贵州省煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望

衡献伟，李青松，3，徐晓乾，付金磊

(1.贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550025； 2.贵州省矿山安全科学研究院有限公司，贵州 贵阳 550025；3.中国矿业大学 安全学院，江苏 徐州 221116)

煤炭是我国最主要的一次能源，占我国一次能源消费总量的60%以上[1-2]。贵州煤炭资源储量居全国第5位，相当于南方12省(区、市)总和，素有“江南煤海”之称。贵州煤矿大多为煤层群开采，可采煤层一般3～20层，煤层透气性差且松软煤层普遍发育，煤层渗透率为10-6数量级，全国最低，较淮南低2～3个数量级。瓦斯治理是困扰松软突出煤层产能提高的难题[3-4]，其中瓦斯抽采钻孔的施工装备及钻进工艺是关键难点之一[5-7]。

近年来，随着科学技术的进步及煤矿安全技改专项资金的投入，贵州煤矿区瓦斯抽采成套技术装备能力水平得到大幅提升，并形成了一系列瓦斯抽采技术及装备等体系文件[8-12]。但多数矿井存在抽采巷道、钻孔工程量少，不能满足瓦斯抽采需要，进而导致矿井抽、掘、采失调。基于此，通过问卷形式初步了解了贵州主要产煤区(州、县)和煤炭企业(集团)公司大功率定向钻机及附属装备的配备情况，并选取典型煤矿进行实地调研。对其配置大功率履带式钻机、千米定向钻机及钻孔轨迹测量仪等先进装备配备、使用现状、适用条件和先进经验等进行分析总结，并对比分析了定向钻机与大功率钻机抽采效果，提出贵州煤矿抽采技术与装备发展展望。

1 贵州煤矿大功率钻机应用现状

对贵州众一金彩黔矿业有限公司、山东能源贵州矿业集团有限公司、兖矿贵州能化有限公司、贵州豫能投资有限公司、贵州能发燃料开发有限公司、贵州盘江煤电集团有限责任公司、贵州邦达能源开发有限公司、贵州新宜矿业集团有限公司及贵州水城矿业(集团)有限责任公司等旗下14对典型矿井进行调研，调研矿井分布如图1所示。其中，定向钻机共计配备5台，4000～6000型大功率钻机共计配备75台，3500以下型号钻机共计配备19台。其中老鹰山矿井大功率钻机配备情况不详，13对典型矿井大功率钻机统计结果如图2所示。配备定向钻机矿井占调研矿井的28.57%，4000～6000型大功率钻机调研矿井均有配备。3500以下型号钻机有6个矿井配备，配备3500以下型号钻机矿井占调研矿井的42.85%。按照结构形式、适用条件、使用过程优缺点、主要特征性能参数及抽采效果考察等对典型钻机装备进行介绍。

图1 调研矿井分布 Fig.1 Research mine distribution

图2 调研矿井钻机配置情况Fig.2 Investigate the configuration of mine rigs

1.1 定向钻机应用情况

定向钻机是一种低转速大转矩自行式全液压动力头式坑道钻机，采用履带车驱动和胶轮车拖挂结构，适于孔口动力的大直径近水平深孔钻进和孔底动力的螺杆马达定向钻进，钻机结构、施工工艺流程如图3、图4所示。

图3 ZDY-6000LD(F)钻机示意Fig.3 Schematic diagram of ZDY-6000LD(F) drilling rig

图4 前进式钻孔工艺流程Fig.4 Progressive drilling process

调研矿井使用的定向钻机有：ZDY-4000LD(C)、ZDY-6000LD(B)、ZDY-6000LD(F)、ZYWL-6000DS型，定向钻机参数见表1，主要用于施工顺层抽采钻孔和顶板穿层梳状钻孔，以实现大面积预抽煤层瓦斯。其中，青龙煤矿应用ZDY-6000LD(F)定向钻机在21601运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，共施工7个定向顺层钻孔，钻孔深120～306 m，总进尺4 987 m，截至2019年1月25日，已累计抽采瓦斯112 d，抽采瓦斯浓度与纯量变化关系如图5所示。支管抽采瓦斯平均浓度为69.4%，支管抽采瓦斯平均纯量为2.7 m3/min；青龙煤矿应用ZDY-4000LD(C)定向钻机在21606运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，共施工50个顺层钻孔，钻孔平均孔深145 m，累计进尺7 250 m，施工日进尺150 m，钻孔单孔抽采瓦斯浓度为50%～90%，单孔抽采流量为0.1～0.5 m3/min；新田煤矿应用ZDY-6000LD(B)定向钻机在1901运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，共施工8个定向顺层钻孔，钻孔孔深96～459 m，总进尺3 354 m，钻孔单孔抽采瓦斯平均浓度36.14%～91.6%；恒泰煤矿应用ZDY-6000LD(F)定向钻机在21804运输巷施工顶板穿层梳状钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，共施工7个定向抽采长钻孔，孔深为120～306 m，总进尺为4 987 m，钻孔单孔抽采瓦斯平均浓度为31.51%～58.70%，单孔抽采瓦斯平均纯量为1.91～3.75 m3/min。

表1 定向钻机参数Tab.1 Directional drilling rig parameters

图5 抽采瓦斯浓度与纯量变化Fig.5 Drainage gas concentration and scalar change

定向钻机在使用过程中稳定性好，采用液压油缸固定钻机较牢固，且定向钻孔可以实时测定轨迹，打钻比较精确，杜绝出现空白带，钻孔成孔满足瓦斯治理的需求；取代底板抽放巷，适当缩减工期；提前预抽，减少掘进期间区域瓦斯抽放治理频次。定向钻机在使用过程中仍存在一些问题：①由于钻机体积大，要求施工断面大，增加顶板控制难度；②钻孔施工时必须具备一定的判断能力和简单的计算机操作；③顶底板岩性要求高，泥岩等易垮孔，钻孔效果评价较困难。

1.2 4000～6000型大功率钻机

调研矿井使用的4000～6000型大功率钻机型号有：ZDY-4200LS、ZDY-4000LR、CMS1-6000/55、CMSI-4200/55、CMSI-4000/55、ZYW-6000/75、ZDY-4500LXY、ZDY-4200LPS(A)、ZDY-4200、ZYWL-4000、CMSI-4200/80、ZDY-4200SWL、ZDY-4000S、ZDY-4000L(Q)，13对典型矿井使用4000～6000型大功率钻机统计结果如图6所示。绿塘、恒泰、新田、林华、月亮田、火烧铺煤矿均使用ZDY-4000LR钻机，大雁、金佳河、恒泰、那罗寨、大湾煤矿均使用ZDY-4200LS钻机。可见主要使用ZDY-4000LR与ZDY-4200LS两种钻机，其参数见表2。

图6 调研矿井4000～6000型大功率钻机配置情况 Fig.6 Investigate the configuration of mine 4000～6000 high power drilling rig

表2 典型大功率钻机参数Tab.2 Typical high power rig parameters

ZDY-4000LR型煤矿用履带式全液压坑道钻机，属于履带自行式、低转速、大转矩类型，主要用于施工顺层、穿层，以实现大面积预抽煤层瓦斯；ZDY-4200LS型煤矿用履带式全液压坑道钻机为无级调速钻机，主要用于施工地质钻孔开展地质勘探。其中，那罗寨煤矿应用ZDY-4000LR大功率钻机在121102运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，2019年1月18日至2019年4月10日，共施工67个钻孔，钻孔孔深72～130 m，累计抽采99 d，抽采瓦斯浓度与纯量变化关系如图7所示，支管抽采瓦斯浓度为32%～49%，抽采瓦斯平均浓度为39.56%；支管抽采瓦斯纯量为2.97～8.01 m3/min，抽采瓦斯平均纯量为5.34 m3/min；大湾煤矿应用ZDY-4000LS大功率钻机在Z10901回风巷施工穿层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，共施工395个钻孔，钻孔孔深59～92 m，累计进尺4 399 m，钻孔单孔抽采瓦斯平均浓度为38.77%。

图7 抽采瓦斯浓度与纯量变化Fig.7 Change of gas concentration and scalar

ZDY-4000LR钻机可随意调整钻孔倾角和方位角，全方位施钻，煤矿井下采用复合片钻头在稳定中硬岩煤层中施工深度350 m以内、终孔直径小于200 mm的近水平地质勘探孔、抽放瓦斯孔、注水钻孔等。钻机在使用过程中仍存在一些问题：目前只有井下各大巷、采煤工作面及巷道断面较大的巷道适合使用，ZDY-4000LR型钻机受巷道断面限制性较大；ZDY-4200LS钻机适用于岩石坚固性系数f≤ 10的各种煤层、岩层，钻孔施工孔径大，施工深度大，钻孔成型好。钻机在使用过程中仍存在一些问题：①钻机运输困难，对运输巷道高度不得小于2.3 m，对行走巷道宽×高不得小于1.5 m×2.1 m；②人员操作技能要求比较高，钻机配件高，钻杆价格高；③使用过程中，钻机夹持器加紧钻杆困难，夹持器密封桶容易损坏。

1.3 3500以下型号大功率钻机

3500以下型号钻机抽采瓦斯效果并不理想，只有部分调研矿井在用。调研矿井使用的3500以下型号钻机有：ZDY-3200S、ZDY-3200/37、ZDY-3200、ZDY-3500、ZDY-3500L(Q)。3500型以下型号钻机使用效果一般，单孔瓦斯抽采浓度1.3%～46.0%，支管抽采瓦斯浓度5.74%～35.42%；支管抽采瓦斯瓦斯纯量0.092～4.340 m3/min；钻机机身尺寸小，能在小断面巷道中施工，购置成本低，操作简单，维修简单。钻机在使用过程中仍存在一些问题：①钻机施工钻孔长度较短，施工长度60～100 m；②钻机调整方位角、倾角工序繁琐，施工方位角、倾角范围有限；③钻机机身稳定性较差；④钻机机动灵活性差，不便于拆卸、运输。

1.4 定向钻机与大功率钻机效果讨论

选取调研矿井配备的典型定向钻机ZDY-6000LD(F)与大功率钻机ZDY-4000LR进行效果讨论。青龙煤矿应用ZDY-6000LD(F)定向钻机在21601运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯，那罗寨煤矿应用ZDY-4000LR大功率钻机在121102运输巷施工顺层钻孔预抽煤巷掘进条带瓦斯。在抽采112 d内，ZDY-6000LD(F)定向钻机顺层钻孔支管抽采瓦斯浓度达61.0%～72.2%，钻孔孔深120～306 m；在抽采85 d内，ZDY-4000LR钻机运输巷支管抽采瓦斯浓度为32%～49%，钻孔孔深72～130 m；从支管抽采瓦斯浓度与钻孔孔深可看出，ZDY-6000LD(F)定向钻机使用效果优于ZDY-4000LR大功率钻机。顺层钻孔支管抽采瓦斯浓度变化曲线如图8所示。

图8 ZDY-6000LD(F)与ZDY-4000LR钻机抽采浓度对比 Fig.8 Comparison of extraction concentration between ZDY-6000LD(F) and ZDY-4000LR drilling rig

在第85天时，二者支管抽采瓦斯浓度呈衰减阶段，ZDY-4000LR支管抽采瓦斯衰减速度明显高于ZDY-6000LD(F)定向钻机，反映出ZDY-6000LD(F)定向钻机使用效果优于ZDY-4000LR大功率钻机。而ZDY-4000LR钻机支管抽采瓦斯浓度曲线波动较大，是否存在气密性不好而导致曲线出现两次下降波动的可能性，并且从调研矿井反馈数据，没有定向钻机与大功率钻机在同一煤层进行钻孔抽采瓦斯的工程实例。因此，无法从效果上准确定量地分析。但是从上述论述的支管抽采瓦斯浓度、钻孔孔深、支管抽采瓦斯浓度衰减速度指标可以侧面反映出ZDY-6000LD(F)定向钻机使用效果优于ZDY-4000LR大功率钻机。

2 贵州省矿井瓦斯抽采附属装备现状

2.1 瓦斯抽采计量装置

调研矿井根据自身瓦斯抽采系统布置、采掘工作面布局情况等，均按有关规程规范的要求在抽采主(支)管安装有数量不等、不同型号的瓦斯抽采计量装置。瓦斯抽采计量代表装置有：CGWZ-100(C)与KWG100(C)型管道激光测定仪、GD3(B)型多参数流量传感器、CGWZ-100(C)型瓦斯抽采多参数传感器、KG90瓦斯抽采管道气体参数测定仪、WGCB型管道气体参数测定仪、KGW-4型传感器、DJ3型测定仪、GJT100G甲烷传感器、GPD100F负压传感器、GWD100G温度传感器、GLW900/11450(91606)流量传感器。调研矿井瓦斯抽采计量装置配置情况如图9所示。

图9 调研矿井瓦斯抽计量装置配置情况 Fig.9 Investigate the configuration of mine gas drainage metering devices

调研矿井瓦斯抽采计量装置能准确、可靠地反映出测量结果。瓦斯抽采计量装置均能实时显示抽采管路瓦斯浓度、温度、流量、压力等参数；测量数据基本准确，在误差允许范围内；质量可靠，故障率低，能长期稳定运行，安装方便，读数简单。但瓦斯抽采计量装置使用过程中也存在以下不足：①激光类仪器检定单位较少，长期运行仪器测量误差大，测量精度无法保证，目前仅大湾煤矿送检到遵义市质量检验检测院开展定期检定；②防水效果差；③测量管路容易堵塞。

2.2 随钻测量系统

由于随钻测量系统需跟定向钻机配套使用，目前仅青龙煤矿、新田煤矿、恒泰煤矿正在使用随钻测量系统，其他矿井未使用随钻测量系统。青龙煤矿使用YHD2-1000T(A)型随钻测量系统与ZDY-6000LD(F)、ZDY-4000LD(C)型全液压定向钻机配套使用；新田煤矿使用YHD2-1000(A)型随钻测量系统与ZDY-6000LD(B)型全液压定向钻机配套使用。恒泰煤矿使用ZSZ1500-T型随钻测量系统与ZYWL-6000DS型定向钻机配套使用。

调研矿井随钻测量系统测量数据准确，测量深度超过600 m；可实时测量钻孔倾角、方位、工具面等参数，并在孔口显示屏呈现，便于施工人员随时了解钻孔施工情况及时调整钻孔参数，使钻孔尽可能按照设计轨迹延伸。同时，随钻测量系统使用过程中也存在如下不足：①对操作人员技能要求高，操作复杂；②电缆信号传输不稳定时，对其影响大。

2.3 钻孔轨迹测量仪

目前仅新田煤矿正在使用YZG12型钻孔轨迹测量仪，月亮田煤矿曾在2017年试用YZG4.8型钻孔轨迹测量仪，其他矿井未使用钻孔轨迹测量仪。钻孔轨迹测量仪使用效果如下：能直观看到钻孔轨迹水平、垂直偏差，也能有效反映钻孔孔深、倾角、方位角、地质信息等参数，同时能将测量数据导入评价系统，观看孔群的二维视图和三维视图。但其购置成本高，易受地磁场影响，随着孔深增加而测量误差增加，需二次测量已施工钻孔轨迹。

3 煤矿抽采技术与装备发展展望

根据定向钻机与大功率钻机配备情况，从以下方面进行抽采技术与装备展望概述。

(1)引进世界先进的定向钻机及对现有国内大功率钻机进行升级改造。通过本次调研和前期大面积问卷调查得知，贵州省境内应用千米钻机厂家仅局限于中煤科工集团西安研究院和重庆研究院2家企业，无论从设备应用、技术推广和现场使用效果，均处于起步和摸索阶段，相较世界范围内应用VLD型千米钻机的效果来看，还存在一定的差距，尤其是针对贵州低透松软煤层的长距离钻进技术和设备性能，今后可适度多元，引进全球最顶尖的VLD-1000A、VLD-1000B、VLAD2000和VLD3000等型号钻机在贵州突出矿区进行大面积示范应用，从而更好地解决贵州复杂地质条件下的本煤层及穿层长钻孔施工和瓦斯抽采问题。其次，在目前国内大功率钻机应用效果优化方面，可进行升级改造的方向如下：①定向钻机尺寸过大，受到巷道断面限制，在今后研发中需将体积设计小型化；②定向钻机在施工钻孔时常遇到断层、陷落柱等特殊地质区域，易卡钻或抱钻，预先为这些典型地质区域制定防抱钻技术方案，并给出多种钻具配备措施；③应与其他多种技术联合开展增透试验研究，确保钻进过程中无瓦斯事故发生，抽采效果达到最优。

(2)随钻测量设备的开发与煤岩智能判别机制。该方向主要研究内容如下：①在钻孔过程中常钻进岩层，钻杆易发生损坏，且浪费人力物力，需在钻进过程中实现智能判断所处煤层还是岩层，将引导实施钻孔；②煤矿井下随钻设备轨迹测量APP研发，完成井下钻孔轨迹的数据处理，可进一步指导施工[13]。

(3)定向钻机联合孔代巷技术进行瓦斯抽采研究。该方向主要研究内容如下：采用大功率定向钻机及配套钻具，结合“定向先导孔+正向扩孔”成孔工艺，融合以孔代巷技术，突破原有钻孔终孔孔径，以期实现浓度高、流量大、长时间的钻孔瓦斯抽采效果[14-15]。

(4)基于钻孔大数据云技术的理论模型研究。该方向主要研究内容如下：①基于随钻设备的钻孔轨迹等数据开展煤岩地质区域基础实验研究；②基于施工钻孔现场的海量数据，进行大数据的云计算整合，探索钻孔轨迹偏离诱发条件及钻孔变形失稳等机理；③研发可扫描钻具，在设备钻进后利用可扫描钻具扫描钻孔内数据，然后将数据点云进行处理，建立钻孔真三维数值模拟模型用于力学分析[16-18]。

4 结论与建议

通过引进与自主创新，贵州煤炭企业购置并应用大功率钻机施工定向长钻孔，实现以孔代巷、大面积预抽煤层瓦斯，目前已成为一种有效的瓦斯抽采技术方法。但受煤层赋存、巷道条件等因素影响，仍存在松软煤层成孔困难、装备昂贵、部分配套设备被垄断等问题，未得到大面积推广应用。为解决上述问题，以期实现矿区煤层气高效抽采、煤与瓦斯灾害防治提出如下建议。

(1)各煤矿企业针对贵州省内煤矿不同地质区域情况，采取引进与自主研发相结合方式，找出适合自身矿井瓦斯抽采成套先进装备，才能为煤矿安全高效生产提供有力的保障。

(2)建议政府及职能部门加大科研院所和煤炭企业的专项资金支持力度，开展瓦斯抽采技术装备的基础研究，为煤矿企业瓦斯抽采技术、装备利用提供科技支撑，不断提高瓦斯灾害防治技术和装备水平，指导矿井瓦斯防治，确保安全生产。

(3)采用“产—学—研—用—服务”相结合的模式，组建集设计、施工、效检和技术培训为一体的专业化瓦斯治理团队，开展煤矿瓦斯治理全寿命周期的工程化服务。同时，加强对国外和其他主要产煤省份的瓦斯治理先进技术和成套装备的引进、消化和再创新，逐步形成适合贵州煤矿的瓦斯治理先进技术和瓦斯抽采先进装备体系。

(4)建议组织省内高校、科研院所对长距离钻孔排渣、封孔设备及工艺，大面积区域效检技术及装备和瓦斯抽采计量装置检定、误差校核等开展科技攻关，提高贵州省瓦斯治理技术和装备水平。