貴州省煤礦瓦斯抽采技術裝備現(xiàn)狀與展望

衡獻偉，李青松，3，徐曉乾，付金磊

(1.貴州省煤礦設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省礦山安全科學研究院有限公司，貴州 貴陽 550025；3.中國礦業(yè)大學 安全學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭是我國最主要的一次能源，占我國一次能源消費總量的60%以上[1-2]。貴州煤炭資源儲量居全國第5位，相當于南方12省(區(qū)、市)總和，素有“江南煤?！敝Q。貴州煤礦大多為煤層群開采，可采煤層一般3～20層，煤層透氣性差且松軟煤層普遍發(fā)育，煤層滲透率為10-6數(shù)量級，全國最低，較淮南低2～3個數(shù)量級。瓦斯治理是困擾松軟突出煤層產能提高的難題[3-4]，其中瓦斯抽采鉆孔的施工裝備及鉆進工藝是關鍵難點之一[5-7]。

近年來，隨著科學技術的進步及煤礦安全技改專項資金的投入，貴州煤礦區(qū)瓦斯抽采成套技術裝備能力水平得到大幅提升，并形成了一系列瓦斯抽采技術及裝備等體系文件[8-12]。但多數(shù)礦井存在抽采巷道、鉆孔工程量少，不能滿足瓦斯抽采需要，進而導致礦井抽、掘、采失調?；诖?，通過問卷形式初步了解了貴州主要產煤區(qū)(州、縣)和煤炭企業(yè)(集團)公司大功率定向鉆機及附屬裝備的配備情況，并選取典型煤礦進行實地調研。對其配置大功率履帶式鉆機、千米定向鉆機及鉆孔軌跡測量儀等先進裝備配備、使用現(xiàn)狀、適用條件和先進經驗等進行分析總結，并對比分析了定向鉆機與大功率鉆機抽采效果，提出貴州煤礦抽采技術與裝備發(fā)展展望。

1 貴州煤礦大功率鉆機應用現(xiàn)狀

對貴州眾一金彩黔礦業(yè)有限公司、山東能源貴州礦業(yè)集團有限公司、兗礦貴州能化有限公司、貴州豫能投資有限公司、貴州能發(fā)燃料開發(fā)有限公司、貴州盤江煤電集團有限責任公司、貴州邦達能源開發(fā)有限公司、貴州新宜礦業(yè)集團有限公司及貴州水城礦業(yè)(集團)有限責任公司等旗下14對典型礦井進行調研，調研礦井分布如圖1所示。其中，定向鉆機共計配備5臺，4000～6000型大功率鉆機共計配備75臺，3500以下型號鉆機共計配備19臺。其中老鷹山礦井大功率鉆機配備情況不詳，13對典型礦井大功率鉆機統(tǒng)計結果如圖2所示。配備定向鉆機礦井占調研礦井的28.57%，4000～6000型大功率鉆機調研礦井均有配備。3500以下型號鉆機有6個礦井配備，配備3500以下型號鉆機礦井占調研礦井的42.85%。按照結構形式、適用條件、使用過程優(yōu)缺點、主要特征性能參數(shù)及抽采效果考察等對典型鉆機裝備進行介紹。

圖1 調研礦井分布 Fig.1 Research mine distribution

圖2 調研礦井鉆機配置情況Fig.2 Investigate the configuration of mine rigs

1.1 定向鉆機應用情況

定向鉆機是一種低轉速大轉矩自行式全液壓動力頭式坑道鉆機，采用履帶車驅動和膠輪車拖掛結構，適于孔口動力的大直徑近水平深孔鉆進和孔底動力的螺桿馬達定向鉆進，鉆機結構、施工工藝流程如圖3、圖4所示。

圖3 ZDY-6000LD(F)鉆機示意Fig.3 Schematic diagram of ZDY-6000LD(F) drilling rig

圖4 前進式鉆孔工藝流程Fig.4 Progressive drilling process

調研礦井使用的定向鉆機有：ZDY-4000LD(C)、ZDY-6000LD(B)、ZDY-6000LD(F)、ZYWL-6000DS型，定向鉆機參數(shù)見表1，主要用于施工順層抽采鉆孔和頂板穿層梳狀鉆孔，以實現(xiàn)大面積預抽煤層瓦斯。其中，青龍煤礦應用ZDY-6000LD(F)定向鉆機在21601運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，共施工7個定向順層鉆孔，鉆孔深120～306 m，總進尺4 987 m，截至2019年1月25日，已累計抽采瓦斯112 d，抽采瓦斯?jié)舛扰c純量變化關系如圖5所示。支管抽采瓦斯平均濃度為69.4%，支管抽采瓦斯平均純量為2.7 m3/min；青龍煤礦應用ZDY-4000LD(C)定向鉆機在21606運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，共施工50個順層鉆孔，鉆孔平均孔深145 m，累計進尺7 250 m，施工日進尺150 m，鉆孔單孔抽采瓦斯?jié)舛葹?0%～90%，單孔抽采流量為0.1～0.5 m3/min；新田煤礦應用ZDY-6000LD(B)定向鉆機在1901運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，共施工8個定向順層鉆孔，鉆孔孔深96～459 m，總進尺3 354 m，鉆孔單孔抽采瓦斯平均濃度36.14%～91.6%；恒泰煤礦應用ZDY-6000LD(F)定向鉆機在21804運輸巷施工頂板穿層梳狀鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，共施工7個定向抽采長鉆孔，孔深為120～306 m，總進尺為4 987 m，鉆孔單孔抽采瓦斯平均濃度為31.51%～58.70%，單孔抽采瓦斯平均純量為1.91～3.75 m3/min。

表1 定向鉆機參數(shù)Tab.1 Directional drilling rig parameters

圖5 抽采瓦斯?jié)舛扰c純量變化Fig.5 Drainage gas concentration and scalar change

定向鉆機在使用過程中穩(wěn)定性好，采用液壓油缸固定鉆機較牢固，且定向鉆孔可以實時測定軌跡，打鉆比較精確，杜絕出現(xiàn)空白帶，鉆孔成孔滿足瓦斯治理的需求；取代底板抽放巷，適當縮減工期；提前預抽，減少掘進期間區(qū)域瓦斯抽放治理頻次。定向鉆機在使用過程中仍存在一些問題：①由于鉆機體積大，要求施工斷面大，增加頂板控制難度；②鉆孔施工時必須具備一定的判斷能力和簡單的計算機操作；③頂?shù)装鍘r性要求高，泥巖等易垮孔，鉆孔效果評價較困難。

1.2 4000～6000型大功率鉆機

調研礦井使用的4000～6000型大功率鉆機型號有：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對典型礦井使用4000～6000型大功率鉆機統(tǒng)計結果如圖6所示。綠塘、恒泰、新田、林華、月亮田、火燒鋪煤礦均使用ZDY-4000LR鉆機，大雁、金佳河、恒泰、那羅寨、大灣煤礦均使用ZDY-4200LS鉆機?？梢娭饕褂肸DY-4000LR與ZDY-4200LS兩種鉆機，其參數(shù)見表2。

圖6 調研礦井4000～6000型大功率鉆機配置情況 Fig.6 Investigate the configuration of mine 4000～6000 high power drilling rig

表2 典型大功率鉆機參數(shù)Tab.2 Typical high power rig parameters

ZDY-4000LR型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，屬于履帶自行式、低轉速、大轉矩類型，主要用于施工順層、穿層，以實現(xiàn)大面積預抽煤層瓦斯；ZDY-4200LS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機為無級調速鉆機，主要用于施工地質鉆孔開展地質勘探。其中，那羅寨煤礦應用ZDY-4000LR大功率鉆機在121102運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，2019年1月18日至2019年4月10日，共施工67個鉆孔，鉆孔孔深72～130 m，累計抽采99 d，抽采瓦斯?jié)舛扰c純量變化關系如圖7所示，支管抽采瓦斯?jié)舛葹?2%～49%，抽采瓦斯平均濃度為39.56%；支管抽采瓦斯純量為2.97～8.01 m3/min，抽采瓦斯平均純量為5.34 m3/min；大灣煤礦應用ZDY-4000LS大功率鉆機在Z10901回風巷施工穿層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，共施工395個鉆孔，鉆孔孔深59～92 m，累計進尺4 399 m，鉆孔單孔抽采瓦斯平均濃度為38.77%。

圖7 抽采瓦斯?jié)舛扰c純量變化Fig.7 Change of gas concentration and scalar

ZDY-4000LR鉆機可隨意調整鉆孔傾角和方位角，全方位施鉆，煤礦井下采用復合片鉆頭在穩(wěn)定中硬巖煤層中施工深度350 m以內、終孔直徑小于200 mm的近水平地質勘探孔、抽放瓦斯孔、注水鉆孔等。鉆機在使用過程中仍存在一些問題：目前只有井下各大巷、采煤工作面及巷道斷面較大的巷道適合使用，ZDY-4000LR型鉆機受巷道斷面限制性較大；ZDY-4200LS鉆機適用于巖石堅固性系數(shù)f≤ 10的各種煤層、巖層，鉆孔施工孔徑大，施工深度大，鉆孔成型好。鉆機在使用過程中仍存在一些問題：①鉆機運輸困難，對運輸巷道高度不得小于2.3 m，對行走巷道寬×高不得小于1.5 m×2.1 m；②人員操作技能要求比較高，鉆機配件高，鉆桿價格高；③使用過程中，鉆機夾持器加緊鉆桿困難，夾持器密封桶容易損壞。

1.3 3500以下型號大功率鉆機

3500以下型號鉆機抽采瓦斯效果并不理想，只有部分調研礦井在用。調研礦井使用的3500以下型號鉆機有：ZDY-3200S、ZDY-3200/37、ZDY-3200、ZDY-3500、ZDY-3500L(Q)。3500型以下型號鉆機使用效果一般，單孔瓦斯抽采濃度1.3%～46.0%，支管抽采瓦斯?jié)舛?.74%～35.42%；支管抽采瓦斯瓦斯純量0.092～4.340 m3/min；鉆機機身尺寸小，能在小斷面巷道中施工，購置成本低，操作簡單，維修簡單。鉆機在使用過程中仍存在一些問題：①鉆機施工鉆孔長度較短，施工長度60～100 m；②鉆機調整方位角、傾角工序繁瑣，施工方位角、傾角范圍有限；③鉆機機身穩(wěn)定性較差；④鉆機機動靈活性差，不便于拆卸、運輸。

1.4 定向鉆機與大功率鉆機效果討論

選取調研礦井配備的典型定向鉆機ZDY-6000LD(F)與大功率鉆機ZDY-4000LR進行效果討論。青龍煤礦應用ZDY-6000LD(F)定向鉆機在21601運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯，那羅寨煤礦應用ZDY-4000LR大功率鉆機在121102運輸巷施工順層鉆孔預抽煤巷掘進條帶瓦斯。在抽采112 d內，ZDY-6000LD(F)定向鉆機順層鉆孔支管抽采瓦斯?jié)舛冗_61.0%～72.2%，鉆孔孔深120～306 m；在抽采85 d內，ZDY-4000LR鉆機運輸巷支管抽采瓦斯?jié)舛葹?2%～49%，鉆孔孔深72～130 m；從支管抽采瓦斯?jié)舛扰c鉆孔孔深可看出，ZDY-6000LD(F)定向鉆機使用效果優(yōu)于ZDY-4000LR大功率鉆機。順層鉆孔支管抽采瓦斯?jié)舛茸兓€如圖8所示。

圖8 ZDY-6000LD(F)與ZDY-4000LR鉆機抽采濃度對比 Fig.8 Comparison of extraction concentration between ZDY-6000LD(F) and ZDY-4000LR drilling rig

在第85天時，二者支管抽采瓦斯?jié)舛瘸仕p階段，ZDY-4000LR支管抽采瓦斯衰減速度明顯高于ZDY-6000LD(F)定向鉆機，反映出ZDY-6000LD(F)定向鉆機使用效果優(yōu)于ZDY-4000LR大功率鉆機。而ZDY-4000LR鉆機支管抽采瓦斯?jié)舛惹€波動較大，是否存在氣密性不好而導致曲線出現(xiàn)兩次下降波動的可能性，并且從調研礦井反饋數(shù)據(jù)，沒有定向鉆機與大功率鉆機在同一煤層進行鉆孔抽采瓦斯的工程實例。因此，無法從效果上準確定量地分析。但是從上述論述的支管抽采瓦斯?jié)舛?、鉆孔孔深、支管抽采瓦斯?jié)舛人p速度指標可以側面反映出ZDY-6000LD(F)定向鉆機使用效果優(yōu)于ZDY-4000LR大功率鉆機。

2 貴州省礦井瓦斯抽采附屬裝備現(xiàn)狀

2.1 瓦斯抽采計量裝置

調研礦井根據(jù)自身瓦斯抽采系統(tǒng)布置、采掘工作面布局情況等，均按有關規(guī)程規(guī)范的要求在抽采主(支)管安裝有數(shù)量不等、不同型號的瓦斯抽采計量裝置。瓦斯抽采計量代表裝置有：CGWZ-100(C)與KWG100(C)型管道激光測定儀、GD3(B)型多參數(shù)流量傳感器、CGWZ-100(C)型瓦斯抽采多參數(shù)傳感器、KG90瓦斯抽采管道氣體參數(shù)測定儀、WGCB型管道氣體參數(shù)測定儀、KGW-4型傳感器、DJ3型測定儀、GJT100G甲烷傳感器、GPD100F負壓傳感器、GWD100G溫度傳感器、GLW900/11450(91606)流量傳感器。調研礦井瓦斯抽采計量裝置配置情況如圖9所示。

圖9 調研礦井瓦斯抽計量裝置配置情況 Fig.9 Investigate the configuration of mine gas drainage metering devices

調研礦井瓦斯抽采計量裝置能準確、可靠地反映出測量結果。瓦斯抽采計量裝置均能實時顯示抽采管路瓦斯?jié)舛?、溫度、流量、壓力等參?shù)；測量數(shù)據(jù)基本準確，在誤差允許范圍內；質量可靠，故障率低，能長期穩(wěn)定運行，安裝方便，讀數(shù)簡單。但瓦斯抽采計量裝置使用過程中也存在以下不足：①激光類儀器檢定單位較少，長期運行儀器測量誤差大，測量精度無法保證，目前僅大灣煤礦送檢到遵義市質量檢驗檢測院開展定期檢定；②防水效果差；③測量管路容易堵塞。

2.2 隨鉆測量系統(tǒng)

由于隨鉆測量系統(tǒng)需跟定向鉆機配套使用，目前僅青龍煤礦、新田煤礦、恒泰煤礦正在使用隨鉆測量系統(tǒng)，其他礦井未使用隨鉆測量系統(tǒng)。青龍煤礦使用YHD2-1000T(A)型隨鉆測量系統(tǒng)與ZDY-6000LD(F)、ZDY-4000LD(C)型全液壓定向鉆機配套使用；新田煤礦使用YHD2-1000(A)型隨鉆測量系統(tǒng)與ZDY-6000LD(B)型全液壓定向鉆機配套使用。恒泰煤礦使用ZSZ1500-T型隨鉆測量系統(tǒng)與ZYWL-6000DS型定向鉆機配套使用。

調研礦井隨鉆測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)準確，測量深度超過600 m；可實時測量鉆孔傾角、方位、工具面等參數(shù)，并在孔口顯示屏呈現(xiàn)，便于施工人員隨時了解鉆孔施工情況及時調整鉆孔參數(shù)，使鉆孔盡可能按照設計軌跡延伸。同時，隨鉆測量系統(tǒng)使用過程中也存在如下不足：①對操作人員技能要求高，操作復雜；②電纜信號傳輸不穩(wěn)定時，對其影響大。

2.3 鉆孔軌跡測量儀

目前僅新田煤礦正在使用YZG12型鉆孔軌跡測量儀，月亮田煤礦曾在2017年試用YZG4.8型鉆孔軌跡測量儀，其他礦井未使用鉆孔軌跡測量儀。鉆孔軌跡測量儀使用效果如下：能直觀看到鉆孔軌跡水平、垂直偏差，也能有效反映鉆孔孔深、傾角、方位角、地質信息等參數(shù)，同時能將測量數(shù)據(jù)導入評價系統(tǒng)，觀看孔群的二維視圖和三維視圖。但其購置成本高，易受地磁場影響，隨著孔深增加而測量誤差增加，需二次測量已施工鉆孔軌跡。

3 煤礦抽采技術與裝備發(fā)展展望

根據(jù)定向鉆機與大功率鉆機配備情況，從以下方面進行抽采技術與裝備展望概述。

(1)引進世界先進的定向鉆機及對現(xiàn)有國內大功率鉆機進行升級改造。通過本次調研和前期大面積問卷調查得知，貴州省境內應用千米鉆機廠家僅局限于中煤科工集團西安研究院和重慶研究院2家企業(yè)，無論從設備應用、技術推廣和現(xiàn)場使用效果，均處于起步和摸索階段，相較世界范圍內應用VLD型千米鉆機的效果來看，還存在一定的差距，尤其是針對貴州低透松軟煤層的長距離鉆進技術和設備性能，今后可適度多元，引進全球最頂尖的VLD-1000A、VLD-1000B、VLAD2000和VLD3000等型號鉆機在貴州突出礦區(qū)進行大面積示范應用，從而更好地解決貴州復雜地質條件下的本煤層及穿層長鉆孔施工和瓦斯抽采問題。其次，在目前國內大功率鉆機應用效果優(yōu)化方面，可進行升級改造的方向如下：①定向鉆機尺寸過大，受到巷道斷面限制，在今后研發(fā)中需將體積設計小型化；②定向鉆機在施工鉆孔時常遇到斷層、陷落柱等特殊地質區(qū)域，易卡鉆或抱鉆，預先為這些典型地質區(qū)域制定防抱鉆技術方案，并給出多種鉆具配備措施；③應與其他多種技術聯(lián)合開展增透試驗研究，確保鉆進過程中無瓦斯事故發(fā)生，抽采效果達到最優(yōu)。

(2)隨鉆測量設備的開發(fā)與煤巖智能判別機制。該方向主要研究內容如下：①在鉆孔過程中常鉆進巖層，鉆桿易發(fā)生損壞，且浪費人力物力，需在鉆進過程中實現(xiàn)智能判斷所處煤層還是巖層，將引導實施鉆孔；②煤礦井下隨鉆設備軌跡測量APP研發(fā)，完成井下鉆孔軌跡的數(shù)據(jù)處理，可進一步指導施工[13]。

(3)定向鉆機聯(lián)合孔代巷技術進行瓦斯抽采研究。該方向主要研究內容如下：采用大功率定向鉆機及配套鉆具，結合“定向先導孔+正向擴孔”成孔工藝，融合以孔代巷技術，突破原有鉆孔終孔孔徑，以期實現(xiàn)濃度高、流量大、長時間的鉆孔瓦斯抽采效果[14-15]。

(4)基于鉆孔大數(shù)據(jù)云技術的理論模型研究。該方向主要研究內容如下：①基于隨鉆設備的鉆孔軌跡等數(shù)據(jù)開展煤巖地質區(qū)域基礎實驗研究；②基于施工鉆孔現(xiàn)場的海量數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)的云計算整合，探索鉆孔軌跡偏離誘發(fā)條件及鉆孔變形失穩(wěn)等機理；③研發(fā)可掃描鉆具，在設備鉆進后利用可掃描鉆具掃描鉆孔內數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)點云進行處理，建立鉆孔真三維數(shù)值模擬模型用于力學分析[16-18]。

4 結論與建議

通過引進與自主創(chuàng)新，貴州煤炭企業(yè)購置并應用大功率鉆機施工定向長鉆孔，實現(xiàn)以孔代巷、大面積預抽煤層瓦斯，目前已成為一種有效的瓦斯抽采技術方法。但受煤層賦存、巷道條件等因素影響，仍存在松軟煤層成孔困難、裝備昂貴、部分配套設備被壟斷等問題，未得到大面積推廣應用。為解決上述問題，以期實現(xiàn)礦區(qū)煤層氣高效抽采、煤與瓦斯災害防治提出如下建議。

(1)各煤礦企業(yè)針對貴州省內煤礦不同地質區(qū)域情況，采取引進與自主研發(fā)相結合方式，找出適合自身礦井瓦斯抽采成套先進裝備，才能為煤礦安全高效生產提供有力的保障。

(2)建議政府及職能部門加大科研院所和煤炭企業(yè)的專項資金支持力度，開展瓦斯抽采技術裝備的基礎研究，為煤礦企業(yè)瓦斯抽采技術、裝備利用提供科技支撐，不斷提高瓦斯災害防治技術和裝備水平，指導礦井瓦斯防治，確保安全生產。

(3)采用“產—學—研—用—服務”相結合的模式，組建集設計、施工、效檢和技術培訓為一體的專業(yè)化瓦斯治理團隊，開展煤礦瓦斯治理全壽命周期的工程化服務。同時，加強對國外和其他主要產煤省份的瓦斯治理先進技術和成套裝備的引進、消化和再創(chuàng)新，逐步形成適合貴州煤礦的瓦斯治理先進技術和瓦斯抽采先進裝備體系。

(4)建議組織省內高校、科研院所對長距離鉆孔排渣、封孔設備及工藝，大面積區(qū)域效檢技術及裝備和瓦斯抽采計量裝置檢定、誤差校核等開展科技攻關，提高貴州省瓦斯治理技術和裝備水平。