千米钻机在晋煤集团应用前景展望

千米钻机在晋煤集团应用前景展望 技术中心   姜铁明  苗** 摘要：本文分析了千米钻机在国内应用失败的原因，预测了千米钻机在晋煤集团试验的必要性和可行性；

分析了其在瓦斯开发与防治方面的应用前景，提出了施工工艺的设想，并预测了打钻成本，建议了管理模式。

关键词：千米钻机  瓦斯抽放  工艺  应用  分析 1．概述 为了降低瓦斯对采掘工作面的干扰，减少瓦斯排放对大气温室效应的作用以及变废为宝合理开发与利用瓦斯，世界各主要产煤国家都在致力于瓦斯抽放技术的研究开发。从目前的研究成果看，影响钻孔抽放煤层瓦斯效果的主要因素除了煤层自身含瓦斯条件外（即煤层瓦斯含量），还取决于煤层的透气性及钻孔抽放工艺参数（布孔密度、布孔方式、钻孔深度、钻孔直径、抽放负压等）。在这两个问题中，提高煤层透气性是一个世界性难题，虽经多年研究也未能取得显著效果；

而钻孔抽放工艺经过十几年的研究开发，成果突出，尤其在钻机具的研制和施工工艺上可以说是成绩辉煌。在国内，西安煤科院研制的MK—6型钻机在**老虎台矿施工穿层钻孔达722米；

2001年晋煤集团利用该型钻机在寺河矿10201S工作面试验煤层长钻孔，取得全煤层509米的好成绩，在国内处于领先水平。在国外，尤其是在美国和澳大利亚千米钻机在瓦斯开发方面的应用已很广泛，在煤层中最长的钻进纪录已达1500米，这为我们进行瓦斯防治与开发提供了强有力的技术与装备保障。

千米钻机在瓦斯防治与开发领域的应用是多方面的，如进行区域性本煤层瓦斯预抽放、掘进预抽、抽放采空区瓦斯、非开采层瓦斯预抽等，千米钻机在这些方面的应用，不但能大大减少瓦斯防治与开发的投资成本，还能提高抽放浓度，为瓦斯的利用提供质量保障。

千米钻机在瓦斯防治与开发方面的效益显然是巨大的，然而千米钻机在国内的应用却不尽人意。我国数家煤炭企业通过多种渠道引进了十余台千米钻机分别在铁法、**、松藻、**、**等局进行千米钻进试验，其结果都都没有达到预期目的，最长的钻孔仅 300余米，还不及国内的中型钻机的水平。究其失败的原因，千米钻机的实际钻进能力不仅取决于钻机具设备本身和钻进工艺技术，而且主要取决于煤层地质条件，这些因素会导致钻进深度的极大变化，尤其是煤的硬度、煤层的整体性更决定着千米钻进的成败。国内几家千米钻进试验失败，就是败在煤的硬度、煤层的整体性上的；

如**、**局其煤的普氏硬度系数才0.1左右，而且钻进中塌孔抱钻、回水通路堵塞等现象严重，极大制约了钻进。

晋煤集团目前筹建的寺河矿井属高瓦斯矿井，瓦斯储量丰富，随着12万千瓦煤层气发电厂的上马和寺河矿的正式投产，瓦斯的防治与开发已迫在眉睫，因此有必要进行千米钻机的引进试验，但国内同行千米钻进试验的失败给我们晋煤集团引进试验千米钻机带来了极大的负面效应。但是具体情况还要具体分析，寺河矿3#煤层煤的普氏硬度系数达到2以上，是近水平煤层，煤层整体性好，机械强度高；

而且我们在2001年利用国产MK—6型旋转钻机成功地完成509米的煤层长钻孔，施工中未出现塌孔抱钻现象，这说明寺河矿的地质条件是适合钻探的。千米钻机采用两种钻进方式，即旋转钻进和孔底马达钻进，孔底马达钻进时钻杆不动，只有钻头旋转，这样能很好地保持钻孔的完整性，减少了塌孔的客观因素，与旋转钻进相比要优越的多。结合寺河矿的地质条件和我们的钻探施工经验，千米钻机在寺河矿试验成功的可能性是很大的，有必要进行试验。

2．千米钻机在瓦斯开发与防治方面的应用 千米钻机有着许多独特之处，正因为如此，其在高瓦斯矿井瓦斯开发与防治方面的应用是很广泛的，如在集团公司寺河矿试验成功，必然会给我们带来极大的经济效益。寺河矿是高瓦斯矿井，有着丰富的瓦斯资源。目前，国家已批准了12万kw煤层气发电厂项目，按照其一期工程的建设，至2004年底所需煤层气量为277Nm3/min，而现在寺河矿的瓦斯抽放量仅有60 Nm3/min，还差217 Nm3/min，这必需依靠瓦斯预抽来解决，瓦斯预抽又必须施工大量的巷道工程和钻孔工程，在没有进行煤层预抽的情况下施工巷道是难以进行的，没有巷道就没有施工钻孔的场地，抽放也就难以实现。在时间紧、工程量大的情况下，依靠千米钻机可以解决这个矛盾。另外，随着生产的进行，高瓦斯矿井瓦斯治理问题必将突出，利用千米钻机可以施工长钻孔进行掘前预抽或替代高抽巷抽放综采工作面上隅角瓦斯，以解决生产中的安全问题。

2.1千米钻机在巷道掘进中的应用 高瓦斯矿井无论是进行瓦斯开发还是进行煤炭生产，都必须有一定数量的巷道接近煤层，但因为瓦斯涌出量大，要进行这些巷道的掘进是非常困难有时甚至是很难进行的，这就需要在掘前采取措施。一般来讲，目前采取的办法有先抽后掘、边掘边抽和密钻孔掘后预抽煤壁瓦斯等方法，但由于多方面的原因，应用中都受到极大制约。针对寺河矿煤层赋存特点及开采设计，采用以下方法进行掘进较有利于治理瓦斯。

如图1所示，使用千米钻机施工三个千米钻孔，间距为25~30m，先行预抽掘进区域的煤层瓦斯，待煤层瓦斯降低到可以安全掘进的程度时，即可在两钻孔间掘进巷道，这时中间长钻孔报废(因两巷间施工横川)，两边钻孔仍可继续使用，抽放煤体瓦斯，阻断煤体瓦斯向巷道补给，有效地抑制巷道煤壁的瓦斯涌出。

煤层 25~30m 25~30m 图1：双巷掘进千米钻孔预抽瓦斯示意图 千米钻孔         这种先抽后掘方式避免了边掘边抽时抽掘相互干扰的矛盾，而且由于预抽有效地降低了瓦斯涌出量，相应地降低供风量和提高了掘进速度。为了加强抽放效果，还可以利用千米钻机能施工拐弯钻孔的特点，将钻孔施工成树枝状，如图2所示，即在主钻孔上隔一定距离施工一定长度的旁枝钻孔，可根据施工情况拐向各个方向。这样势必增大卸压范围，提高抽放效果，缩短瓦斯预抽时间。

树枝状钻孔 煤层 图2：树枝状钻孔示意图       2.2千米钻机进行区域瓦斯抽放 区域性瓦斯抽放是寺河矿模块式瓦斯抽放的延伸。为了保证将来的煤炭安全高效回采和眼下瓦斯发电厂的供气要求，势必要进行大规模的瓦斯抽放，按照以往的瓦斯抽放模式，需要施工许多专用于瓦斯抽放的巷道（这些巷道由于瓦斯问题很难施工出来）和向巷道两帮施工许多抽放钻孔。施工的钻孔越短，则施工的瓦斯抽放巷道数量越多，这势必增加初期投资。而且这些瓦斯抽放巷道在将来复用时，有的要进行大量的维修，有的甚至报废。利用千米钻机施工千米钻孔，则能减少瓦斯抽放巷道的数量（和500m钻孔相比至少减少一半），就是说掘一对瓦斯抽放巷道如采用上向孔、下向孔施工，利用500米钻机只能钻进1000米左右的区域，而采用千米钻机则可以形成2000米的瓦斯抽放区域，约8个采煤工作面进行预抽。而且由于我们目前使用的MK—6型钻机是旋转钻进，导向性差，下向孔钻进由于钻杆自重的影响，很容易钻入煤层底板；

而千米钻机是孔底马达钻进，导向性好，可以施工拐弯钻孔，在下向孔钻进时优于MK—6型钻机，从这方面更能显示出千米钻机的优越性。另外千米钻机可以施工前文所述的树枝状钻孔，可以扩大单孔抽放范围，减少钻孔数量，而MK—6型却没有这个性能。

2.3利用千米钻机寻找瓦斯资源 3#煤层巷道 钻孔 9#煤层 图3：从3#煤层抽放9#煤层瓦斯示意图 从寺河矿煤层瓦斯赋存特点来看，凡是有裂隙带、断层或背斜轴部等有地质构造存在的地方，往往是瓦斯资源非常大的地方，例如西风井底的瓦斯就像一个瓦斯库。利用这个特点，我们可以从地质资料和三维地震勘探资料上寻找这样的地点，然后在最接近该处的巷道利用千米钻机施工数个长钻孔，并接入抽放系统进行抽放，这样会大大增加瓦斯抽放量。利用千米钻机能施工拐弯钻孔的特点，不但能进行开采层的瓦斯开发，而且可以进行非开采层的瓦斯开发，如图2所示，我们可以在3号煤层的巷道中施工下向钻孔接触9号煤层，并沿9号煤层钻进一定长度的钻孔，来抽放 9号煤层瓦斯（9号煤层瓦斯含量大于3号煤层），以增加抽放瓦斯量。当然这种方法是要解决下向孔内积水封孔的问题的。

2.4千米钻机在综采工作面瓦斯防治方面的应用 综采工作面上隅角瓦斯对安全生产的制约是巨大的，**局和**局在这方面进行了深入的研究，结论是高抽巷抽放上隅角瓦斯效果明显，但是高抽巷施工速度慢、成本 钻场 钻孔 采 空 区 采 空 区 上隅角 回风巷 钻场 钻孔 图4:上隅角瓦斯抽放钻孔布置示意图             高，应用中受到限制。用钻孔代替高抽巷不失为一种好的想法，但由于传统施工钻孔短（200～300米），不得不在回风巷内多处施工钻场（间隔200米左右）来安置钻机以施工钻孔。利用千米钻孔代替短钻孔能减少钻场数量，即便是一个走向2000米长的工作面，只要在工作面施工一个钻场即可，而且可以在钻场内施工多个钻孔，加大抽放断面，提高抽放效果。

3．千米钻机应用中的工艺技术 在瓦斯开发与防治上千米钻机是有很多独到之处的，但并不是说有了千米钻机前文所述的应用就没什么问题了，而是要进一步的研究千米钻机的适应性，尤其在钻进工艺上寻求适合我们煤层地质条件的钻探工艺。

3.1千米钻孔的封孔工艺 普通钻机的钻进是不需要封孔的，即选好位置，稳好钻机，调整好角度即可钻进。钻进中涌出的瓦斯自然排入通风系统，回水和钻屑流入沉淀池。千米钻进由于涉及的范围广，钻进中的安全环境必须保证，尤其是在有高压瓦斯和有突出倾向的地方，更要采取措施，这一点不同于普通钻进。千米钻孔在钻进前要先施工一长20米直径165mm的开口孔，然后向孔里安装内径100mm的PVC管12米（PVC管孔底端封堵），在孔口安装等经的钢管6米，总长18米，这个长度可根据煤体整体性加长或缩短，接着在孔口钉木塞并接管利用泥浆泵向孔内注入水泥砂浆封孔；

钻进前还要以3.5MPa的水压连续测试其气密性及承压情况。其工艺如图4所示。

注浆管 封孔钢管 泄压管 封孔木塞 钻孔 图5：千米钻孔封孔工艺图 PVC管 孔底木塞       3.2钻进期间的防突措施 在高压瓦斯存在和有突出倾向地点钻进，必须通过卸压与引流来保证钻探环境安全 喷出保护装置 气水分离器 钻杆 钻机 接软管 回水箱 封孔管 巷道 图6：防突装置示意图           即钻车安全，图5所示的就是钻进期间压力与瓦斯控制装置。图中的喷出保护装置最大 承压20MPa，其作用是在高压瓦斯或高压水喷出时自动卸压以保护钻机及人员的安全。另外，其对钻杆的反冲也起到卸压保护作用。气水分离器连接在喷出保护装置外端，其作用是在钻孔涌出大量瓦斯时，自动将瓦斯引入抽放管道，保证环境瓦斯浓度不超限；

而钻进回水及钻屑在自重作用下流入回水箱并沉淀钻屑与溢流回水。

3.3拐弯钻孔施工工艺 钻孔 孔底马达 钻孔 孔底马达 图7：拐弯钻孔工艺示意图 千米钻机的孔底马达是一个安装在孔底弯曲钻杆内部的螺旋形转子，**度橡胶垫密封。孔底马达通过钻杆供给的3.5MPa～7MPa的高压水驱动，并将切割的钻屑冲刷带出钻孔，少量高压水辅助孔底马达钻进。钻孔轨迹是通过钻孔测量仪器测定方位、倾角及弯曲方向的，可以做到连续监测。测出钻孔轨迹后如何操作才能使钻孔轨迹调整到设计轨迹或者进行拐弯钻进呢？，千米钻机采用的是如图6所示的弯曲钻杆来进行的，即通过改变孔底弯曲钻杆的弯曲方向，配合合理的推进力，就可实现拐弯钻进。弯曲钻杆的弯曲方位是由安装在其内部的检测仪器监测的，根据监测结果，利用钻机旋转整个钻杆使弯曲钻杆调整到需要的位置。一般弯曲钻杆可根据需要选择0.5o、1o、1.5o、2o几种规格。

3.4过软煤区的钻进工艺 无论是掘前预抽还是区域性预抽煤体瓦斯，只要是利用千米钻机在煤层中施工长钻孔，肯定会遇到软煤区或者是煤体裂隙发育区，这些区域往往煤层透气性好、瓦斯涌出量大、瓦斯容易抽放；

但对钻探来讲却是一个致命的客观条件。由于在软煤区和裂隙发育区钻进时，遇到的首要问题是钻进回水全部渗入软煤区或裂隙区，钻孔不返水不排渣，这时就非常容易导致抱钻事故；

在煤体裂隙发育区由于煤层整体性不好，也容易出现塌孔抱钻，这就致使钻进很难再在煤层中继续进行。

但是我们施工千米钻孔的目的是为了有效地大范围预抽本煤层瓦斯，软煤区和裂隙发育区非常有利于瓦斯抽放，应该说是好事，不应因不便于钻探就放弃，而要采取特别的措施通过软煤区来保证瓦斯的高效抽放。图8所示就是过软煤区的工艺，钻孔在沿煤层钻进时遇到软煤区时，将钻杆拔出至一定位置，利用千米钻机可施工拐弯钻孔的特点   煤层 千米钻孔 软煤区   巷道 图8：过软煤区施工工艺     将钻孔调控钻进到煤层直接顶内，隔一定间距再调控钻进到煤层中，如仍是软煤区，则再退回至直接顶内继续沿直接顶钻进，依此类推，直至钻过软煤区后进入煤层钻进。采用这种工艺不但能使千米钻机安全渡过软煤区，而且由于钻孔多次钻入软煤区，使得钻孔抽放软煤区瓦斯的效果大增，可以说是一举两得的措施。当然这种工艺方法还只是一个设想，能否在寺河矿应用于瓦斯抽放还需要进行深入的研究。

4．成本预计及经营模式建议 由于千米钻机在国内试验没有成功，因此其应用也大受限制，其钻探成本更是无从谈起。从国外的一些资料看，在钻探成本中工资成本较重，其次才是设备。我们参考在寺河矿钻探500米钻孔的一些资料，对千米钻机钻进成本进行预测，见表1。

表1                    千米钻孔施工成本预计表 项目 说明 单价 总价（元）

设备折旧 设备600万，10年折旧 1667元/日 16670 材 料 费 电费 单孔2天搬迁，8天施工 1008元/日 8064 水费 8天施工 328元/日 2624 封孔、钻头钻杆 单孔总价   3000 钻机搬移安装 单孔总价   1000 人工费 15人施工，月薪3000元，加20%的管理费 1800元/日 18000 管理费及人工附加费 占工资的65% 1170元/日 11700 每米成本 施工1000米钻孔   61．058元/米 从预测结果看，千米钻孔每米成本约61元，这个数据是按照平均10天施工一个千米钻孔的（2天搬迁，8天施工），如果提高效率缩短施工期限，则成本还会降低。这个成本比MK—6型钻机施工500米钻孔的成本（约14元/米）高的多，但千米钻机是用于特殊工作的，如要施工500米左右的钻孔则使用国产MK—6型钻机较为经济，如要进行大区域的瓦斯开发还是应用千米钻机解决问题为好。

千米钻机作为一种特殊的钻探设备，其能否达到设备标称能力，除了文中所述的一些条件外，还有一项重要的内容就是施工工艺技术问题，而这些技术的掌握不是一朝一夕的，而是通过严格的技术培训和大量的钻探经验逐步积累的，因此这就要求钻探人员素质高，并精通相关专业知识，而且钻探队伍的管理机制先进，才能管好用好千米钻机。结合寺河矿瓦斯开发和煤炭开采及管理体制的现状，我们认为采用如下两种模式较为有利于千米钻机的管理。

一种是成立独立的打钻公司，主要服务于寺河矿的瓦斯开发与防治的钻孔施工；

打钻公司与寺河矿实行钻探工程合同制管理，打钻公司自主经营；

寺河矿不再有专门队伍从事千米钻机的管理，而将涉及的大区域钻探或特殊钻探委托给打钻公司来完成；

这种模式有利于千米钻机的管理和钻探工艺技术的提高，而且在我们的技术水平提高到一定程度，达到可以对钻机进行维护和维修时，我们可以将目前国内引进的一些千米钻机进行廉价收购，应用于我们公司的瓦斯开发与防治的钻探工程，从长远看这是非常有利的。另外一种是成立打钻合资公司，即由钻机设备厂商或钻探公司提供千米钻机成套设备及人员技术培训，作为合资公司的投资一方，占50%的股份，同时派遣管理人员；

我方选派高素质人员成立打钻队伍，负责钻探的施工及日常管理，并承诺相应钻探工程量及钻探单价，也占50%的股份；

这种模式也具有前一种模式的特点，而且初期投资较少，有利于解决资金困难的问题，但涉及到的我们作为投资的工程量及钻探单价会很高，从长远看这有利于钻机设备厂商或钻探公司而不利于我们。

总之，千米钻机设备昂贵，管理成本和施工成本高，但由于千米钻机在瓦斯开发与防治方面的巨大作用，其在晋煤集团的应用前景是广阔的，相信其必在晋煤集团开花结果。

参考文献：[1]  郝世俊，苗**，李二虎．煤层长钻孔定向钻进工艺技术开发研究

[2]  Daniel Brunner．Feasibility of Coal Mine Methane Recovery for Larg Scale Power Generation at the Sihe Mine 作者简介：姜铁明（1963—），男，辽宁省人，1988年毕业于中国矿大北京研究生部，硕士，通风高级工程师，曾任晋煤集团凤凰山矿、寺河矿总工，现任晋煤集团技术中心处长。

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