为例进行验证。结果表明：研究区整体可压性较好，其中，纹层状混合质页岩可压裂指数高于0.7，可压性良好；纹层状长英质页岩、厚层状灰云质页岩和薄层灰云质页岩可压裂指数均处在0.4~0.7，可压性中等。评价结果与实际施工现场各储层日采油量进行对比，证实了可压性智能评价方法的可靠性，该方法可以推广至页岩储层可压性评价工作中。

• 准南阜康区块煤层后生生物成因H2S的发现与成因机制

  闫佩佩, 苏现波, 邹成龙, 赵伟仲, 汪露飞, 伏海蛟,

  随着排采的进行准南东段阜康区块煤层气井产出的煤层气中H2S浓度呈现逐渐增加的趋势，对安全生产构成严重威胁。基于煤层气勘探开发资料，结合实验室厌氧发酵实验，对该区块排采阶段煤层H2S的异常原因进行初步探讨。煤层气勘探阶段含气量测试结果表明，煤层气原始气体中H2S含量低，最高仅为2.152×10−6；排采初期并未出现H2S浓度异常现象，但随着排采的进行，部分井出现异常，如13号井在排采7 a后H2S含量异常增加，高达700×10−6。灰色关联分析表明，H2S的浓度与煤层气井的产水量和水质密切相关，当地下水的补给带来充足的营养物质供给菌群代谢时，就会促进H2S的产出。由该区煤和排采水作为发酵基液构建的厌氧发酵系统表明，H2S的产量与发酵液中SO4 2−含量成反比、与HCO3 −含量成正比；CH4的产气高峰滞后于H2S，且累计生成量显著低于H2S，而由该区的煤与蒸馏水作为发酵基液构建的厌氧发酵系统则以产CH4为主，仅生成微量的H2S，说明H2S是硫酸盐还原菌以CH4为电子供体还原SO4 2−生成的；发酵液中小分子有机酸含量的不断减少说明硫酸盐还原菌同样利用了有机酸为电子供体还原SO4 2−生成H2S。因此，现场生产资料和实验室厌氧发酵结果表明该区H2S是由煤层水中的SO4 2−被硫酸盐还原菌还原生成。这种排采阶段生成的生物气与以往人们认为的原生和次生生物气都不相同，将其称为后生生物气，其中的H2S称为后生生物H2S。排采过程中后生生物气的生成进一步说明人工干预下的煤层气生物工程实施的可行性。

• 新近系保德组沉积薄弱区红土阻水性能及其资源开发意义

  曾一凡, 包函, 武强, 孟世豪, 华照来, 苗彦平, 张晔, 卜文扬,

  关键隔水层沉积薄弱区阻水性能的深入研究对于矿井生产安全和生态水资源保护均具有重要意义。基于区域沉积特征重新优化钻孔数据，研究榆神矿区红土沉积厚度的分布规律，并探讨与红土阻水性能相关的微观工程特性和控制因素。结果表明，红土沉积厚度从西北向东南逐渐增大，并且随着河流的演化，红土分布变得极不均匀，红土缺失区面积达到48.80%。在垂直方向上通过粒径分析和渗透试验表明，红土的阻水性能随着红土沉积深度的增加而增强；在水平方向上通过微观结构和物质组成分析表明，红土的隔水性能与其沉积厚度并非简单的线性关系，随着红土沉积厚度的减小，薄弱区红土的隔水性能急剧下降。基于稳定达西流速概念计算了非完全阻水的红土薄弱区临界厚度，通过多源数据融合，得到榆神矿区红土阻水性能的分区。榆神矿区红土工程特性及阻水性能的系统研究可为红土薄弱区内矿井查清隐蔽致灾地质因素、实现关键隔水层保护及再建以及指导煤水双资源协同共采工程实践等方面提供重要的理论依据。

• 奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制PFC数值分析

  柳昭星, 张旗,

  超前区域注浆是煤层底板灰岩水害防治的有效手段，而注浆工程中的劈裂注浆过程是决定注浆效果的关键环节，但由于对受注灰岩地层裂隙起裂机制认识不清，致使劈裂注浆过程中注浆压力、浆液水灰比等参数缺少有效控制，难以保证注浆效果。针对上述问题，利用颗粒元(Particle Flow Code，PFC)数值模拟软件，考虑浆液水灰比、地应力水平、弱面和裂隙的倾角和宽度等因素，开展奥陶系灰岩顶部劈裂注浆数值模拟计算。结果表明：在弱面和裂隙条件下起裂压力均随浆液水灰比(1∶1、2∶1、3∶1)的增大而减小，随最大主应力与最小主应力差值(9、12、15 MPa)的减小而增大，随弱面或裂隙宽度(3、8、15 mm)及其与最大主应力夹角(30°、60°、90°)的增大而减小；起裂裂隙沿平行于最大主应力方向延展；起裂压力值随弱面与基质强度比(0.30、0.03)的减小而减小，当弱面强度较高时，起裂压力大于裂隙条件下的起裂压力，而且沿着基质起裂；当注浆孔置于弱面两端或裂隙中间时，起裂裂隙沿弱面或裂隙的两端起裂，当注浆孔置于弱面中间位置时，起裂裂隙沿中间位置的基质起裂。研究结果有助于底板水害超前区域改造劈裂注浆的有效控制，指导注浆参数的选取，为解放深部煤炭资源提供技术支撑。

• 流固耦合状态下煤矿井壁破损透水机理研究

  薛维培, 申磊, 姚直书, 程桦, 荣传新,

  煤矿井壁破损透水事件时有发生，给地下空间利用和矿产资源开采构成重大威胁。为了弄清井壁破损过程承压地下水存在的影响以及透水通道形成机制，采用相似理论设计模型试验并结合流固耦合数值模拟技术开展研究。结果表明，井壁与压力水直接接触不利于其承载变形能力的发展，具体体现在破坏时屈服点位置提前出现，峰值强度及峰值应变降低，宏观裂纹分布更广，这是由压力水渗入井壁混凝土时诱发的渗流场应力场相互耦合作用引起的。对照模型试验结果开展数值仿真分析，获得一套适用于流固耦合状态下井壁破损数值计算参数。基于此开展0.05、0.10、0.20、0.40 MPa孔隙水压影响下井壁破损透水全过程细观数值分析，发现孔隙水压增大使井壁承受的临界侧向荷载依次降低5.88%、17.65%、23.53%，屈服强度附近试件内部裂纹发展明显加速，裂纹不断扩展、贯通，最终形成沟通井壁内外侧壁的透水通道。0.40 MPa孔隙水压下透水通道率先出现，相对于其他3种孔隙水压提前了2.67、2.53、1.67倍计算步，说明孔隙水压越大裂纹扩展速率越快，裂纹扩展路径先径向后环向。声发射监测表明井壁破损透水前夕，事件数量先逐步增大再持续保持高位，破损后应力得到释放，声发射事件频率及数量骤降，该信号特征可作为现场井壁破损透水监测依据，为井壁突水预防和治理提供依据。

• 基于卷积神经网络的岩爆烈度等级预测

  李康楠, 吴雅琴, 杜锋, 张翔, 王乙桥,

  岩爆是深部资源开采过程中亟待解决的问题之一。为安全高效地预测岩爆灾害，提出一种基于链式方程多重插补法(MICE)与卷积神经网络(CNN)的岩爆烈度等级预测模型(MICE-CNN)。基于岩爆的主要影响因素与获取条件，建立预测指标体系，搜集120组岩爆案例原始数据，运用拉依达准则进行异常值处理，应用MICE选取RF、BLR、ET、KNN 这4种插补模型进行缺失值插补，结合Mean、Median 这2种传统插补方法，依据ERMS选取最优模型进行数据插补得到完整数据集，将数据平铺为6×1×1的一维图像数据作为输入层，结合输入层大小进行计算，确定卷积核与池化核大小均为3×1，特征边缘处理方法为前后补零。添加批量归一化层增加模型稳定性与收敛速度，优选ReLU激活函数、SGDM优化器函数。对CNN预测模型进行训练，训练集与验证集的准确率分别为100.00%、91.67%。建立RBF、SVM与PNN模型，分别对3个模型与CNN模型输入测试集数据进行对比验证，CNN模型预测结果准确率高于其他模型，为91.67%；对比PNN模型与CNN模型的混淆矩阵，CNN模型误判结果比实际结果岩爆程度高，即误判后的安全性更好，表明MICE-CNN岩爆等级预测模型切实可行。

• 薄层状红页岩细观破坏特性研究

  马振乾, 周浪, 左宇军, 张吉民, 邹义怀, 曹云钦,

  为研究层状红页岩细观破坏特性，采用DSTD-1000型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验，对碎屑进行SEM电镜扫描和XRD衍射实验，获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此，利用离散元PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型，并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明：(1) 层理倾角θ=30°、45°、60°、75°时，试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2) 不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况，当θ=45°、60°、75°时，裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多，导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3) 细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明，θ=0°、75°、90°时，微观裂纹倾向分布较为均匀，主要平行于或次平行于加载方向，加载破坏后表现出强烈的各向异性；15°≤θ≤60°时，微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4) 考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的36.6%~60.3%，裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的75.1%~90.4%，与大量物理实验所求阈值范围吻合，表明此法对于求解裂纹应力阈值具有一定的适用性。

• 含水层富水性分区及工作面疏放水后涌水量分段预测

  杨磊, 雷方超, 侯恩科, 路波, 冯栋, 赵凯兴,

  风化基岩与烧变岩含水层严重威胁着陕北侏罗纪煤田矿井的安全生产，精确预测其富水性与工作面涌水量对矿井防治水具有重要意义。针对具有密切水力联系的风化基岩与烧变岩含水层，以陕西红柳林煤矿15217工作面所在区域为研究区，选取含水层厚度、岩性组合指数、岩石烧变及风化程度指数、岩心采取率为评价指标，提出了基于蝠鲼觅食算法优化支持向量机的含水层富水性预测方法，通过对风化基岩与烧变岩含水层富水性的精准分区预测，将工作面划分为不同富水等级的区段。在此基础上，分析经过长时间井下疏放水后的工作面采前水文地质条件，利用动静储量法对工作面不同富水等级区段的涌水量进行预测，与矿井生产过程中的涌水量实测数据相比，涌水量预测结果误差整体较小，介于0.30~6.98 m3/h，表明此预测方法可行度与准确率较高，为红柳林煤矿及类似条件矿井工作面涌水量预测提供了新的思路与方法。

• 非承压含水层定水头抽水两区井流数值模型研究

  史鹏钰, 宗一杰, 滕开庆, 刘健军, 肖良,

  为了揭示在非承压含水层中定水头抽水试验引起的达西−非达西两区流动机理，提出基于有限差分法的地下水定水头抽水井流数值模型。该模型根据抽水的流态特征将含水层分为2个区域：靠近抽水井的有限非达西渗流区域和远离抽水井的半无限达西渗流区域，其中非达西流区域流态的模拟基于Izbash方程实现。通过与COMSOL Multiphysics的有限元数值解进行比较，验证了所提出数值解的可靠性。最后，研究有限非达西流效应对水头和抽水井抽水速率的影响以及井内水头对抽水井抽水速率的影响。研究表明：在抽水试验中非达西区域的影响不可忽略，湍流会分别导致两区流中水头较纯非达西流和纯达西流的水头偏大和偏小，且随抽水时间的增加逐渐变大；通过减小抽水井井内水头或增大非达西系数可提高抽水速率，但该影响会随抽水时间的增加而逐渐减弱；断面流量随径向距离的增大而不断减小，断面流量与径向距离曲线下降速率不断减小，且在转换界面处会出现转折点。该模型为定量研究在非达西流和达西流耦合作用下抽水井附近的井流水头特征提供了一种简洁的方法，并为调查定水头抽水测试期间的抽水速率提供理论依据。

• 基于Attention机制的CNN-BiLSTM瞬变电磁实时反演方法

  古瑶, 解海军, 周子鹏, 李璐,

  瞬变电磁一维反演方法存在耗时长、参数难以调控、过于依赖初始模型等缺陷。为此，提出一种基于Attention机制的卷积−双向长短时记忆神经网络(AC-BiLSTM)瞬变电磁实时反演方法，充分利用时间差，在非观测时间进行模型训练，在观测时间对当下采集数据进行实时反演。整个过程中，以实测数据加入一定比例正演数据作为数据集，以监督学习方式将采样时间−视电阻率作为输入特征，以测井约束的Occam反演结果作为学习目标，基于卷积神经网络和长短期记忆神经网络搭建编码器−解码器模型，并针对数据特性，在解码器部分加入Attention机制对隐藏层输出数据进行重点提取，最后经全连接层获得深度−电阻率数据。研究结果表明：AC-BiLSTM算法能充分挖掘数据时空特性，快速获得符合地层电性特征的电阻率成像结果，在瞬变电磁正演数据集上的预测值与正演模型拟合优度达0.898、均方根误差18.44、平均相对误差0.065，与单一长短期记忆神经网络及Occam方法相比，拟合优度分别提高了0.086、0.176，均方根误差分别减小了2.97、9.32，平均相对误差分别减小了0.012、0.068。通过对V8电法工作站实测瞬变电磁数据的AC-BiLSTM反演，快速实现了研究区地层的精准分层、圈定了煤矿采空区分布范围，获得成果与真实情况一致。研究成果突破了传统反演方法局限性，提高了瞬变电磁数据解释精度及效率。

• 黏弹介质槽波超前探测数值模拟与波场分析

  何帝秀, 姬广忠, 焦文杰, 张亚伟, 于坤,

  目前常用槽波超前探测掘进工作面前方隐伏断层，而实际煤层具有黏弹性，对槽波有吸收衰减作用。为研究黏弹煤层介质中槽波超前探测的波场特征和传播规律，基于Kelvin-Voigt一阶速度−应力方程，建立了三维含断层煤系地质模型，进行了三维有限差分数值模拟。结果表明：黏弹介质中反射槽波能量衰减大，其传播与衰减特征比完全弹性介质更符合实际煤层反射槽波传播特征。煤层Q值越大槽波超前探测效果越好，煤层Q值过小时，槽波超前探测效果差，可利用x分量的反射横波与z分量的P-S波超前探测。断层落差小于煤厚时，y和z分量的槽波超前探测效果都较好；落差大于煤厚时，可利用y分量进行槽波超前探测。断层夹角大于60°时，可利用y和z分量进行槽波超前探测；夹角小于60°时，可利用x和y分量进行槽波超前探测。研究结果可为煤矿槽波超前探测提供理论支持。

• 煤矿井下智能化钻探配套钻具研究进展

  高晓亮,

  作为智能化钻探的重要组成部分，钻具系统的智能化对煤矿井下钻探的智能化发展起着至关重要的作用。为深入探究智能化钻具的发展方向，结合石油天然气行业发展经验，从定向钻具、随钻测量系统以及智能化钻杆、钻头等方面系统梳理了煤矿井下智能化钻探配套钻具的研究成果与技术特点，总结了存在的不足。指出目前煤矿井下智能化钻探定向钻具多以螺杆马达为主，主要研究集中于螺杆马达的线形设计、定子橡胶抗疲劳研究与不同工艺个性化定制，旋转导向钻具的开发与石油天然气行业存在较大差距，仅处于起步阶段；随钻测量系统可监测参数较少，监测的数据以轨迹参数为主，逐步加入了伽马地层识别，数据传输以有线与泥浆脉冲方式为主，存在数据容量小、传输效率低的问题，无线电磁波方式传输距离较短，仅能满足500 m以内钻孔；智能化钻杆研究主要为通缆钻杆的优化与改进，智能化钻头的研究尚未开展。为实现煤矿井下智能化钻探，提出开展以旋转导向为主，多种定向钻具综合运用的钻具定向系统研究；随钻监测系统应集成瓦斯监测、地下水探测及地应力感知煤矿钻进特种需求的功能，并配合多种传输方式并存的随钻测量系统研究以适配不同钻进工艺，同时提升传输速率，实现信息高速双向传输；开展载荷自监测的智能化钻杆与破岩参数自监测的智能化钻头研究。通过钻具系统的优化组合，形成集高效破岩钻进、钻孔轨迹动态调整、钻具自身状态监测以及瓦斯与地下水、地应力实时监测功能于一体，具备双向通信、自适应调控的智能化钻具系统。上述研究成果将丰富对煤矿井下智能化钻探配套钻具系统的全面认识，为智能化钻探配套钻具系统的后续开发提供依据与指导。

• 旋转导向系统及其控制方法研究进展

  黎伟, 牟磊, 周贤成, 谭先辉, 付权,

  旋转导向系统是定向钻井技术中一颗璀璨的明珠，是实现油气资源低成本、高效开发的重要技术手段。首先阐述了旋转导向系统的基本结构，根据不同的导向方式和偏置效果可分为静态推靠式、动态推靠式、静态指向式、动态指向式、混合式五大类，并逐一分析其定向原理；其次根据国内外旋转导向系统技术研究及应用情况，系统分析了推靠式、指向式、混合式的发展现状，归纳分析了不同技术的优缺点；同时从现代控制、智能控制、复合控制3个方向梳理总结了旋转导向控制系统控制策略的基本情况进展；最后，讨论了我国未来旋转导向技术的发展方向和控制系统设计所面临的难点问题以及解决思路。指出：(1)我国应该完善现有的推靠式和指向式系统，提升系统造斜率、稳定性、自动化和智能化程度，开展导向技术、双向通信、井下闭环控制等配套技术的研究，进一步提升系统的工业化应用能力。(2)开展混合式旋转导向系统地面监控、双向通讯、随钻测量和井底钻具组合四大子系统的理论研究。(3)针对钻井环境多样化、控制能力精细化和控制需求智能化等诸多挑战，提出今后控制技术研究应重点关注3个方向：多种控制方法的综合应用、对复杂环境和未知挑战的自适应容错能力、基于智能技术的决策/控制一体化。本研究为我国未来旋转导向系统的研制和完善提供有益的参考；对控制系统而言则在多种控制方法综合发展基础上结合人工智能技术，形成一套能够有效应对未来挑战的控制策略。

• 钻锚机器人钻臂轨迹规划方法研究

  雷孟宇, 张旭辉, 杨文娟, 董征, 万继成, 张超, 杜昱阳,

  为提高煤矿巷道支护效率，改善掘进工作面自动化智能化程度，设计了一种集成悬臂式掘进机和六自由度机械臂的钻锚机器人，研究了钻锚孔孔序规划策略及钻臂轨迹规划方法。首先，基于改进的DH方法建立机械臂结构的运动学模型，分析其运动学正解和逆解，解算钻机空间位姿及对应的关节变量值；其次，基于蒙特卡罗随机数方法分析机械臂运动空间，求解双机械臂运动范围；基于钻锚作业工艺要求提出一种钻锚孔孔序规划策略，在不同条件下两机械臂按照一定锚固顺序完成顶板锚固作业任务；最后，基于五次多项式插值方法完成机械臂轨迹规划，以实现钻臂快速平稳达到目标位置。仿真结果表明，钻锚机器人能满足宽×高为6 000 mm×4 500 mm范围内的巷道支护要求，基于该孔序规划策略和钻臂轨迹规划方法，两钻机在进行顶板锚固作业任务时能有效避免干涉，实现准确、平稳运动至锚固点，完成锚固任务。研究结果为发展自动支护和智能掘进提供了一种思路和方法。