姚寧平，王 毅，姚亞峰,2，宋海濤，王 力,2，彭 濤，孫新勝

煤礦井下鉆探在煤礦區(qū)瓦斯(煤層氣)抽采、水害防治和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，對保障煤礦安全生產(chǎn)、增加清潔能源供給等具有重要意義。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國煤礦井下鉆探技術(shù)與裝備取得了長足的進(jìn)步。但隨著開采深度的增加，瓦斯突出礦井、沖擊地壓礦井的數(shù)量和危害程度顯著增加，煤礦開采地質(zhì)條件更加復(fù)雜。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司依托國家重大科技專項(xiàng)，有針對性地對適合我國煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆探技術(shù)與裝備進(jìn)行相關(guān)研究，取得了系列成果。為了促進(jìn)煤礦井下鉆探技術(shù)與裝備的發(fā)展，專題通過報道行業(yè)最新的科研成果，有助于促進(jìn)我國煤礦井下鉆探技術(shù)與裝備的科技進(jìn)步，對煤礦安全高效生產(chǎn)和災(zāi)害治理具有重要的保障意義。

我國煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)與裝備進(jìn)展

姚寧平1，王 毅1，姚亞峰1,2，宋海濤1，王 力1,2，彭 濤1，孫新勝1

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

針對我國煤礦井下碎軟煤層、堅(jiān)硬巖層、沖擊地壓地層、破碎帶、水敏性地層等復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)需求和存在的問題，總結(jié)了碎軟煤層本煤層鉆進(jìn)與篩管護(hù)孔、碎軟煤層梳狀鉆孔定向鉆進(jìn)、復(fù)雜頂板高位鉆孔定向鉆進(jìn)、全斷面硬巖穿層鉆進(jìn)、沖擊地壓卸壓鉆進(jìn)等技術(shù)與裝備方面的研究和應(yīng)用情況。提出了碎軟煤層雙管護(hù)孔定向鉆進(jìn)及碎軟煤層旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的研究思路，有助于提升碎軟煤層鉆進(jìn)的鉆孔深度、護(hù)孔篩管直徑和鉆進(jìn)效率等，而碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)與配套裝備的完善也將促進(jìn)碎軟煤層瓦斯抽采模式的變革。防沖防突鉆孔機(jī)器人的研究是煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢，可為無人化礦井建設(shè)奠定基礎(chǔ)；除此之外，還應(yīng)著力解決好局部復(fù)雜地層對鉆進(jìn)的影響，更好地促進(jìn)智能化鉆探技術(shù)裝備的進(jìn)步，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供保障。

復(fù)雜地質(zhì)條件；鉆探技術(shù)；碎軟煤層；定向鉆進(jìn)；鉆孔機(jī)器人

煤礦井下鉆探技術(shù)應(yīng)用于瓦斯抽采、探放水、地質(zhì)勘探、注漿、防滅火等領(lǐng)域[1-3]，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了重要的地質(zhì)保障。我國煤礦地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在碎軟煤層、堅(jiān)硬巖層、沖擊地壓地層、局部破碎帶、水敏性地層等復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探施工時，常遇到鉆進(jìn)效率低、鉆孔深度淺、孔內(nèi)事故頻發(fā)等問題[4-7]，對煤礦安全高效開采造成不利影響。

碎軟煤層由于瓦斯壓力大、煤質(zhì)松軟破碎，鉆進(jìn)時常規(guī)的清水介質(zhì)沖洗液對煤層的擾動大[8]，引起排渣不力、造成成孔困難或成孔深度淺，且鉆孔完成后易塌孔，影響瓦斯抽采效果。針對碎軟煤層順煤層難以施工定向鉆孔及采空區(qū)瓦斯等的綜合治理問題，采用定向鉆進(jìn)方法，先在煤層的穩(wěn)定頂?shù)装鍘r層中施工定向主孔，再從主孔向煤層或采空區(qū)裂隙帶施工小曲率梳狀分支鉆孔，這對于定向鉆進(jìn)裝備及工藝技術(shù)又提出了新要求[9-10]。對于上鄰近層賦存瓦斯、受采動影響開采煤層涌出的瓦斯、采空區(qū)瓦斯及采空區(qū)積水等，采用頂板高位定向鉆孔抽采或探放，在復(fù)雜頂板鉆進(jìn)時鉆進(jìn)效率低下、鉆具損耗大、難以開分支孔等問題凸顯[11-12]；另外，在穿越硬巖頂板的穿層鉆孔設(shè)計(jì)中，一個巷道斷面內(nèi)要連續(xù)施工多個不同角度、不同開孔位置的密集扇形鉆孔，要求裝備具有高效開孔參數(shù)調(diào)整和高效鉆進(jìn)的特點(diǎn)[13-14]；同時，近年來隨著煤礦開采深度的增加，出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害的礦井明顯增多，給礦井安全生產(chǎn)帶來很大威脅，在沖擊地壓卸壓鉆孔施工過程中要求鉆孔施工時間盡可能短，以降低卡鉆、埋鉆概率[15-17]。

針對不同的技術(shù)需求，目前已經(jīng)逐漸形成了適應(yīng)于上述復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆探技術(shù)與裝備，并取得了較好的應(yīng)用效果。隨著煤礦對安全高效開采的進(jìn)一步提升，自動化、智能化鉆進(jìn)裝備和精準(zhǔn)定向鉆探技術(shù)逐漸成為發(fā)展趨勢，也為復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)裝備發(fā)展提供了新思路。

1 復(fù)雜地質(zhì)條件下典型鉆探技術(shù)與裝備現(xiàn)狀

1.1 碎軟煤層中風(fēng)壓鉆進(jìn)

碎軟煤層壓風(fēng)鉆進(jìn)具有對孔壁擾動作用小，有利于孔壁穩(wěn)定和瓦斯解吸的特點(diǎn)，因此，孔內(nèi)事故少，成孔率高[18]。隨著煤礦對瓦斯抽采孔施工效率和孔深要求的提高，常規(guī)風(fēng)壓(小于0.8 MPa)下鉆進(jìn)已不能滿足需要。中風(fēng)壓(最大1.25 MPa)鉆進(jìn)技術(shù)采用額定轉(zhuǎn)矩為3 200~6 500 N·m的分體式鉆機(jī)或履帶式鉆機(jī)配套移動式防爆空壓機(jī)、大通孔寬翼片螺旋鉆桿或三棱鉆桿、射流式孔口除塵器等裝備。

中風(fēng)壓鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用將碎軟煤層的鉆孔深度普遍提高到150 m以上，已成為碎軟煤層本煤層鉆孔的主要鉆進(jìn)技術(shù)之一。該技術(shù)在淮北、淮南、韓城等碎軟煤層礦區(qū)得到了普遍推廣，最深鉆孔達(dá)到230 m。該技術(shù)存在的問題是鉆孔軌跡不可控，導(dǎo)致煤層鉆遇率低，存在瓦斯抽采盲區(qū)。

1.2 碎軟煤層高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)

螺旋鉆進(jìn)是一種干式鉆進(jìn)方法，依靠螺旋鉆桿葉片旋轉(zhuǎn)排渣，常規(guī)轉(zhuǎn)速(小于200 r/min)的螺旋鉆進(jìn)技術(shù)排渣效率低，鉆進(jìn)效率低，施工孔深淺[19]。高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)(大于400 r/min)利用高速旋轉(zhuǎn)的螺旋鉆桿配合適宜的轉(zhuǎn)矩和鉆進(jìn)速度將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的大量煤粉排出孔外，克服了碎軟煤層鉆進(jìn)時煤粉不能及時排出，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難、孔內(nèi)事故多的問題，有效提高了鉆孔深度和鉆進(jìn)效率。主要配套裝備有額定轉(zhuǎn)速為400~1 000 r/min的高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)、高翼片螺旋鉆桿等。

高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)在陽泉、晉城等礦區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果。陽泉礦區(qū)新元煤礦鉆孔深度提高到300 m以上，最大孔深達(dá)330 m；晉城礦區(qū)趙莊煤礦、長平煤礦鉆孔深度提高到180 m，最大孔深216 m。該技術(shù)適用范圍較窄，主要適用于一些煤層條件相對穩(wěn)定、煤層含水很少的碎軟煤層。

1.3 碎軟煤層氣動螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)

隨著中風(fēng)壓鉆進(jìn)鉆孔深度的增加，鉆孔軌跡不可控、煤層鉆遇率低等問題逐漸顯現(xiàn)[20]。以中風(fēng)壓防爆空壓機(jī)或高風(fēng)壓制氮機(jī)輸出的高壓氣體為驅(qū)動介質(zhì)，以氣動螺桿馬達(dá)為動力輸出單元，結(jié)合復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)，配套額定轉(zhuǎn)矩為4 000~6 000 N·m的定向鉆機(jī)、專用電磁波或有纜隨鉆測量系統(tǒng)、螺桿馬達(dá)潤滑冷卻裝置、寬翼片螺旋鉆桿等，形成了碎軟煤層氣動螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，其孔底鉆具連接如圖1所示。利用該技術(shù)裝備可以實(shí)現(xiàn)在碎軟煤層中的鉆孔軌跡控制，提高碎軟煤層瓦斯抽采孔的鉆孔深度和煤層鉆遇率，進(jìn)而提高瓦斯抽采率。

淮南礦區(qū)潘三礦采用氣動螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)技術(shù)，孔深提高到220 m以上，煤層鉆遇率90%以上，最大鉆孔深度達(dá)300 m，瓦斯抽采效果是常規(guī)鉆孔的3~4倍。貴州青龍礦進(jìn)行的定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，鉆孔深度300 m以上，最大孔深達(dá)406 m，瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的10倍以上，鉆孔成孔與瓦斯抽采效果顯著。該技術(shù)在應(yīng)用中還存在鉆進(jìn)效率低、特軟煤層成孔率有待提高等問題。

1.4 碎軟煤層鉆孔篩管護(hù)孔

碎軟煤層鉆孔成孔后易發(fā)生孔壁坍塌，導(dǎo)致煤層鉆孔堵塞，阻斷瓦斯抽采通道，瓦斯抽采效率低、抽采周期短，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[21]。通過在成孔后采用裸眼下篩管，但篩管護(hù)孔率很低。因此，為解決碎軟煤層成孔后鉆孔垮塌導(dǎo)致篩管安設(shè)困難的問題，開發(fā)了煤礦井下碎軟煤層篩管護(hù)孔技術(shù)裝備，再利用護(hù)孔篩管作為鉆孔瓦斯長期抽采的通道，技術(shù)原理如圖2所示。篩管護(hù)孔技術(shù)主要配套裝備有大通孔寬翼片螺旋鉆桿(?73 mm或?89 mm)、開閉式鉆頭、護(hù)孔篩管(?32 mm或?40 mm)及孔底懸掛裝置等。碎軟煤層鉆孔鉆進(jìn)成孔后先不提鉆，從鉆桿的內(nèi)通孔中安設(shè)篩管，篩管最前端連接孔底懸掛裝置，當(dāng)篩管輸送到鉆頭部位時，通過施加軸向力，使鉆頭內(nèi)芯打開，篩管即可穿過鉆頭體，此時，孔底懸掛裝置彈卡張開并懸掛在孔壁上，將篩管固定住，然后逐根提出鉆桿，而篩管留在孔內(nèi)，作為長期瓦斯抽采的通道。

圖1 氣動螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)鉆具連接示意

該技術(shù)逐漸在全國各個碎軟煤礦區(qū)陸續(xù)得到應(yīng)用，相比裸眼下篩管技術(shù)，鉆孔篩管護(hù)孔率可達(dá)95%以上，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)增加10%、純量增加20%以上。目前存在的主要問題是篩管直徑小。

1—大通孔寬翼片螺旋鉆桿；2—開閉式鉆頭；3—護(hù)孔篩管；4—孔底懸掛裝置

1.5 碎軟煤層頂?shù)装迨釥羁锥ㄏ蜚@進(jìn)

由于碎軟煤層成孔性差、成孔效率低等問題，通過在成孔性好的煤層頂板或底板施工定向主孔，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求開分支孔進(jìn)入煤層或目標(biāo)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)碎軟煤層遠(yuǎn)距離瓦斯消突、預(yù)抽與卸壓抽采等目的[22]，因鉆孔結(jié)構(gòu)呈梳子狀而稱為梳狀定向鉆孔。再根據(jù)梳狀定向鉆孔與煤層空間位置關(guān)系可分為近煤層頂(底)板梳狀定向孔和遠(yuǎn)煤層頂板梳狀定向孔。近煤層頂(底)板梳狀定向孔用于解決碎軟煤層瓦斯預(yù)抽和防突、掩護(hù)煤層巷道掘進(jìn)；遠(yuǎn)煤層頂板梳狀定向孔可用于采空區(qū)和上隅角瓦斯治理；梳狀孔定向鉆進(jìn)技術(shù)原理如圖3所示。在梳狀孔施工中，針對水敏性泥巖開發(fā)抑制性強(qiáng)的可降解低固相沖洗液，抑制縮徑問題；針對巖層破碎帶，開發(fā)可降解乳液型沖洗液，提高孔壁穩(wěn)定性；針對碎軟煤層可利用降解高黏度無固相沖洗液來增強(qiáng)攜渣能力；通過沖洗液的可降解性，保持煤層滲透性，保障瓦斯抽采暢通。配套裝備主要包括定向鉆機(jī)、高韌性通纜鉆桿、螺桿馬達(dá)、定向鉆頭、隨鉆測量系統(tǒng)、孔底封隔斜向器等。

在晉城礦區(qū)成莊煤礦施工了近煤層頂板梳狀鉆孔，用于解決本煤層鉆孔因殘留水堵塞瓦斯抽采通道難題。施工主孔深度423 m，累計(jì)進(jìn)尺831 m。通過分支孔與本煤層孔貫通，單米孔深瓦斯抽采純量提高了20余倍。在貴州畢節(jié)施工4個近煤層底板梳狀鉆孔，主孔深度均大于600 m，單個分支孔最大深度141 m，單孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)60%~85%、抽采純量0.8~2.5 m3/min。

圖3 梳狀孔定向鉆進(jìn)技術(shù)原理

1.6 復(fù)雜頂板高位鉆孔定向鉆進(jìn)

在復(fù)雜頂板高位定向鉆孔施工中常遇到穿越破碎帶及硬巖鉆進(jìn)等問題，在解決破碎帶施工問題，常采用局部注漿、擴(kuò)大破碎帶鉆孔孔徑、利用定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)避開破碎帶等措施。在硬巖定向鉆進(jìn)中常遇到由于所需鉆壓大、鉆孔深度大，鉆壓不能有效傳遞到孔底鉆頭，導(dǎo)致無法繼續(xù)鉆進(jìn)或鉆進(jìn)效率極低的問題[23]，通過研發(fā)孔底通纜式水力振蕩器(圖4)和水力加壓器(圖5)等裝置，并將其安裝在定向鉆進(jìn)鉆桿柱的適當(dāng)位置，可以有效降低鉆桿摩阻、提高鉆壓。

在淮南張集礦–600 m疏水巷鉆孔中安裝水力振蕩器后平均給進(jìn)表壓降低30%、平均鉆效提高130%；在–600 m疏水巷鉆孔中安裝水力輔助加壓器后平均給進(jìn)表壓降低了23.8%、平均鉆效提高了137%。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用水力振蕩器和水力加壓器及配套工藝，能夠有效解決煤礦井下深孔定向鉆進(jìn)中的托壓問題，對于減小給進(jìn)力、提高鉆進(jìn)效率、延長鉆孔深度具有重要意義。

圖4 水力振蕩器

圖5 水力加壓器

1.7 全斷面硬巖穿層鉆進(jìn)

在一些碎軟煤礦區(qū)，瓦斯含量高且壓力大，底抽巷穿層鉆孔一般設(shè)計(jì)成垂直于巷道走向的扇形，具有鉆孔布置密集、鉆孔深度較大且最低開孔位置低、需要穿越頂?shù)装逵矌r及煤層夾矸等特點(diǎn)，針對這種需求，開發(fā)了適合低位開孔、全斷面鉆進(jìn)的中大轉(zhuǎn)矩鉆機(jī)，并配套適合硬巖鉆進(jìn)的PDC弧角型鉆頭。鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)上安裝的給進(jìn)裝置可以在垂直于巷道斷面的–180°~180°傾角范圍內(nèi)調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)一次穩(wěn)固鉆機(jī)施工多個扇形布置的穿層鉆孔，顯著提高了鉆孔的開孔效率，降低了勞動強(qiáng)度。常規(guī)的三翼內(nèi)凹型 PDC 鉆頭在遇到硬巖(堅(jiān)固性系數(shù)≥8)時出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低，鉆頭壽命較短、施工成本高等問題[24]，而沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)存在鉆具更換耗時長、潛孔錘鉆頭使用壽命短等問題。通過采用中大轉(zhuǎn)矩全斷面鉆機(jī)(額定轉(zhuǎn)矩4 500~6 500 N·m)配套PDC弧角型鉆頭，可以顯著提高硬巖穿層全斷面鉆進(jìn)效率。針對穿層鉆孔傾角大的特點(diǎn)，在鉆機(jī)上研發(fā)了自動防動力頭下滑功能，用于大角度鉆孔時動力頭自動可靠停位，提高施工安全性。

在淮南顧橋礦采用ZDY6500LQ鉆機(jī)施工效率相比原來的鉆機(jī)提高40%以上。在貴州小屯煤礦，采用ZDY4500LQ鉆機(jī)施工，全斷面穿層鉆孔設(shè)計(jì)孔深40~50 m，單日最大進(jìn)尺達(dá)310 m，鉆進(jìn)效率顯著。由于全斷面鉆機(jī)的整體施工效率很高，在淮南、義馬、六盤水、焦作等礦區(qū)的復(fù)雜地層穿層鉆孔中得到了快速推廣應(yīng)用。

1.8 沖擊地壓地層卸壓鉆進(jìn)

鉆孔是防治沖擊地壓的有效方法。鉆孔卸壓是利用煤層鉆孔破裂和煤體軟化，借助鉆孔周圍破碎區(qū)的形成和貫通作用，使煤層破裂卸壓。針對沖擊地壓礦井煤層鉆孔成孔淺、排渣難等問題，開發(fā)沖擊地壓煤層大直徑卸壓孔快速成孔技術(shù)。采用水介質(zhì)驅(qū)動，通過在鉆機(jī)動力頭和夾持器中間加接鉆桿、動力頭后部提鉆桿的鉆進(jìn)操作方式提高加卸鉆桿效率，采用“快進(jìn)快出”的大直徑鉆孔鉆進(jìn)工藝方法，形成了沖擊地壓礦井大直徑卸壓鉆孔成孔技術(shù)。配套裝備主要包括大通孔中高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)(額定轉(zhuǎn)速300~ 400 r/min)、寬翼片螺旋鉆桿、大直徑鉆頭(?153 mm~ ?193 mm)等。

在河南常村煤礦預(yù)防沖擊地壓的應(yīng)用中，鉆孔深度由20 m延伸至40 m，孔徑由125 mm增大到193 mm，促進(jìn)巷道掘進(jìn)效率提高10%。在陜西正通高家堡礦的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了跨皮帶鉆孔和超前卸壓孔的施工，巷道側(cè)幫孔和底板孔效率分別提高了166%和85.6%。該技術(shù)的推廣為沖擊地壓礦井安全高效開采提供了有力的技術(shù)支撐。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆探技術(shù)與裝備展望

2.1 碎軟煤層雙管護(hù)孔定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備

碎軟煤層長鉆孔過程中存在易塌孔導(dǎo)致鉆孔深度淺或鉆進(jìn)效率低、護(hù)孔篩管直徑小導(dǎo)致瓦斯抽采效果差等問題，可研發(fā)雙管護(hù)孔定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備。通過開發(fā)具備定向功能的雙動力頭鉆機(jī)，利用雙動力頭定向鉆機(jī)的一個動力頭驅(qū)動外管(套管)總成，另一個驅(qū)動內(nèi)管(鉆桿)總成，外管和內(nèi)管可分別獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，又可實(shí)現(xiàn)同步給進(jìn)。內(nèi)管總成包含氣動螺桿馬達(dá)及隨鉆測量系統(tǒng)等，可進(jìn)行定向鉆進(jìn)軌跡控制，外管總成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)起到護(hù)孔作用。終孔完成后，先提出內(nèi)管總成，再從外管中安設(shè)大直徑護(hù)孔篩管及懸掛裝置，最后提出外管總成，并將護(hù)孔篩管留于孔內(nèi)。碎軟煤層雙管護(hù)孔定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備將有助于解決碎軟煤層的本煤層鉆孔施工難題，利用該技術(shù)裝備可提高碎軟煤層瓦斯抽采孔的鉆孔深度、軌跡控制精度和護(hù)孔篩管直徑，形成能貫穿碎軟煤層回采工作面的定向鉆孔。

2.2 碎軟煤層撓性內(nèi)控旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備

現(xiàn)有的碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)是基于氣動螺桿馬達(dá)滑動定向鉆進(jìn)為主要原理的定向鉆進(jìn)技術(shù)，在鉆進(jìn)過程中需要采用滑動定向鉆進(jìn)和復(fù)合定向鉆進(jìn)交替施工，在碎軟煤層中進(jìn)行滑動定向鉆進(jìn)時，由于鉆桿不旋轉(zhuǎn)、孔內(nèi)煤渣容易聚集，造成排渣不暢，存在卡埋鉆、定向困難等問題，大大降低了鉆進(jìn)效率。為了解決碎軟煤層滑動定向鉆進(jìn)時存在的諸多問題，可通過開發(fā)碎軟煤層撓性內(nèi)控旋轉(zhuǎn)雙動力頭定向鉆進(jìn)技術(shù)，一個動力頭控制鉆具的內(nèi)芯桿彎頭導(dǎo)向變化和內(nèi)芯桿制動，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的定向控制；另一個動力頭驅(qū)動帶撓性接頭的鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)煤粉擾動并順利排出孔外，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程中在鉆具旋轉(zhuǎn)且內(nèi)芯桿制動狀態(tài)下的定向鉆進(jìn)。這種鉆進(jìn)方法能有效實(shí)現(xiàn)碎軟煤層定向孔軌跡的連續(xù)隨鉆控制，并顯著提高排渣效率和鉆進(jìn)效率。

2.3 碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備完善

由于碎軟煤層鉆孔深度淺、成孔率低的普遍現(xiàn)狀，因此，碎軟煤層的瓦斯抽采模式是首先施工專用巖石底抽巷道，在底抽巷中施工穿層孔至工作面煤層并抽采待掘煤層巷道中的瓦斯，再進(jìn)行煤層巷道掘進(jìn)，最后沿煤層巷道施工順層鉆孔抽采煤層瓦斯。碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、成孔深度大、煤層鉆遇率高等潛在優(yōu)勢，為促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用，除鉆進(jìn)方法研究之外，還需攻關(guān)孔口動力除塵、高壓風(fēng)源輸出與控制、軌跡控制精度、鉆孔成孔率、配套裝備可靠性等方面的問題，促進(jìn)配套技術(shù)裝備的成熟完善。這將有助于實(shí)現(xiàn)利用定向鉆孔解決碎軟煤層工作面和下一個條帶瓦斯消突問題，即“一孔兩消”，有望徹底改變原來施工穿層孔綜合周期長、費(fèi)用高的問題，實(shí)現(xiàn)碎軟煤層瓦斯抽采模式的變革。

2.4 防沖防突智能鉆孔機(jī)器人研發(fā)

隨著國家安全監(jiān)察總局提出煤礦等高危行業(yè)著力推行“機(jī)械化換人、自動化減人”的目標(biāo)以及國家煤礦安監(jiān)局發(fā)布《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，國內(nèi)一些企業(yè)加快開展遙控鉆進(jìn)、自動加卸鉆桿、遠(yuǎn)程控制鉆機(jī)等自動化、智能化技術(shù)的研究[25-28]。針對沖擊地壓卸壓、底抽巷全斷面穿層孔、碎軟煤層本煤層等復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔施工時人員安全隱患多、施工環(huán)境惡劣、加卸鉆桿勞動強(qiáng)度大等問題，著重研發(fā)自動連續(xù)加卸鉆桿、開孔位姿自動調(diào)節(jié)、自動鉆進(jìn)、孔內(nèi)異常情況預(yù)警與防埋鉆、遠(yuǎn)程控制與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，形成自動化鉆進(jìn)裝備，并逐步圍繞鉆機(jī)動力驅(qū)動方式、井下巷道導(dǎo)航與避障、復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔煤巖識別與鉆進(jìn)參數(shù)智能決策、鉆孔多參數(shù)監(jiān)測、瓦斯鉆孔封孔一體化技術(shù)、人機(jī)安全施工等方面開展革新研究，形成具備自主導(dǎo)航、自主開孔定位、基于智能決策控制的自適應(yīng)鉆進(jìn)及自動封孔等功能的智能鉆孔機(jī)器人。智能鉆孔機(jī)器人的應(yīng)用，將有力促進(jìn)煤礦無人化礦井的建設(shè)，進(jìn)一步形成煤礦安全生產(chǎn)的新格局。

3 結(jié)語

針對我國部分煤礦的復(fù)雜地質(zhì)條件，從碎軟煤層本煤層鉆孔與篩管護(hù)孔、碎軟煤層頂?shù)装迨釥钽@孔、復(fù)雜頂板定向鉆孔、碎軟煤層底抽巷全斷面硬巖穿層鉆孔及沖擊地壓礦井煤層卸壓鉆孔等鉆探需求出發(fā)，總結(jié)了相關(guān)鉆探技術(shù)與裝備的原理、技術(shù)特點(diǎn)及典型應(yīng)用效果，為復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆探施工提供技術(shù)思路。

碎軟煤層鉆探是煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)與裝備發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，碎軟煤層定向鉆進(jìn)的新技術(shù)裝備研發(fā)及完善將有助于碎軟煤層瓦斯抽采模式的變革。隨著智慧礦山建設(shè)，煤礦井下裝備的智能化發(fā)展將有目共睹，防沖防突智能鉆孔機(jī)器人將著力解決復(fù)雜地質(zhì)條件下智能鉆進(jìn)的難題，將顯著提高鉆孔施工安全性、減少人員數(shù)量、促進(jìn)煤礦的安全高效生產(chǎn)和無人化礦井建設(shè)。

目前，對局部復(fù)雜地層如破碎帶、水敏性地層等的解決辦法不多，主要依靠傳統(tǒng)的鉆探施工方法，有些情況下需要采取躲避地層的措施。在煤礦智能化鉆探快速發(fā)展的過程中，還應(yīng)著力解決好局部復(fù)雜地層對鉆進(jìn)的影響，以更好地促進(jìn)智能化鉆探技術(shù)裝備的進(jìn)步。

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Progress of drilling technologies and equipments for complicated geological conditions in underground coal mines in China

YAO Ningping1, WANG Yi1, YAO Yafeng1,2, SONG Haitao1, WANG Li1,2, PENG Tao1, SUN Xinsheng1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

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 double-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. 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.

complicated geological condition; drilling technology; broken soft coal seam; directional drilling; drill robot

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.001

1001-1986(2020)02-0001-07

2019-11-12；

2020-02-20

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

姚寧平，1970年生，男，甘肅涇川人，博士生導(dǎo)師，研究員，從事煤礦鉆探技術(shù)與裝備的研究與推廣應(yīng)用. E-mail：yaoningping@cctegxian.com

姚寧平，王毅，姚亞峰，等. 我國煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆探技術(shù)與裝備進(jìn)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：1–7.

YAO Ningping，WANG Yi，YAO Yafeng，et al. Progress of drilling technologies and equipments for complicated geological conditions in underground coal mines in China[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：1–7.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭 晉香蘭)