煤矿井下钻探装备和钻探施工技术发展与探索

马新平，刘 伯

（开滦能源化工股份公司，河北 唐山 063000）

1 国内井下钻探装备的发展

中国煤矿坑道钻机的发展如图1 所示。

图1 中国煤矿坑道钻机的发展Fig.1 Development of coal mine drill in China

1.1 机械钻机应用

我国井下钻探装备技术的发展经历了从弱到强、从引进到自主研发的过程。21 世纪以来，在国家科技重大专项等项目的支持下，我国井下钻进技术取得显著进步，配套装备能力水平不断提升，形成了相对完备的钻进技术装备体系。

建国初期我国地质勘探力量薄弱，主要是引进和仿制苏联钻机。目前，我国地质钻探装备的设计和制造已具备较强实力，机械立轴式钻机在基本性能、技术水平上与国外基本接近。机械立轴钻机造价低，具有维护保养简单、安装拆卸方便等优点，目前一些煤矿仍以立轴机械钻机为主，如XY 系列、SGZ 系列和ZLJ 系列钻机。

1.2 全液压钻机应用

全液压钻机是相对于机械钻机而言的，其回转、给进装置都采用液压传动方式。20 世纪80 年代开始，相关科研院所从钻机、钻具、钻头及钻进工艺等方面对煤矿井下钻探技术及装备进行了大量研究工作，自煤炭科学西安研究院1981 年研制出煤炭系统首台MK-150 型液压钻机开始，经过近40 多年的发展，国内形成了ZDY（MK）、ZY、ZYW 和CMS 等多个品牌系列60 多个型号的分体式、履带式全液压钻机等。

全液压钻机分为主机、操作台、液压泵站3 部分，机手能够远离孔口操作，保障了操作人员的安全。采用油压驱动和控制所有运转部件，用高压变量油泵和变量驱动马达实现无级变速，简化了传动机构，实现钻机的模块化设计，同时也促进自动化智能化钻机的开发。目前，全液压钻机市场占有率达90%以上，是坑道钻机的主要产品。

1.3 智能钻机开发与应用

20 世纪90 年代，我国开始进行传统钻机自动化改造、电液联合控制等原理性研究。2005 年以后，中煤科工集团重庆研究院有限公司等单位开展了自动装卸钻杆、自动化钻进、无线遥控等关键技术的研究，实现了大倾角自动上下钻杆、全自动钻进、智能防卡钻、自动调整钻孔姿态等智能化功能，开发了多种实用化的煤矿智能钻探装备。2016年以来，智能钻机开始在淮南矿业谢桥煤矿和平煤神马集团八矿等进行实验性、小批量使用，遥控自动钻机在降低现场强度、减少下井人数、提高现场安全性等方面效果显著。目前，智能化钻机尚处于初级阶段，但随着5G 技术工业应用推广，必将加速煤矿井下智能钻机的开发和推广。

2 国内井下钻探施工技术的发展

2.1 定向钻进技术

传统回转钻机配套稳定组合钻具的钻进工艺，施工工艺复杂，钻进定向精度差。20 世纪90 年代我国陆续引进国外定向钻机和煤矿井下随钻测量技术，如美国、德国、澳大利亚的LHD-15 钻机、P75 和VLD-1000 钻机等。定向钻进新技术装备在山西晋城矿区和宁夏宝德煤矿得到成功应用，并于2003 年突破千米单孔钻进深度，2019 年又将我国煤矿井下顺煤层定向孔最大孔深纪录提高到2 570 m，创造了世界纪录。

集束型定向钻孔、梳状钻孔等定向钻进工艺应用，使得钻孔轨迹能够设定在特定层位中延伸，提升了钻孔的利用效率。定向钻探施工技术施工多分支钻孔，钻孔轨迹能够均匀覆盖整个工作面，提高了工作面瓦斯抽放和顶板疏水效果。定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域得到越来越广泛的应用。

2.2 软岩钻探技术

传统井下钻探采用清水冲洗排渣，使用外平钻杆钻进，当遇软岩（煤） 时，排渣困难易造成卡钻埋钻事故。2009 年西安院殷新胜等研究了中风压松软煤层中风压空气钻进技术与装备，筛管护孔工艺，空气钻进主要依靠压缩空气即压风实现排粉，钻进阻力小，保证供风压力和供风流量，可有效提高压风排粉效率，增加钻孔深度，保障成孔率，生产实践证明在同等施工条件下的钻孔深度和钻进效率有较大幅度提升。2014 年重庆院李彦明等研究了ZYW-1900R 在松软煤层中施工的工艺技术，如六方插接式螺旋钻杆，钻杆间采用高强度螺栓紧固，这种设计使得钻机在遇到抱钻、卡钻等事故时，动力头能够反转运行，有利于提取钻具，降低了发生孔内事故和钻杆折断的几率。西安院高晓亮等研制了一种偏心跟管PDC 钻头，并研究了施工过程中的参数对钻进效率和钻头寿命的影响。钻机、钻具及施工工艺上的发展，有效促进了煤矿软岩钻探技术难题的解决，提升了钻探施工效率。

3 发展适合矿井特点的钻探设备和施工工艺

开滦煤矿水文地质条件复杂，井下钻遇岩性多以煤层及其顶底板泥岩、粉砂岩为主，塌孔、卡埋钻问题突出，深部矿井资源开发存在瓦斯、冲击地压等问题，对钻探安全施工提出更高的要求。多年来，开滦矿区结合自身矿井地质特点和矿井发展定位，引进国内外先进钻探装备和技术，探索实践形成适合自身特点的综合配套钻探技术方法，努力满足矿区安全和生产对地质工作的需求。

3.1 矿井特点与钻孔性质

开滦煤矿始建于1878 年，被列入教课书的陷落柱治理疑难水文地质问题。开滦是中国最大的肥煤生产基地，开平煤田现有生产矿井6 对，均为近距离煤层群开采，煤层间距较小，煤层顶底板以粉砂岩、泥岩为主，且煤系地层普遍发育灰白色遇水易膨胀软化砂岩层（俗称“白砂矸”），微观分析表明，软岩段岩层粘土矿物高达53%～74%，其中蒙脱石和高岭土含量较高，蒙脱石遇水后发生快速膨胀和泥化流变，是构成巷道变形失控的重要机制，给钻探施工以及井巷支护维护造成困难。矿区普遍存在松软地层，钻探性质主要为老空水探放孔、疏水降压钻孔、超前探查钻孔以及瓦斯抽放钻孔，钻孔孔深以150 m 以浅为主。

3.2 配置适合矿井发展特点的钻探设备

3.2.1 大功率钻探装备应用

采用大功率履带钻机施工，提高钻探施工效率。2014 年钱家营矿-850 主石门防突超前探施工中，前期使用的设备为ZLJ-650 钻机，班均进尺在20 m 左右，后期改用的设备为ZYWL-6000钻机，每班平均进尺在35 m 左右，进尺效率大大提高。目前，开滦各矿在具备条件的区域推广使用大功率全液压钻机，唐山矿现配置ZDY3200钻机5 台，钱家营矿和东欢坨矿分别了配置扭矩 1 200 N·m、6 000 N·m 钻机 12 台和 10 台。据统计，开滦股份公司2004 年共有井下钻机49 台，平均扭矩768 N·m；2019 年井下钻机数量113 台，平均扭矩达1 269 N·m，钻机总装配能力提升近3倍，如图2 所示。

图2 开滦煤矿钻探装备能力发展Fig.2 Development of drilling equipment capability in Kailuan

大功率钻机高压注浆过断层破碎带施工工艺。东欢坨矿-690 水平运输大巷超前探测SF5 断层，断层落差25 m，断裂带宽度达30 m，且断层局部导水，钻孔最大水量1.9 m3/min，水压3.5 MPa，断层带有动力现象，曾出现严重的钻孔喷孔情况。为确决施工困难，引进ZYW-4000 煤矿用全液压钻机，额定扭矩4 000 N·m，采用配套的φ73 mm 螺旋钻杆。选用高压注浆泵，采用2TGZ-Ⅱ高压注浆泵，最大注浆压力40 MPa。以上设备的引用，实现了对破碎带进行高压注浆和快速钻进，顺利完成断层探测和水患工程治理任务。

近年来，在大功率钻探设备应用的同时，钱家营矿、东欢坨矿等主力矿井又在定向钻机引入上迈出了重要一步，提高了钻探施工效率和钻探成果质量，为安全高效探放水和地质勘探工作提供了重要技术保障。

3.2.2 小机型钻探装备应用

架柱式液压钻机机身轻便，方便狭窄空间钻探施工。范各庄矿2008 年治理10 号陷落柱时，必须在7 m2的小空间内（巷道中间悬空还有两条直径377 mm 输水管路） 施工注浆孔，当时配备的钻机无法满足工程需要。通过对比、论证，引进了ZYJ420/200 架柱式液压钻机，该设备结构简单、机身轻便、操作维修方便，钻场占用空间小，钻机可全方位施工。范各庄矿现有ZYJ 系列钻机15台，架柱液压钻机成为该矿钻探装备的主力机型。吕家坨矿和林西矿结合自身钻探任务特点，则以小机型的立轴机械钻机为主。

3.2.3 井下测井技术应用

开滦集团公司结合矿区特点与相关科研院所合作开展了大量井下测井试验和生产应用工作，井下钻探逐渐由盲打转向测斜辅助地质、水文地质分析，提高了钻探成果质量。主要应用测斜设备有全方位钻孔测斜仪、钻孔窥视仪、钻孔全景成像仪、钻孔测井分析仪等，见表1、图3。

表1 开滦煤矿井下钻孔测井设备Table 1 Kailuan Mine underground logging equipments

图3 开滦煤矿井下钻孔测斜技术发展Fig.3 Development of underground logging technology in Kailuan

钻孔窥视，钻孔成像技术应用，为解决钻孔孔内事故、钻孔内煤炭地层地质构造信息、采掘生产施工提供了重要参考。钻孔测斜，早期在钻孔成孔后，采用推杆将探管送入孔内进行测斜，后来发展到将探管嫁接到钻杆上，实现了随钻测斜和定向钻探。综合测井，成像与测斜结合、测斜与物理测井技术的结合，不仅提供了钻孔实际轨迹，同时提供孔内煤岩层赋存影像特征，为复杂地质条件下钻孔取芯困难时的地质分析提供重要参考。

3.3 建立适合矿井地质特点的钻探施工技术

3.3.1 因地制宜选择钻探钻具

螺旋钻杆、三棱钻杆等特殊钻杆应用。煤层中利用螺旋钻杆钻进，具有排渣干净，孔壁相对完整，成孔率高的特点，减少了塌孔事故。同时，研制加设风水切换装置，实现水钻和风排钻进的快速切换，避免了循环水对孔壁的冲刷软化，杜绝风钻可能引起的火灾隐患。在防突钻孔施工中，采取加大钻机扭矩、应用螺旋钻杆等措施提高钻进能力，还采用了钻具中加设逆止阀，防止水煤倒流至使钻杆堵塞，加快了高瓦斯软煤钻孔施工进度。据统计，东欢坨矿井下现有外平钻杆和螺旋钻杆钻进中，螺旋钻杆应用达60%以上，钱家营矿和范各庄矿也都有较好的应用。

3.3.2 开拓思路探索施工工艺

注浆以及化学浆液护壁技术以及多层套管、距管钻进技术的应用。范各庄矿施工松软煤（岩） 层钻孔，岩芯管前端带相应口径的特制筒状合金钻头，后端上螺丝头，当第一根套管钻进到孔内后，解下螺丝头，上第二根套管，再钻进，直到钻进至设计深度，然后用小径钻头清理出套管内的煤岩粉，直接上注浆盘封注承压套管。林南仓矿在施工-650 回风石门A 层底板井下水文观测孔，加大开孔孔径，钻孔先后下设了4 层止水套管和1 层滤水管，成功在软岩中施工疏水降压钻孔，终孔水量0.35 m3/min，水压5.2 MPa，如图4 所示。赵各庄矿在14 水平东Ⅷ断层探测时，针对瓦斯压力大和水喷孔的问题，采取用水冲孔、增打辅助钻孔注浆等措施，顺利通过煤层，探清了断层赋存状态。

图4 井下高压软岩含水层水文观测孔钻孔结构Fig.4 Drilling structure in high pressure soft rock aquifer

3.3.3 加强施工管理和工序衔接

加强人员操作规程培训，重点做好措施的培训和贯彻，员工做好现场施工条件确认和钻具检查，严格操作顺序施工。特殊钻孔必须由有经验的技术工人司钻，下钻时，钻头距孔底1～2 m 时必须给水，同时掌握好泵压，见返水后才能钻进。钻头下到孔底，给转并冲孔10 min 以上方可钻进。由专人看好水泵吸水管，吸水龙头不准有堵塞，不准吸空。无芯钻进时，班末必须冲孔20 min 以上再提钻，并至少提出10 m 钻杆。钻进中如果停电或水泵故障，必须立刻接通高压风吹出孔底岩粉。

4 结 论

（1） 结合矿井地质特点和矿井发展定位，引进国内外先进钻探装备和技术，建立适合自身特点的钻探技术体系。近年来，钻探装备同采掘设备一样向着大型化方向发展，发展型复杂地质条件矿井，超前探和瓦斯抽采钻探工程量大，应当紧跟钻探技术发展前沿，发展大功率设备和定向钻探设备，提高工作效率和安全可控度。

（2） 因地制宜，解决特殊工作环境和地质问题，采用灵活的小型化设备，开展小革小改活动，研究适合当地条件的钻探施工技术，更好的解决制约生产的地质和钻探问题。

（3） 我国井下钻探装备经历机械立轴钻机、全液压钻机发展阶段，并在向智能化钻机阶段迈进。煤矿井下近水平千米定向钻进、随钻测量等技术与装备方面已跨入国际先进行列，但与先进的石油定向钻井和测井技术相比，在装备可靠性、自动化程度、随钻测量仪器上还有一定差距，还需借鉴和吸收国内外石油和煤层气的先进钻井新技术，加快智能化钻进装备与钻进技术方面的深度融合，在钻探领域实现“机械化换人、自动化减人”，达到减员增效的目的，跟上智能矿山建设步伐，为煤矿区瓦斯抽采、水害防治以及其他隐蔽致灾因素探查提供更好的装备与技术支撑。