煤礦井下鉆探裝備和鉆探施工技術發展與探索

馬新平，劉 伯

（開灤能源化工股份公司，河北 唐山 063000）

1 國內井下鉆探裝備的發展

中國煤礦坑道鉆機的發展如圖1 所示。

圖1 中國煤礦坑道鉆機的發展Fig.1 Development of coal mine drill in China

1.1 機械鉆機應用

我國井下鉆探裝備技術的發展經歷了從弱到強、從引進到自主研發的過程。21 世紀以來，在國家科技重大專項等項目的支持下，我國井下鉆進技術取得顯著進步，配套裝備能力水平不斷提升，形成了相對完備的鉆進技術裝備體系。

建國初期我國地質勘探力量薄弱，主要是引進和仿制蘇聯鉆機。目前，我國地質鉆探裝備的設計和制造已具備較強實力，機械立軸式鉆機在基本性能、技術水平上與國外基本接近。機械立軸鉆機造價低，具有維護保養簡單、安裝拆卸方便等優點，目前一些煤礦仍以立軸機械鉆機為主，如XY 系列、SGZ 系列和ZLJ 系列鉆機。

1.2 全液壓鉆機應用

全液壓鉆機是相對于機械鉆機而言的，其回轉、給進裝置都采用液壓傳動方式。20 世紀80 年代開始，相關科研院所從鉆機、鉆具、鉆頭及鉆進工藝等方面對煤礦井下鉆探技術及裝備進行了大量研究工作，自煤炭科學西安研究院1981 年研制出煤炭系統首臺MK-150 型液壓鉆機開始，經過近40 多年的發展，國內形成了ZDY（MK）、ZY、ZYW 和CMS 等多個品牌系列60 多個型號的分體式、履帶式全液壓鉆機等。

全液壓鉆機分為主機、操作臺、液壓泵站3 部分，機手能夠遠離孔口操作，保障了操作人員的安全。采用油壓驅動和控制所有運轉部件，用高壓變量油泵和變量驅動馬達實現無級變速，簡化了傳動機構，實現鉆機的模塊化設計，同時也促進自動化智能化鉆機的開發。目前，全液壓鉆機市場占有率達90%以上，是坑道鉆機的主要產品。

1.3 智能鉆機開發與應用

20 世紀90 年代，我國開始進行傳統鉆機自動化改造、電液聯合控制等原理性研究。2005 年以后，中煤科工集團重慶研究院有限公司等單位開展了自動裝卸鉆桿、自動化鉆進、無線遙控等關鍵技術的研究，實現了大傾角自動上下鉆桿、全自動鉆進、智能防卡鉆、自動調整鉆孔姿態等智能化功能，開發了多種實用化的煤礦智能鉆探裝備。2016年以來，智能鉆機開始在淮南礦業謝橋煤礦和平煤神馬集團八礦等進行實驗性、小批量使用，遙控自動鉆機在降低現場強度、減少下井人數、提高現場安全性等方面效果顯著。目前，智能化鉆機尚處于初級階段，但隨著5G 技術工業應用推廣，必將加速煤礦井下智能鉆機的開發和推廣。

2 國內井下鉆探施工技術的發展

2.1 定向鉆進技術

傳統回轉鉆機配套穩定組合鉆具的鉆進工藝，施工工藝復雜，鉆進定向精度差。20 世紀90 年代我國陸續引進國外定向鉆機和煤礦井下隨鉆測量技術，如美國、德國、澳大利亞的LHD-15 鉆機、P75 和VLD-1000 鉆機等。定向鉆進新技術裝備在山西晉城礦區和寧夏寶德煤礦得到成功應用，并于2003 年突破千米單孔鉆進深度，2019 年又將我國煤礦井下順煤層定向孔最大孔深紀錄提高到2 570 m，創造了世界紀錄。

集束型定向鉆孔、梳狀鉆孔等定向鉆進工藝應用，使得鉆孔軌跡能夠設定在特定層位中延伸，提升了鉆孔的利用效率。定向鉆探施工技術施工多分支鉆孔，鉆孔軌跡能夠均勻覆蓋整個工作面，提高了工作面瓦斯抽放和頂板疏水效果。定向鉆進技術在煤礦井下瓦斯抽采、地質構造探測及防治水領域得到越來越廣泛的應用。

2.2 軟巖鉆探技術

傳統井下鉆探采用清水沖洗排渣，使用外平鉆桿鉆進，當遇軟巖（煤） 時，排渣困難易造成卡鉆埋鉆事故。2009 年西安院殷新勝等研究了中風壓松軟煤層中風壓空氣鉆進技術與裝備，篩管護孔工藝，空氣鉆進主要依靠壓縮空氣即壓風實現排粉，鉆進阻力小，保證供風壓力和供風流量，可有效提高壓風排粉效率，增加鉆孔深度，保障成孔率，生產實踐證明在同等施工條件下的鉆孔深度和鉆進效率有較大幅度提升。2014 年重慶院李彥明等研究了ZYW-1900R 在松軟煤層中施工的工藝技術，如六方插接式螺旋鉆桿，鉆桿間采用高強度螺栓緊固，這種設計使得鉆機在遇到抱鉆、卡鉆等事故時，動力頭能夠反轉運行，有利于提取鉆具，降低了發生孔內事故和鉆桿折斷的幾率。西安院高曉亮等研制了一種偏心跟管PDC 鉆頭，并研究了施工過程中的參數對鉆進效率和鉆頭壽命的影響。鉆機、鉆具及施工工藝上的發展，有效促進了煤礦軟巖鉆探技術難題的解決，提升了鉆探施工效率。

3 發展適合礦井特點的鉆探設備和施工工藝

開灤煤礦水文地質條件復雜，井下鉆遇巖性多以煤層及其頂底板泥巖、粉砂巖為主，塌孔、卡埋鉆問題突出，深部礦井資源開發存在瓦斯、沖擊地壓等問題，對鉆探安全施工提出更高的要求。多年來，開灤礦區結合自身礦井地質特點和礦井發展定位，引進國內外先進鉆探裝備和技術，探索實踐形成適合自身特點的綜合配套鉆探技術方法，努力滿足礦區安全和生產對地質工作的需求。

3.1 礦井特點與鉆孔性質

開灤煤礦始建于1878 年，被列入教課書的陷落柱治理疑難水文地質問題。開灤是中國最大的肥煤生產基地，開平煤田現有生產礦井6 對，均為近距離煤層群開采，煤層間距較小，煤層頂底板以粉砂巖、泥巖為主，且煤系地層普遍發育灰白色遇水易膨脹軟化砂巖層（俗稱“白砂矸”），微觀分析表明，軟巖段巖層粘土礦物高達53%～74%，其中蒙脫石和高嶺土含量較高，蒙脫石遇水后發生快速膨脹和泥化流變，是構成巷道變形失控的重要機制，給鉆探施工以及井巷支護維護造成困難。礦區普遍存在松軟地層，鉆探性質主要為老空水探放孔、疏水降壓鉆孔、超前探查鉆孔以及瓦斯抽放鉆孔，鉆孔孔深以150 m 以淺為主。

3.2 配置適合礦井發展特點的鉆探設備

3.2.1 大功率鉆探裝備應用

采用大功率履帶鉆機施工，提高鉆探施工效率。2014 年錢家營礦-850 主石門防突超前探施工中，前期使用的設備為ZLJ-650 鉆機，班均進尺在20 m 左右，后期改用的設備為ZYWL-6000鉆機，每班平均進尺在35 m 左右，進尺效率大大提高。目前，開灤各礦在具備條件的區域推廣使用大功率全液壓鉆機，唐山礦現配置ZDY3200鉆機5 臺，錢家營礦和東歡坨礦分別了配置扭矩 1 200 N·m、6 000 N·m 鉆機 12 臺和 10 臺。據統計，開灤股份公司2004 年共有井下鉆機49 臺，平均扭矩768 N·m；2019 年井下鉆機數量113 臺，平均扭矩達1 269 N·m，鉆機總裝配能力提升近3倍，如圖2 所示。

圖2 開灤煤礦鉆探裝備能力發展Fig.2 Development of drilling equipment capability in Kailuan

大功率鉆機高壓注漿過斷層破碎帶施工工藝。東歡坨礦-690 水平運輸大巷超前探測SF5 斷層，斷層落差25 m，斷裂帶寬度達30 m，且斷層局部導水，鉆孔最大水量1.9 m3/min，水壓3.5 MPa，斷層帶有動力現象，曾出現嚴重的鉆孔噴孔情況。為確決施工困難，引進ZYW-4000 煤礦用全液壓鉆機，額定扭矩4 000 N·m，采用配套的φ73 mm 螺旋鉆桿。選用高壓注漿泵，采用2TGZ-Ⅱ高壓注漿泵，最大注漿壓力40 MPa。以上設備的引用，實現了對破碎帶進行高壓注漿和快速鉆進，順利完成斷層探測和水患工程治理任務。

近年來，在大功率鉆探設備應用的同時，錢家營礦、東歡坨礦等主力礦井又在定向鉆機引入上邁出了重要一步，提高了鉆探施工效率和鉆探成果質量，為安全高效探放水和地質勘探工作提供了重要技術保障。

3.2.2 小機型鉆探裝備應用

架柱式液壓鉆機機身輕便，方便狹窄空間鉆探施工。范各莊礦2008 年治理10 號陷落柱時，必須在7 m2的小空間內（巷道中間懸空還有兩條直徑377 mm 輸水管路） 施工注漿孔，當時配備的鉆機無法滿足工程需要。通過對比、論證，引進了ZYJ420/200 架柱式液壓鉆機，該設備結構簡單、機身輕便、操作維修方便，鉆場占用空間小，鉆機可全方位施工。范各莊礦現有ZYJ 系列鉆機15臺，架柱液壓鉆機成為該礦鉆探裝備的主力機型。呂家坨礦和林西礦結合自身鉆探任務特點，則以小機型的立軸機械鉆機為主。

3.2.3 井下測井技術應用

開灤集團公司結合礦區特點與相關科研院所合作開展了大量井下測井試驗和生產應用工作，井下鉆探逐漸由盲打轉向測斜輔助地質、水文地質分析，提高了鉆探成果質量。主要應用測斜設備有全方位鉆孔測斜儀、鉆孔窺視儀、鉆孔全景成像儀、鉆孔測井分析儀等，見表1、圖3。

表1 開灤煤礦井下鉆孔測井設備Table 1 Kailuan Mine underground logging equipments

圖3 開灤煤礦井下鉆孔測斜技術發展Fig.3 Development of underground logging technology in Kailuan

鉆孔窺視，鉆孔成像技術應用，為解決鉆孔孔內事故、鉆孔內煤炭地層地質構造信息、采掘生產施工提供了重要參考。鉆孔測斜，早期在鉆孔成孔后，采用推桿將探管送入孔內進行測斜，后來發展到將探管嫁接到鉆桿上，實現了隨鉆測斜和定向鉆探。綜合測井，成像與測斜結合、測斜與物理測井技術的結合，不僅提供了鉆孔實際軌跡，同時提供孔內煤巖層賦存影像特征，為復雜地質條件下鉆孔取芯困難時的地質分析提供重要參考。

3.3 建立適合礦井地質特點的鉆探施工技術

3.3.1 因地制宜選擇鉆探鉆具

螺旋鉆桿、三棱鉆桿等特殊鉆桿應用。煤層中利用螺旋鉆桿鉆進，具有排渣干凈，孔壁相對完整，成孔率高的特點，減少了塌孔事故。同時，研制加設風水切換裝置，實現水鉆和風排鉆進的快速切換，避免了循環水對孔壁的沖刷軟化，杜絕風鉆可能引起的火災隱患。在防突鉆孔施工中，采取加大鉆機扭矩、應用螺旋鉆桿等措施提高鉆進能力，還采用了鉆具中加設逆止閥，防止水煤倒流至使鉆桿堵塞，加快了高瓦斯軟煤鉆孔施工進度。據統計，東歡坨礦井下現有外平鉆桿和螺旋鉆桿鉆進中，螺旋鉆桿應用達60%以上，錢家營礦和范各莊礦也都有較好的應用。

3.3.2 開拓思路探索施工工藝

注漿以及化學漿液護壁技術以及多層套管、距管鉆進技術的應用。范各莊礦施工松軟煤（巖） 層鉆孔，巖芯管前端帶相應口徑的特制筒狀合金鉆頭，后端上螺絲頭，當第一根套管鉆進到孔內后，解下螺絲頭，上第二根套管，再鉆進，直到鉆進至設計深度，然后用小徑鉆頭清理出套管內的煤巖粉，直接上注漿盤封注承壓套管。林南倉礦在施工-650 回風石門A 層底板井下水文觀測孔，加大開孔孔徑，鉆孔先后下設了4 層止水套管和1 層濾水管，成功在軟巖中施工疏水降壓鉆孔，終孔水量0.35 m3/min，水壓5.2 MPa，如圖4 所示。趙各莊礦在14 水平東Ⅷ斷層探測時，針對瓦斯壓力大和水噴孔的問題，采取用水沖孔、增打輔助鉆孔注漿等措施，順利通過煤層，探清了斷層賦存狀態。

圖4 井下高壓軟巖含水層水文觀測孔鉆孔結構Fig.4 Drilling structure in high pressure soft rock aquifer

3.3.3 加強施工管理和工序銜接

加強人員操作規程培訓，重點做好措施的培訓和貫徹，員工做好現場施工條件確認和鉆具檢查，嚴格操作順序施工。特殊鉆孔必須由有經驗的技術工人司鉆，下鉆時，鉆頭距孔底1～2 m 時必須給水，同時掌握好泵壓，見返水后才能鉆進。鉆頭下到孔底，給轉并沖孔10 min 以上方可鉆進。由專人看好水泵吸水管，吸水龍頭不準有堵塞，不準吸空。無芯鉆進時，班末必須沖孔20 min 以上再提鉆，并至少提出10 m 鉆桿。鉆進中如果停電或水泵故障，必須立刻接通高壓風吹出孔底巖粉。

4 結 論

（1） 結合礦井地質特點和礦井發展定位，引進國內外先進鉆探裝備和技術，建立適合自身特點的鉆探技術體系。近年來，鉆探裝備同采掘設備一樣向著大型化方向發展，發展型復雜地質條件礦井，超前探和瓦斯抽采鉆探工程量大，應當緊跟鉆探技術發展前沿，發展大功率設備和定向鉆探設備，提高工作效率和安全可控度。

（2） 因地制宜，解決特殊工作環境和地質問題，采用靈活的小型化設備，開展小革小改活動，研究適合當地條件的鉆探施工技術，更好的解決制約生產的地質和鉆探問題。

（3） 我國井下鉆探裝備經歷機械立軸鉆機、全液壓鉆機發展階段，并在向智能化鉆機階段邁進。煤礦井下近水平千米定向鉆進、隨鉆測量等技術與裝備方面已跨入國際先進行列，但與先進的石油定向鉆井和測井技術相比，在裝備可靠性、自動化程度、隨鉆測量儀器上還有一定差距，還需借鑒和吸收國內外石油和煤層氣的先進鉆井新技術，加快智能化鉆進裝備與鉆進技術方面的深度融合，在鉆探領域實現“機械化換人、自動化減人”，達到減員增效的目的，跟上智能礦山建設步伐，為煤礦區瓦斯抽采、水害防治以及其他隱蔽致災因素探查提供更好的裝備與技術支撐。