安徽省阜阳市 236221
摘要：矿井瓦斯灾害是我国煤矿最主要的灾害之一，而瓦斯抽采是防治矿井瓦斯灾害的治本之策。随着我国钻探技术与装备的发展，深孔定向钻进技术以其钻进效率高、钻孔深度大、钻孔轨迹可测控、一孔多分支、单孔抽采瓦斯浓度高、钻孔瓦斯抽采区域面积大等优点，成为煤矿井下瓦斯高效抽采的重要技术手段。
关键词：煤矿井下；定向钻进；钻孔轨迹；瓦斯抽采
煤层瓦斯抽采是解决矿井瓦斯灾害的根本性措施，而钻孔的精准施工是煤层瓦斯抽采的决定性因素之一。定向钻进技术从2008年被引进到我国煤矿井下以来，已经在许多矿区得到推广 ，经过不断的改进完善，在国内钻进深度已经突破2 000 m。现在部分高瓦斯矿井、突出矿井已开始推广定向钻进技术，并取得了可喜成果。定向钻进具有井下长距离钻进、钻孔有效长度长、随钻测量轨迹、施工周期短、工程量小、抽采效果好等优点，目前已逐渐成为煤矿瓦斯治理的重要技术手段。由于各矿煤层结构等复杂的地质条件均不尽相同，因此不能直接应用其他煤矿的经验，需根据煤田地质条件制定合理的深孔定向钻进工艺。
1 煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术
煤矿井下深孔定向钻进瓦斯抽采技术是指通过定向钻进装备及随钻测量系统实时控制钻孔轨迹，使其按设计轨迹延伸。主-分支孔结构中施工主孔和大量分支孔均匀分布在煤层中，加之钻孔成孔深度大，在单位抽采时间内可有效覆盖更大面积煤层，极大地提高了煤层瓦斯抽采率，使得区域瓦斯治理能力大幅提升。
1.1 定向钻进系统
煤矿井下定向钻进系统由定向钻机、泥浆泵、测量探管、孔底马达、定向钻头、通缆钻杆、无磁钻杆、送水器、孔口计算机等组成，
由泥浆泵提供的高压液流经送水器、通缆钻杆输送至孔底马达，马达在高压液流的作用下带动钻头破岩钻进，钻进过程中采用滑动钻进方式，不回转钻具(钻杆柱)。同时，随钻测量探管实时采集钻孔的倾角、方位角、工具面向角等参数并由信号传输装置传输给孔口计算机，形成钻孔实钻轨迹并显示。施工人员将钻孔实钻轨迹与设计轨迹进行比对，根据其偏斜情况实时调整螺杆钻具上造斜件的工具面向角，使其朝设计轨迹方向钻进，从而达到定向钻进目的。
1.2 深孔定向钻进瓦斯抽采原理
煤层瓦斯主要有吸附和游离2种赋存状态，二者处于一种动态的吸附-解吸平衡状态。吸附态瓦斯占煤层瓦斯含量的80%～90%。由于定向钻进对煤层有效作用面积大，可以大范围改变煤体原始应力的分布，从而打破煤层瓦斯吸附-解吸的动态平衡，使大量吸附态瓦斯转化为游离态；在钻孔负压与煤体地应力和瓦斯压力形成的压力梯度作用下，游离态瓦斯源源不断地流向钻孔空间，使周围煤体瓦斯得到有效排放，煤体发生收缩变形，透气性系数大幅增加，地应力与瓦斯压力梯度减小，从而使得定向长钻孔抽采影响范围扩大，实现煤层瓦斯大面积有效抽采，瓦斯抽采效果显著提高。
1.3 定向长钻孔布置方式
定向长钻孔主-分支孔结构可根据适用煤层条件的不同而采取不同的布置方式，常用的有羽状长钻孔和梳状长钻孔。羽状长钻孔主要适用于普氏系数较大、煤层完整性较好、无断层或陷落柱等构造的煤层；梳状长钻孔主要适用于普氏系数较小、煤质松软、成孔较难但顶底板岩性较好的煤层。目前在一些普氏系数小于1的煤层也开展了许多羽状顺层长钻孔的钻进试验，并取得了良好的应用效果。
1.4定向钻机装备
定向钻机主要用于提供钻进的孔口动力，适用回转钻进、滑动定向钻进和复合定向钻进多种工艺方法。
钻机转矩在3 000～6 000 N•m的常规定向钻机主要施工500～1 000 m孔深的定向钻孔，代表机型有ZDY4000LD、ZDY6000LD、ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(B)、ZDY6000LD(F)、ZYWL6000D等[7]。转矩为10 000～15 000 N•m大功率定向钻机一般可以施工孔深超过1 500 m的本煤层顺层定向钻孔和孔深超过1 000 m、孔径ø153 mm的岩层定向钻孔，代表机型有ZDY12000LD、ZYWL13000DS和ZDY15000LD等。
定向钻机装备主要采用钻车和泵车两体式布局，分别驱动，具备独立行走功能，可以大幅提高装备的适应性和配套功能，搬迁方便、现场布置灵活。
1.4.1定向钻机
定向钻机由主机、泵站、操作台、防爆计算机、流量计、履带底盘、稳固装置组成；回转器通过行星齿轮减速机构实现较大降速比，以斜轴式液控变量双马达驱动作为能量转换的输入单元，还可对输出转矩和转速实现大范围无级调节；主轴制动装置具有2 000 N•m的制动能力，有效防止误操作和螺杆马达反作用力对主轴定位的影响；胶筒式液压卡盘满足大通孔和大转矩输出要求，主轴通孔直径ø135 mm，可配套ø73 mm、ø89 mm、ø102 mm、ø127 mm等多种规格的普通钻杆、通缆钻杆、螺旋钻杆和事故打捞钻具，具有较强的工艺适应性。通过调整机身倾角和钻孔造斜能够进行-10°～+20°角度定向钻孔施工，给进/起拔能力达到250 kN，使用维护方便。
1.4.2泥浆泵车
泥浆泵车是定向钻进装备的关键，主要用于向钻孔内提供高压冲洗液。根据施工钻孔类型不同，需要的冲洗液流量和压力不同。随着孔深增加和对钻孔效率及成本要求进一步提升，泥浆泵的输出性能参数成为决定钻孔施工结果的关键。
煤矿井下之前主要采用BW系列电驱泥浆泵，其压力和流量不匹配，搬迁移位和操控不方便，已不能满足深孔定向钻进需要[9]。针对以上问题开发的系列泥浆泵车，集成泥浆泵、电磁启动器、瓦斯监测断电仪、机车灯组件等。
2.发展展望
总体来说，近年来在国家的支持下，在自主创新与引进消化吸收相结合的方针指导下，通过产学研结合的形式，我国在煤矿井下坑道钻探装备技术领域取得了丰硕的成果，研制出适用于各种用途的多种钻机装备及配套技术，为煤矿安全高效生产提供了有力的保障，促进了煤炭绿色持续发展和煤矿安全生产形势的稳定好转，充分说明国家对于行业创新的支持是必要的，也是有效的。
我国在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，从钻探装备、钻进工艺、成孔技术等方面开展井下钻探工程技术与装备的研究，开发出适合我国煤矿井下的地质导向智能钻进系统。
煤矿井下钻探技术与装备的研发需要多专业多学科交叉融合，加大信息化、自动化、智能化的研究，通过智能化钻进装备与钻进技术方面的深度融合，实现真正意义上自动化钻孔施工的目的，实现“机械化换人、自动化减人”，达到减员增效，为煤矿区煤层气井上、井下区域化立体联合抽采、水害防治和隐蔽致灾因素探查提供装备与技术支撑。
参考文献：
[1]申宝宏，郑行周，弯效杰.煤矿隐蔽致灾因素普查技术指南[M].北京：煤炭工业出版社，2015.
[2]石智军，刘建林，李泉新.我国煤矿区钻进技术装备发展与应用[J].煤炭科学技术，2018，46(4)：1–6
[3]张宏钧，姚克，张幼振.松软煤层螺旋钻杆与压风复合排渣钻进技术装备[J].煤矿安全，2017，48(7)：99–102.