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第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China Abstract According to the drilling technology requirements and problems under complicated geological conditions, such as broken soft coal seam, hard rock, rockburst strata, fractured zone, water-sensitive strata, etc, the research and application of drilling technology and screen pipe protection in broken soft coal seam, comb-like directional drilling technology in broken soft coal seam, high-level directional drilling technology in complicated roof strata, full-section across-layer drilling technology of hard rock, and drilling technology for pressure relief in rockburst strata were summed. This paper puts forward the research approaches of the technology and equipment of dou- ble-pipes directional drilling and rotary directional drilling in broken soft coal seam, which are helpful to improve the drilling depth, the diameter of the screen and the drilling efficiency, and the improvement of directional drilling technology and support equipment will also promote the change of gas extraction mode of broken soft coal seam. 万方数据 2 煤田地质与勘探 第 48 卷 The research of drilling robots for gas outburst prevention and coal bump prevention are the development trend of drilling technology and equipment under complicated geological conditions in underground coal mines, which can promote the construction of unmanned coal mines. In addition, the influence of local complex strata on drilling should be solved to better promote the progress of intelligent drilling technology and equipment, so as to ensure the safe and efficient production of coal mines. Keywords complicated geological condition; drilling technology; broken soft coal seam; directional drilling; drill robot 煤矿井下钻探技术应用于瓦斯抽采、探放水、 地质勘探、注浆、防灭火等领域[1-3]，为煤矿安全高 效生产提供了重要的地质保障。我国煤矿地质条件 比较复杂，在碎软煤层、坚硬岩层、冲击地压地层、 局部破碎带、水敏性地层等复杂地质条件下钻探施工 时，常遇到钻进效率低、钻孔深度浅、孔内事故频发 等问题[4-7]，对煤矿安全高效开采造成不利影响。 碎软煤层由于瓦斯压力大、煤质松软破碎，钻 进时常规的清水介质冲洗液对煤层的扰动大[8]，引 起排渣不力、造成成孔困难或成孔深度浅，且钻孔 完成后易塌孔，影响瓦斯抽采效果。针对碎软煤层 顺煤层难以施工定向钻孔及采空区瓦斯等的综合治 理问题，采用定向钻进方法，先在煤层的稳定顶底 板岩层中施工定向主孔，再从主孔向煤层或采空区 裂隙带施工小曲率梳状分支钻孔，这对于定向钻进 装备及工艺技术又提出了新要求[9-10]。对于上邻近 层赋存瓦斯、受采动影响开采煤层涌出的瓦斯、采 空区瓦斯及采空区积水等，采用顶板高位定向钻孔 抽采或探放，在复杂顶板钻进时钻进效率低下、钻 具损耗大、难以开分支孔等问题凸显[11-12]；另外， 在穿越硬岩顶板的穿层钻孔设计中，一个巷道断面 内要连续施工多个不同角度、不同开孔位置的密集 扇形钻孔，要求装备具有高效开孔参数调整和高效 钻进的特点[13-14]；同时，近年来随着煤矿开采深度 的增加，出现冲击地压灾害的矿井明显增多，给矿 井安全生产带来很大威胁，在冲击地压卸压钻孔施 工过程中要求钻孔施工时间尽可能短， 以降低卡钻、 埋钻概率[15-17]。 针对不同的技术需求，目前已经逐渐形成了适 应于上述复杂地质条件下的钻探技术与装备，并取 得了较好的应用效果。随着煤矿对安全高效开采的 进一步提升，自动化、智能化钻进装备和精准定向 钻探技术逐渐成为发展趋势，也为复杂地质条件下 钻探技术装备发展提供了新思路。 1 复杂地质条件下典型钻探技术与装备现状 1.1 碎软煤层中风压钻进 碎软煤层压风钻进具有对孔壁扰动作用小，有 利于孔壁稳定和瓦斯解吸的特点，因此，孔内事故 少，成孔率高[18]。随着煤矿对瓦斯抽采孔施工效率 和孔深要求的提高，常规风压小于 0.8 MPa下钻进 已不能满足需要。中风压最大 1.25 MPa钻进技术 采用额定转矩为 3 2006 500 Nm 的分体式钻机或 履带式钻机配套移动式防爆空压机、大通孔宽翼片 螺旋钻杆或三棱钻杆、射流式孔口除尘器等装备。 中风压钻进技术的应用将碎软煤层的钻孔深度 普遍提高到 150 m 以上，已成为碎软煤层本煤层钻 孔的主要钻进技术之一。该技术在淮北、淮南、韩 城等碎软煤层矿区得到了普遍推广，最深钻孔达到 230 m。该技术存在的问题是钻孔轨迹不可控，导致 煤层钻遇率低，存在瓦斯抽采盲区。 1.2 碎软煤层高转速螺旋钻进 螺旋钻进是一种干式钻进方法，依靠螺旋钻杆 叶片旋转排渣，常规转速小于 200 r/min的螺旋钻 进技术排渣效率低，钻进效率低，施工孔深浅[19]。 高转速螺旋钻进技术大于 400 r/min利用高速旋转 的螺旋钻杆配合适宜的转矩和钻进速度将钻进过程 中产生的大量煤粉排出孔外，克服了碎软煤层钻进 时煤粉不能及时排出，导致钻进困难、孔内事故多 的问题，有效提高了钻孔深度和钻进效率。主要配 套装备有额定转速为 4001 000 r/min 的高转速钻 机、高翼片螺旋钻杆等。 高转速螺旋钻进技术在阳泉、晋城等矿区取得 了良好的应用效果。阳泉矿区新元煤矿钻孔深度提 高到 300 m 以上，最大孔深达 330 m；晋城矿区赵 庄煤矿、长平煤矿钻孔深度提高到 180 m，最大孔 深 216 m。该技术适用范围较窄，主要适用于一些 煤层条件相对稳定、煤层含水很少的碎软煤层。 1.3 碎软煤层气动螺杆马达定向钻进 随着中风压钻进钻孔深度的增加，钻孔轨迹不可 控、煤层钻遇率低等问题逐渐显现[20]。以中风压防爆 空压机或高风压制氮机输出的高压气体为驱动介质， 以气动螺杆马达为动力输出单元，结合复合定向钻进 工艺技术，配套额定转矩为 4 0006 000 Nm 的定向钻 机、专用电磁波或有缆随钻测量系统、螺杆马达润滑 冷却装置、宽翼片螺旋钻杆等，形成了碎软煤层气动 螺杆马达定向钻进技术与装备， 其孔底钻具连接如图 1 所示。利用该技术装备可以实现在碎软煤层中的钻孔 轨迹控制，提高碎软煤层瓦斯抽采孔的钻孔深度和煤 层钻遇率，进而提高瓦斯抽采率。 万方数据 第 2 期 姚宁平等 我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展 3 淮南矿区潘三矿采用气动螺杆马达定向钻进技 术， 孔深提高到 220 m 以上， 煤层钻遇率 90以上， 最大钻孔深度达 300 m，瓦斯抽采效果是常规钻孔 的 34 倍。贵州青龙矿进行的定向钻进试验，钻孔 深度 300 m 以上，最大孔深达 406 m，瓦斯抽采纯 量是常规钻孔的 10 倍以上， 钻孔成孔与瓦斯抽采效 果显著。该技术在应用中还存在钻进效率低、特软 煤层成孔率有待提高等问题。 1.4 碎软煤层钻孔筛管护孔 碎软煤层钻孔成孔后易发生孔壁坍塌，导致煤 层钻孔堵塞，阻断瓦斯抽采通道，瓦斯抽采效率低、 抽采周期短，严重影响煤矿安全生产[21]。通过在成 孔后采用裸眼下筛管，但筛管护孔率很低。因此， 为解决碎软煤层成孔后钻孔垮塌导致筛管安设困难 的问题，开发了煤矿井下碎软煤层筛管护孔技术装 备， 再利用护孔筛管作为钻孔瓦斯长期抽采的通道， 技术原理如图 2 所示。筛管护孔技术主要配套装备 有大通孔宽翼片螺旋钻杆73 mm 或 89 mm、开 闭式钻头、护孔筛管32 mm 或 40 mm及孔底悬 挂装置等。碎软煤层钻孔钻进成孔后先不提钻，从 钻杆的内通孔中安设筛管，筛管最前端连接孔底悬 挂装置，当筛管输送到钻头部位时，通过施加轴向 力， 使钻头内芯打开， 筛管即 可穿过钻头体， 此时， 孔底悬挂装置弹卡张开并悬挂在孔壁上，将筛管固 定住，然后逐根提出钻杆，而筛管留在孔内，作为 长期瓦斯抽采的通道。 图 1 气动螺杆马达定向钻进钻具连接示意 Fig.1 Connection of pneumatic screw motor directional drilling tool 该技术逐渐在全国各个碎软煤矿区陆续得到应 用， 相比裸眼下筛管技术， 钻孔筛管护孔率可达 95 以上，瓦斯抽采体积分数增加 10、纯量增加 20 以上。目前存在的主要问题是筛管直径小。 1大通孔宽翼片螺旋钻杆；2开闭式钻头；3护孔筛管； 4孔底悬挂装置 图 2 筛管护孔技术原理 Fig.2 Principle of screen pipe hole-protecting technology 1.5 碎软煤层顶底板梳状孔定向钻进 由于碎软煤层成孔性差、成孔效率低等问题， 通过在成孔性好的煤层顶板或底板施工定向主孔， 再根据设计要求开分支孔进入煤层或目标区域，从 而实现碎软煤层远距离瓦斯消突、预抽与卸压抽采 等目的[22]，因钻孔结构呈梳子状而称为梳状定向钻 孔。再根据梳状定向钻孔与煤层空间位置关系可分 为近煤层顶底板梳状定向孔和远煤层顶板梳状定 向孔。近煤层顶底板梳状定向孔用于解决碎软煤 层瓦斯预抽和防突、掩护煤层巷道掘进；远煤层顶 板梳状定向孔可用于采空区和上隅角瓦斯治理；梳 状孔定向钻进技术原理如图 3 所示。在梳状孔施工 中，针对水敏性泥岩开发抑制性强的可降解低固相 冲洗液，抑制缩径问题；针对岩层破碎带，开发可 降解乳液型冲洗液，提高孔壁稳定性；针对碎软煤 层可利用降解高黏度无固相冲洗液来增强携渣能 力；通过冲洗液的可降解性，保持煤层渗透性，保 障瓦斯抽采畅通。配套装备主要包括定向钻机、高 韧性通缆钻杆、螺杆马达、定向钻头、随钻测量系 统、孔底封隔斜向器等。 在晋城矿区成庄煤矿施工了近煤层顶板梳状钻 孔，用于解决本煤层钻孔因残留水堵塞瓦斯抽采通 道难题。施工主孔深度 423 m，累计进尺 831 m。通 过分支孔与本煤层孔贯通，单米孔深瓦斯抽采纯量 提高了 20 余倍。 在贵州毕节施工 4 个近煤层底板梳 状钻孔，主孔深度均大于 600 m，单个分支孔最大 深度 141 m，单孔抽采瓦斯体积分数 6085、抽 采纯量 0.82.5 m3/min。 图 3 梳状孔定向钻进技术原理 Fig.3 Principle of comb-like directional drilling 1.6 复杂顶板高位钻孔定向钻进 在复杂顶板高位定向钻孔施工中常遇到穿越破 碎带及硬岩钻进等问题，在解决破碎带施工问题，常 采用局部注浆、扩大破碎带钻孔孔径、利用定向钻孔 万方数据 4 煤田地质与勘探 第 48 卷 轨迹设计避开破碎带等措施。在硬岩定向钻进中常遇 到由于所需钻压大、钻孔深度大，钻压不能有效传递 到孔底钻头，导致无法继续钻进或钻进效率极低的问 题[23]， 通过研发孔底通缆式水力振荡器图 4和水力加 压器图 5等装置， 并将其安装在定向钻进钻杆柱的适 当位置，可以有效降低钻杆摩阻、提高钻压。 在淮南张集矿–600 m 疏水巷钻孔中安装水力 振荡器后平均给进表压降低 30、平均钻效提高 130； 在–600 m 疏水巷钻孔中安装水力辅助加压器 后平均给进表压降低了 23.8、平均钻效提高了 137。通过现场应用表明，采用水力振荡器和水力 加压器及配套工艺，能够有效解决煤矿井下深孔定 向钻进中的托压问题，对于减小给进力、提高钻进 效率、延长钻孔深度具有重要意义。 图 4 水力振荡器 Fig.4 Hydraulic agitator 图 5 水力加压器 Fig.5 Hydraulic pressurizer 1.7 全断面硬岩穿层钻进 在一些碎软煤矿区，瓦斯含量高且压力大，底 抽巷穿层钻孔一般设计成垂直于巷道走向的扇形， 具有钻孔布置密集、钻孔深度较大且最低开孔位置 低、需要穿越顶底板硬岩及煤层夹矸等特点，针对 这种需求，开发了适合低位开孔、全断面钻进的中 大转矩钻机， 并配套适合硬岩钻进的 PDC 弧角型钻 头。钻机变幅机构上安装的给进装置可以在垂直于 巷道断面的–180180倾角范围内调整，可实现一 次稳固钻机施工多个扇形布置的穿层钻孔，显著提 高了钻孔的开孔效率，降低了劳动强度。常规的三 翼内凹型 PDC 钻头在遇到硬岩坚固性系数 f≥8 时出现钻进效率低，钻头寿命较短、施工成本高等 问题[24]，而冲击回转钻进存在钻具更换耗时长、潜 孔锤钻头使用寿命短等问题。通过采用中大转矩全 断面钻机额定转矩 4 5006 500 Nm配套 PDC弧角 型钻头，可以显著提高硬岩穿层全断面钻进效率。 针对穿层钻孔倾角大的特点，在钻机上研发了自动 防动力头下滑功能，用于大角度钻孔时动力头自动 可靠停位，提高施工安全性。 在淮南顾桥矿采用 ZDY6500LQ 钻机施工效率 相比原来的钻机提高 40以上。在贵州小屯煤矿， 采用 ZDY4500LQ 钻机施工，全断面穿层钻孔设计 孔深 4050 m，单日最大进尺达 310 m，钻进效率显 著。由于全断面钻机的整体施工效率很高，在淮南、 义马、六盘水、焦作等矿区的复杂地层穿层钻孔中 得到了快速推广应用。 1.8 冲击地压地层卸压钻进 钻孔是防治冲击地压的有效方法。钻孔卸压是 利用煤层钻孔破裂和煤体软化，借助钻孔周围破碎 区的形成和贯通作用，使煤层破裂卸压。针对冲击 地压矿井煤层钻孔成孔浅、排渣难等问题，开发冲 击地压煤层大直径卸压孔快速成孔技术。采用水介 质驱动， 通过在钻机动力头和夹持器中间加接钻杆、 动力头后部提钻杆的钻进操作方式提高加卸钻杆效 率，采用“快进快出”的大直径钻孔钻进工艺方法， 形成了冲击地压矿井大直径卸压钻孔成孔技术。配 套装备主要包括大通孔中高转速钻机额定转速 300 400 r/min、宽翼片螺旋钻杆、大直径钻头153 mm 193 mm等。 在河南常村煤矿预防冲击地压的应用中，钻孔 深度由 20 m 延伸至 40 m，孔径由 125 mm 增大到 193 mm，促进巷道掘进效率提高 10。在陕西正通 高家堡矿的应用中，实现了跨皮带钻孔和超前卸压 孔的施工，巷道侧帮孔和底板孔效率分别提高了 166和 85.6。该技术的推广为冲击地压矿井安全 高效开采提供了有力的技术支撑。 2 复杂地质条件下的钻探技术与装备展望 2.1 碎软煤层双管护孔定向钻进技术与装备 碎软煤层长钻孔过程中存在易塌孔导致钻孔深 度浅或钻进效率低、护孔筛管直径小导致瓦斯抽采 效果差等问题，可研发双管护孔定向钻进技术与装 备。通过开发具备定向功能的双动力头钻机，利用 双动力头定向钻机的一个动力头驱动外管套管总 成，另一个驱动内管钻杆总成，外管和内管可分 别独立旋转，又可实现同步给进。内管总成包含气 动螺杆马达及随钻测量系统等，可进行定向钻进轨 迹控制，外管总成旋转钻进起到护孔作用。终孔完 成后，先提出内管总成，再从外管中安设大直径护 孔筛管及悬挂装置，最后提出外管总成，并将护孔 筛管留于孔内。碎软煤层双管护孔定向钻进技术与 装备将有助于解决碎软煤层的本煤层钻孔施工难 题，利用该技术装备可提高碎软煤层瓦斯抽采孔的 钻孔深度、轨迹控制精度和护孔筛管直径，形成能 贯穿碎软煤层回采工作面的定向钻孔。 2.2 碎软煤层挠性内控旋转定向钻进技术与装备 现有的碎软煤层定向钻进技术是基于气动螺杆 万方数据 第 2 期 姚宁平等 我国煤矿井下复杂地质条件下钻探技术与装备进展 5 马达滑动定向钻进为主要原理的定向钻进技术，在 钻进过程中需要采用滑动定向钻进和复合定向钻进 交替施工，在碎软煤层中进行滑动定向钻进时，由 于钻杆不旋转、孔内煤渣容易聚集，造成排渣不畅， 存在卡埋钻、定向困难等问题，大大降低了钻进效 率。为了解决碎软煤层滑动定向钻进时存在的诸多 问题，可通过开发碎软煤层挠性内控旋转双动力头 定向钻进技术，一个动力头控制钻具的内芯杆弯头 导向变化和内芯杆制动， 实现钻孔轨迹的定向控制； 另一个动力头驱动带挠性接头的钻具旋转钻进，实 现煤粉扰动并顺利排出孔外，从而实现钻进过程中 在钻具旋转且内芯杆制动状态下的定向钻进。这种 钻进方法能有效实现碎软煤层定向孔轨迹的连续随 钻控制，并显著提高排渣效率和钻进效率。 2.3 碎软煤层定向钻进技术与装备完善 由于碎软煤层钻孔深度浅、成孔率低的普遍现 状，因此，碎软煤层的瓦斯抽采模式是首先施工专 用岩石底抽巷道，在底抽巷中施工穿层孔至工作面 煤层并抽采待掘煤层巷道中的瓦斯，再进行煤层巷 道掘进，最后沿煤层巷道施工顺层钻孔抽采煤层瓦 斯。碎软煤层定向钻进技术具有钻孔轨迹可控、成 孔深度大、煤层钻遇率高等潜在优势，为促进该技 术的应用，除钻进方法研究之外，还需攻关孔口动 力除尘、高压风源输出与控制、轨迹控制精度、钻 孔成孔率、配套装备可靠性等方面的问题，促进配 套技术装备的成熟完善。这将有助于实现利用定向 钻孔解决碎软煤层工作面和下一个条带瓦斯消突问 题，即“一孔两消”，有望彻底改变原来施工穿层孔 综合周期长、费用高的问题，实现碎软煤层瓦斯抽 采模式的变革。 2.4 防冲防突智能钻孔机器人研发 随着国家安全监察总局提出煤矿等高危行业着 力推行“机械化换人、自动化减人”的目标以及国家 煤矿安监局发布煤矿机器人重点研发目录 ，国内 一些企业加快开展遥控钻进、自动加卸钻杆、远程 控制钻机等自动化、智能化技术的研究[25-28]。针对 冲击地压卸压、底抽巷全断面穿层孔、碎软煤层本 煤层等复杂地质条件下钻孔施工时人员安全隐患 多、施工环境恶劣、加卸钻杆劳动强度大等问题， 着重研发自动连续加卸钻杆、开孔位姿自动调节、 自动钻进、孔内异常情况预警与防埋钻、远程控制 与传输等关键技术，形成自动化钻进装备，并逐步 围绕钻机动力驱动方式、井下巷道导航与避障、复 杂地质条件下的钻孔煤岩识别与钻进参数智能决 策、钻孔多参数监测、瓦斯钻孔封孔一体化技术、 人机安全施工等方面开展革新研究，形成具备自主 导航、自主开孔定位、基于智能决策控制的自适应 钻进及自动封孔等功能的智能钻孔机器人。智能钻 孔机器人的应用，将有力促进煤矿无人化矿井的建 设，进一步形成煤矿安全生产的新格局。 3 结 语 针对我国部分煤矿的复杂地质条件，从碎软煤 层本煤层钻孔与筛管护孔、碎软煤层顶底板梳状钻 孔、复杂顶板定向钻孔、碎软煤层底抽巷全断面硬 岩穿层钻孔及冲击地压矿井煤层卸压钻孔等钻探需 求出发，总结了相关钻探技术与装备的原理、技术 特点及典型应用效果，为复杂地质条件下的钻探施 工提供技术思路。 碎软煤层钻探是煤矿井下复杂地质条件下钻探 技术与装备发展的重要环节，碎软煤层定向钻进的 新技术装备研发及完善将有助于碎软煤层瓦斯抽采 模式的变革。随着智慧矿山建设，煤矿井下装备的 智能化发展将有目共睹，防冲防突智能钻孔机器人 将着力解决复杂地质条件下智能钻进的难题，将显 著提高钻孔施工安全性、减少人员数量、促进煤矿 的安全高效生产和无人化矿井建设。 目前，对局部复杂地层如破碎带、水敏性地层 等的解决办法不多， 主要依靠传统的钻探施工方法， 有些情况下需要采取躲避地层的措施。在煤矿智能 化钻探快速发展的过程中，还应着力解决好局部复 杂地层对钻进的影响，以更好地促进智能化钻探技 术装备的进步。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 石智军，胡少韵，姚宁平. 煤矿井下瓦斯抽采放钻孔施工新 技术[M]. 北京煤炭工业出版社，2008. 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