馬新平，劉 伯

（開(kāi)灤能源化工股份公司，河北 唐山 063000）

1 國(guó)內(nèi)井下鉆探裝備的發(fā)展

中國(guó)煤礦坑道鉆機(jī)的發(fā)展如圖1 所示。

圖1 中國(guó)煤礦坑道鉆機(jī)的發(fā)展Fig.1 Development of coal mine drill in China

1.1 機(jī)械鉆機(jī)應(yīng)用

我國(guó)井下鉆探裝備技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從弱到強(qiáng)、從引進(jìn)到自主研發(fā)的過(guò)程。21 世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)家科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下，我國(guó)井下鉆進(jìn)技術(shù)取得顯著進(jìn)步，配套裝備能力水平不斷提升，形成了相對(duì)完備的鉆進(jìn)技術(shù)裝備體系。

建國(guó)初期我國(guó)地質(zhì)勘探力量薄弱，主要是引進(jìn)和仿制蘇聯(lián)鉆機(jī)。目前，我國(guó)地質(zhì)鉆探裝備的設(shè)計(jì)和制造已具備較強(qiáng)實(shí)力，機(jī)械立軸式鉆機(jī)在基本性能、技術(shù)水平上與國(guó)外基本接近。機(jī)械立軸鉆機(jī)造價(jià)低，具有維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，目前一些煤礦仍以立軸機(jī)械鉆機(jī)為主，如XY 系列、SGZ 系列和ZLJ 系列鉆機(jī)。

1.2 全液壓鉆機(jī)應(yīng)用

全液壓鉆機(jī)是相對(duì)于機(jī)械鉆機(jī)而言的，其回轉(zhuǎn)、給進(jìn)裝置都采用液壓傳動(dòng)方式。20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，相關(guān)科研院所從鉆機(jī)、鉆具、鉆頭及鉆進(jìn)工藝等方面對(duì)煤礦井下鉆探技術(shù)及裝備進(jìn)行了大量研究工作，自煤炭科學(xué)西安研究院1981 年研制出煤炭系統(tǒng)首臺(tái)MK-150 型液壓鉆機(jī)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)近40 多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)形成了ZDY（MK）、ZY、ZYW 和CMS 等多個(gè)品牌系列60 多個(gè)型號(hào)的分體式、履帶式全液壓鉆機(jī)等。

全液壓鉆機(jī)分為主機(jī)、操作臺(tái)、液壓泵站3 部分，機(jī)手能夠遠(yuǎn)離孔口操作，保障了操作人員的安全。采用油壓驅(qū)動(dòng)和控制所有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，用高壓變量油泵和變量驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)也促進(jìn)自動(dòng)化智能化鉆機(jī)的開(kāi)發(fā)。目前，全液壓鉆機(jī)市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上，是坑道鉆機(jī)的主要產(chǎn)品。

1.3 智能鉆機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行傳統(tǒng)鉆機(jī)自動(dòng)化改造、電液聯(lián)合控制等原理性研究。2005 年以后，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司等單位開(kāi)展了自動(dòng)裝卸鉆桿、自動(dòng)化鉆進(jìn)、無(wú)線遙控等關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了大傾角自動(dòng)上下鉆桿、全自動(dòng)鉆進(jìn)、智能防卡鉆、自動(dòng)調(diào)整鉆孔姿態(tài)等智能化功能，開(kāi)發(fā)了多種實(shí)用化的煤礦智能鉆探裝備。2016年以來(lái)，智能鉆機(jī)開(kāi)始在淮南礦業(yè)謝橋煤礦和平煤神馬集團(tuán)八礦等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性、小批量使用，遙控自動(dòng)鉆機(jī)在降低現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度、減少下井人數(shù)、提高現(xiàn)場(chǎng)安全性等方面效果顯著。目前，智能化鉆機(jī)尚處于初級(jí)階段，但隨著5G 技術(shù)工業(yè)應(yīng)用推廣，必將加速煤礦井下智能鉆機(jī)的開(kāi)發(fā)和推廣。

2 國(guó)內(nèi)井下鉆探施工技術(shù)的發(fā)展

2.1 定向鉆進(jìn)技術(shù)

傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配套穩(wěn)定組合鉆具的鉆進(jìn)工藝，施工工藝復(fù)雜，鉆進(jìn)定向精度差。20 世紀(jì)90 年代我國(guó)陸續(xù)引進(jìn)國(guó)外定向鉆機(jī)和煤礦井下隨鉆測(cè)量技術(shù)，如美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞的LHD-15 鉆機(jī)、P75 和VLD-1000 鉆機(jī)等。定向鉆進(jìn)新技術(shù)裝備在山西晉城礦區(qū)和寧夏寶德煤礦得到成功應(yīng)用，并于2003 年突破千米單孔鉆進(jìn)深度，2019 年又將我國(guó)煤礦井下順煤層定向孔最大孔深紀(jì)錄提高到2 570 m，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。

集束型定向鉆孔、梳狀鉆孔等定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)用，使得鉆孔軌跡能夠設(shè)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(shù)施工多分支鉆孔，鉆孔軌跡能夠均勻覆蓋整個(gè)工作面，提高了工作面瓦斯抽放和頂板疏水效果。定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下瓦斯抽采、地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)及防治水領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2.2 軟巖鉆探技術(shù)

傳統(tǒng)井下鉆探采用清水沖洗排渣，使用外平鉆桿鉆進(jìn)，當(dāng)遇軟巖（煤） 時(shí)，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(fēng)壓松軟煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，篩管護(hù)孔工藝，空氣鉆進(jìn)主要依靠壓縮空氣即壓風(fēng)實(shí)現(xiàn)排粉，鉆進(jìn)阻力小，保證供風(fēng)壓力和供風(fēng)流量，可有效提高壓風(fēng)排粉效率，增加鉆孔深度，保障成孔率，生產(chǎn)實(shí)踐證明在同等施工條件下的鉆孔深度和鉆進(jìn)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(shù)，如六方插接式螺旋鉆桿，鉆桿間采用高強(qiáng)度螺栓緊固，這種設(shè)計(jì)使得鉆機(jī)在遇到抱鉆、卡鉆等事故時(shí)，動(dòng)力頭能夠反轉(zhuǎn)運(yùn)行，有利于提取鉆具，降低了發(fā)生孔內(nèi)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(guò)程中的參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)效率和鉆頭壽命的影響。鉆機(jī)、鉆具及施工工藝上的發(fā)展，有效促進(jìn)了煤礦軟巖鉆探技術(shù)難題的解決，提升了鉆探施工效率。

3 發(fā)展適合礦井特點(diǎn)的鉆探設(shè)備和施工工藝

開(kāi)灤煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，井下鉆遇巖性多以煤層及其頂?shù)装迥鄮r、粉砂巖為主，塌孔、卡埋鉆問(wèn)題突出，深部礦井資源開(kāi)發(fā)存在瓦斯、沖擊地壓等問(wèn)題，對(duì)鉆探安全施工提出更高的要求。多年來(lái)，開(kāi)灤礦區(qū)結(jié)合自身礦井地質(zhì)特點(diǎn)和礦井發(fā)展定位，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鉆探裝備和技術(shù)，探索實(shí)踐形成適合自身特點(diǎn)的綜合配套鉆探技術(shù)方法，努力滿足礦區(qū)安全和生產(chǎn)對(duì)地質(zhì)工作的需求。

3.1 礦井特點(diǎn)與鉆孔性質(zhì)

開(kāi)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(zhì)問(wèn)題。開(kāi)灤是中國(guó)最大的肥煤生產(chǎn)基地，開(kāi)平煤田現(xiàn)有生產(chǎn)礦井6 對(duì)，均為近距離煤層群開(kāi)采，煤層間距較小，煤層頂?shù)装逡苑凵皫r、泥巖為主，且煤系地層普遍發(fā)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(dá)53%～74%，其中蒙脫石和高嶺土含量較高，蒙脫石遇水后發(fā)生快速膨脹和泥化流變，是構(gòu)成巷道變形失控的重要機(jī)制，給鉆探施工以及井巷支護(hù)維護(hù)造成困難。礦區(qū)普遍存在松軟地層，鉆探性質(zhì)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(fā)展特點(diǎn)的鉆探設(shè)備

3.2.1 大功率鉆探裝備應(yīng)用

采用大功率履帶鉆機(jī)施工，提高鉆探施工效率。2014 年錢家營(yíng)礦-850 主石門防突超前探施工中，前期使用的設(shè)備為ZLJ-650 鉆機(jī)，班均進(jìn)尺在20 m 左右，后期改用的設(shè)備為ZYWL-6000鉆機(jī)，每班平均進(jìn)尺在35 m 左右，進(jìn)尺效率大大提高。目前，開(kāi)灤各礦在具備條件的區(qū)域推廣使用大功率全液壓鉆機(jī)，唐山礦現(xiàn)配置ZDY3200鉆機(jī)5 臺(tái)，錢家營(yíng)礦和東歡坨礦分別了配置扭矩 1 200 N·m、6 000 N·m 鉆機(jī) 12 臺(tái)和 10 臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，開(kāi)灤股份公司2004 年共有井下鉆機(jī)49 臺(tái)，平均扭矩768 N·m；2019 年井下鉆機(jī)數(shù)量113 臺(tái)，平均扭矩達(dá)1 269 N·m，鉆機(jī)總裝配能力提升近3倍，如圖2 所示。

圖2 開(kāi)灤煤礦鉆探裝備能力發(fā)展Fig.2 Development of drilling equipment capability in Kailuan

大功率鉆機(jī)高壓注漿過(guò)斷層破碎帶施工工藝。東歡坨礦-690 水平運(yùn)輸大巷超前探測(cè)SF5 斷層，斷層落差25 m，斷裂帶寬度達(dá)30 m，且斷層局部導(dǎo)水，鉆孔最大水量1.9 m3/min，水壓3.5 MPa，斷層帶有動(dòng)力現(xiàn)象，曾出現(xiàn)嚴(yán)重的鉆孔噴孔情況。為確決施工困難，引進(jìn)ZYW-4000 煤礦用全液壓鉆機(jī)，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(shè)備的引用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)破碎帶進(jìn)行高壓注漿和快速鉆進(jìn)，順利完成斷層探測(cè)和水患工程治理任務(wù)。

近年來(lái)，在大功率鉆探設(shè)備應(yīng)用的同時(shí)，錢家營(yíng)礦、東歡坨礦等主力礦井又在定向鉆機(jī)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(zhì)量，為安全高效探放水和地質(zhì)勘探工作提供了重要技術(shù)保障。

3.2.2 小機(jī)型鉆探裝備應(yīng)用

架柱式液壓鉆機(jī)機(jī)身輕便，方便狹窄空間鉆探施工。范各莊礦2008 年治理10 號(hào)陷落柱時(shí)，必須在7 m2的小空間內(nèi)（巷道中間懸空還有兩條直徑377 mm 輸水管路） 施工注漿孔，當(dāng)時(shí)配備的鉆機(jī)無(wú)法滿足工程需要。通過(guò)對(duì)比、論證，引進(jìn)了ZYJ420/200 架柱式液壓鉆機(jī)，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)身輕便、操作維修方便，鉆場(chǎng)占用空間小，鉆機(jī)可全方位施工。范各莊礦現(xiàn)有ZYJ 系列鉆機(jī)15臺(tái)，架柱液壓鉆機(jī)成為該礦鉆探裝備的主力機(jī)型。呂家坨礦和林西礦結(jié)合自身鉆探任務(wù)特點(diǎn)，則以小機(jī)型的立軸機(jī)械鉆機(jī)為主。

3.2.3 井下測(cè)井技術(shù)應(yīng)用

開(kāi)灤集團(tuán)公司結(jié)合礦區(qū)特點(diǎn)與相關(guān)科研院所合作開(kāi)展了大量井下測(cè)井試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用工作，井下鉆探逐漸由盲打轉(zhuǎn)向測(cè)斜輔助地質(zhì)、水文地質(zhì)分析，提高了鉆探成果質(zhì)量。主要應(yīng)用測(cè)斜設(shè)備有全方位鉆孔測(cè)斜儀、鉆孔窺視儀、鉆孔全景成像儀、鉆孔測(cè)井分析儀等，見(jiàn)表1、圖3。

表1 開(kāi)灤煤礦井下鉆孔測(cè)井設(shè)備Table 1 Kailuan Mine underground logging equipments

圖3 開(kāi)灤煤礦井下鉆孔測(cè)斜技術(shù)發(fā)展Fig.3 Development of underground logging technology in Kailuan

鉆孔窺視，鉆孔成像技術(shù)應(yīng)用，為解決鉆孔孔內(nèi)事故、鉆孔內(nèi)煤炭地層地質(zhì)構(gòu)造信息、采掘生產(chǎn)施工提供了重要參考。鉆孔測(cè)斜，早期在鉆孔成孔后，采用推桿將探管送入孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)斜，后來(lái)發(fā)展到將探管嫁接到鉆桿上，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)斜和定向鉆探。綜合測(cè)井，成像與測(cè)斜結(jié)合、測(cè)斜與物理測(cè)井技術(shù)的結(jié)合，不僅提供了鉆孔實(shí)際軌跡，同時(shí)提供孔內(nèi)煤巖層賦存影像特征，為復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔取芯困難時(shí)的地質(zhì)分析提供重要參考。

3.3 建立適合礦井地質(zhì)特點(diǎn)的鉆探施工技術(shù)

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(yīng)用。煤層中利用螺旋鉆桿鉆進(jìn)，具有排渣干凈，孔壁相對(duì)完整，成孔率高的特點(diǎn)，減少了塌孔事故。同時(shí)，研制加設(shè)風(fēng)水切換裝置，實(shí)現(xiàn)水鉆和風(fēng)排鉆進(jìn)的快速切換，避免了循環(huán)水對(duì)孔壁的沖刷軟化，杜絕風(fēng)鉆可能引起的火災(zāi)隱患。在防突鉆孔施工中，采取加大鉆機(jī)扭矩、應(yīng)用螺旋鉆桿等措施提高鉆進(jìn)能力，還采用了鉆具中加設(shè)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(jìn)度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東歡坨礦井下現(xiàn)有外平鉆桿和螺旋鉆桿鉆進(jìn)中，螺旋鉆桿應(yīng)用達(dá)60%以上，錢家營(yíng)礦和范各莊礦也都有較好的應(yīng)用。

3.3.2 開(kāi)拓思路探索施工工藝

注漿以及化學(xué)漿液護(hù)壁技術(shù)以及多層套管、距管鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。范各莊礦施工松軟煤（巖） 層鉆孔，巖芯管前端帶相應(yīng)口徑的特制筒狀合金鉆頭，后端上螺絲頭，當(dāng)?shù)谝桓坠茔@進(jìn)到孔內(nèi)后，解下螺絲頭，上第二根套管，再鉆進(jìn)，直到鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，然后用小徑鉆頭清理出套管內(nèi)的煤巖粉，直接上注漿盤封注承壓套管。林南倉(cāng)礦在施工-650 回風(fēng)石門A 層底板井下水文觀測(cè)孔，加大開(kāi)孔孔徑，鉆孔先后下設(shè)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(cè)時(shí)，針對(duì)瓦斯壓力大和水噴孔的問(wèn)題，采取用水沖孔、增打輔助鉆孔注漿等措施，順利通過(guò)煤層，探清了斷層賦存狀態(tài)。

圖4 井下高壓軟巖含水層水文觀測(cè)孔鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Drilling structure in high pressure soft rock aquifer

3.3.3 加強(qiáng)施工管理和工序銜接

加強(qiáng)人員操作規(guī)程培訓(xùn)，重點(diǎn)做好措施的培訓(xùn)和貫徹，員工做好現(xiàn)場(chǎng)施工條件確認(rèn)和鉆具檢查，嚴(yán)格操作順序施工。特殊鉆孔必須由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人司鉆，下鉆時(shí)，鉆頭距孔底1～2 m 時(shí)必須給水，同時(shí)掌握好泵壓，見(jiàn)返水后才能鉆進(jìn)。鉆頭下到孔底，給轉(zhuǎn)并沖孔10 min 以上方可鉆進(jìn)。由專人看好水泵吸水管，吸水龍頭不準(zhǔn)有堵塞，不準(zhǔn)吸空。無(wú)芯鉆進(jìn)時(shí)，班末必須沖孔20 min 以上再提鉆，并至少提出10 m 鉆桿。鉆進(jìn)中如果停電或水泵故障，必須立刻接通高壓風(fēng)吹出孔底巖粉。

4 結(jié) 論

（1） 結(jié)合礦井地質(zhì)特點(diǎn)和礦井發(fā)展定位，引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鉆探裝備和技術(shù)，建立適合自身特點(diǎn)的鉆探技術(shù)體系。近年來(lái)，鉆探裝備同采掘設(shè)備一樣向著大型化方向發(fā)展，發(fā)展型復(fù)雜地質(zhì)條件礦井，超前探和瓦斯抽采鉆探工程量大，應(yīng)當(dāng)緊跟鉆探技術(shù)發(fā)展前沿，發(fā)展大功率設(shè)備和定向鉆探設(shè)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(huán)境和地質(zhì)問(wèn)題，采用靈活的小型化設(shè)備，開(kāi)展小革小改活動(dòng)，研究適合當(dāng)?shù)貤l件的鉆探施工技術(shù)，更好的解決制約生產(chǎn)的地質(zhì)和鉆探問(wèn)題。

（3） 我國(guó)井下鉆探裝備經(jīng)歷機(jī)械立軸鉆機(jī)、全液壓鉆機(jī)發(fā)展階段，并在向智能化鉆機(jī)階段邁進(jìn)。煤礦井下近水平千米定向鉆進(jìn)、隨鉆測(cè)量等技術(shù)與裝備方面已跨入國(guó)際先進(jìn)行列，但與先進(jìn)的石油定向鉆井和測(cè)井技術(shù)相比，在裝備可靠性、自動(dòng)化程度、隨鉆測(cè)量?jī)x器上還有一定差距，還需借鑒和吸收國(guó)內(nèi)外石油和煤層氣的先進(jìn)鉆井新技術(shù)，加快智能化鉆進(jìn)裝備與鉆進(jìn)技術(shù)方面的深度融合，在鉆探領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”，達(dá)到減員增效的目的，跟上智能礦山建設(shè)步伐，為煤礦區(qū)瓦斯抽采、水害防治以及其他隱蔽致災(zāi)因素探查提供更好的裝備與技術(shù)支撐。