坑道钻探，将地面钻探技术应用在坑道内进行的钻探作业。

        经过40年的发展，我国煤矿井下坑道钻探技术与装备发展实现了从跟跑、并跑到领跑的历史性跨越，相关研究成果达到了国际领先水平。我国自主研发的坑道钻探技术与装备已广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、水害防治、地质异常体探查、冲击地压防治、防灭火等方面，有力推动了煤矿井下灾害防治能力的提升和地质保障技术的进步。采用我国自主研发的大功率定向钻进技术与装备先后4次打破煤矿井下顺煤层定向钻孔深度世界纪录，最大定向钻孔深度达到3 353 m；同时，定向钻进技术适应地层范围从中硬煤层逐步拓展至复杂顶板岩层和碎软煤层，复杂顶板岩层大直径高位定向钻孔最大深度达到1 026 m，碎软煤层定向钻孔最大深度达到406 m。此外，煤矿井下远程控制钻机的研制也取得重要突破，填补该领域国内外空白。“煤矿井下1 500 m深孔大功率定向钻进装备”、“顶板高位大直径定向钻孔采动瓦斯抽采技术与高效快速成孔工艺”、“煤矿用深孔钻车”、“ 煤矿井下瓦斯抽采远控自动钻机”等项目成果相继入选原国家安全生产监督管理总局、国家科技部及工信部等组织发布的《煤矿安全生产先进适用技术与装备推广目录》。

        虽然我国煤矿井下坑道钻探技术与装备取得了长足发展，支撑起我国基于坑道钻探的煤矿地质保障技术体系的建立。但是我国各煤矿区煤层赋存地质条件和开采条件不尽相同，造成现有坑道钻探技术与装备适应性不足，此外，受煤矿井下特殊作业环境限制，坑道钻探技术与装备的发展和地面油气勘探开发技术与装备还存在一定差距。还应该看出，坑道钻探基础理论研究较为薄弱，相关坑道钻探标准和规范局限性明显，因此亟需通过不断地理论、技术与装备创新推动完善坑道钻探技术体系。基于此，中煤科工集团首席科学家石智军分析了我国煤矿井下安全高效绿绿色开采对坑道钻探技术与装备发展需求，在此基础上，系统阐述坑道钻探技术与装备的发展历程和研究现状，全面总结了坑道钻探领域代表性成果，并分析了坑道钻探发展过程中存在的技术问题，提出了未来研究的发展方向与建议，成果以《我国煤矿井下坑道钻探技术装备40年发展与展望》为题（点击查看）发表于《煤炭科学技术》2020年第4期。

        煤矿井下坑道钻探作为最直接、有效的手段在煤炭安全高效绿色开采中发挥着关键的作用。石智军研究员从钻探在矿井灾害防治、隐蔽致灾地质因素探查、煤层气资源开发等方面发挥着的具体资源进行了论述。

        科研成果产出的质量、经济效益、社会价值是学科发展的客观记录。据不完全统计，截至2019年，国内已公开出版坑道钻探相关专著7部。近10年我国煤矿井下坑道钻探领域已授权发明专利167项，涉及煤矿井下坑道钻机、钻探工艺、工程应用、测量仪器和坑道钻具，其中坑道钻机授权发明专利占比达53%，主要由中煤科工集团西安研究院、重庆研究院等机构申请。授权发明专利数量的增加表明我国坑道钻探自主创新能力的增强，其中由西安研究院申报的发明专利“履带式全液压坑道钻机”、“ 一种煤层底板注浆加固水平定向钻孔的施工方法”荣获中国发明专利优秀奖。

        研究还分别从期刊论文、学位论文、获奖情况、国家/行业标准等角度分析了我国煤矿井下坑道钻探研究进展。　

坑道钻探专著统计

坑道钻探领域论文被引情况统计

        在坑道钻探技术发展方面，研究详细介绍了回转钻进技术、稳定组合钻具定向钻进、随钻测量定向钻进技术、碎软煤层钻进技术、坑道取心钻进技术发展历程。

        在坑道钻探装备方面，研究介绍了煤矿井下泥浆泵(车)、煤矿井下坑道钻杆、煤矿井下坑道钻头、煤矿井下坑道螺杆钻具、钻孔轨迹测量系统、冲洗液循环净化系统发展历程。

        实验室平台建设为坑道钻探技术与装备研究提供基础条件，经过多年的发展，我国在钻探工艺、钻机、钻头、钻具、仪器与控制实验室建设方面也取得了一定的成绩。研究介绍了钻探工艺实验室、钻机实验平台、钻具实验室、钻孔测量仪器实验室的发展历史及主要功能。

        在新时期内，为提升坑道钻探施工的自动化程度和智能化水平，以降低钻探施工风险、减轻矿工劳动强度，逐步推动国产化钻探装备向高端制造业迈进，石智军研究员提出了以下关于坑道钻探技术与装备的发展建议：

　　（1）坑道钻探基础理论与方法研究　

        煤矿井下坑道钻探是一个复杂系统，其所面临的对象是复杂多变的地质体，因此需要进一步梳理我国各煤矿区煤炭赋存条件和矿井灾害类型，为坑道钻探设备与工艺优选提供依据；加强坑道钻机结构和液压系统动态特性分析和试验研究，为坑道钻机设计及升级改造提供基础支撑；加大多物理场耦合作用下坑道钻探破岩机理与孔壁失稳机理研究，构建煤矿井下坑道钻机-钻具与地层的耦合模型，为坑道钻探施工工艺优化、钻具设计和主动防护体系建立提供重要参考；加快煤系地层识别方法与理论研究，为煤矿井下坑道优快钻进提供保障，进一步提升坑道钻孔施工效率和灾害防治的精准性；深入开展近水平坑道钻探钻孔轨迹控制机理与方法研究，为煤系地层中钻孔轨迹调控和智能决策提供依据。

　　（2）超大直径顶板高位定向成孔技术开发

        顶板高位定向大直径钻进成孔技术与装备的研发推动了“以孔代巷”技术的发展，但还存在着一次成孔直径小、钻进效率低、施工劳动强度大等不足，为满足直径 300 mm以上高位定向钻孔成孔需要，应开展电液控制钻机及大泵量泥浆泵车的研制工作，钻机最大输出转矩大于20 000 N·m，同时应提升钻机自动化控制能力，加强国产化高性能液压元件的研发力度，积极探索推动基于VR虚拟现实技术的坑道钻机设计理念；进行配套定向钻具的研制工作，包括螺杆钻具、高强度定向钻杆和PDC钻头；加快矿用冲击螺杆钻具、扭力冲击器、高压液动冲击器等快速破岩工具研制，满足顶板坚硬岩层快速破岩需要；开展煤矿井下坑道钻探用大流量冲洗液循环系统的研制，解决超大直径钻孔施工冲洗液消耗大和排污量大的难题；开展井下坑道钻探工厂化作业模式研究，提高超大直径顶板高位定向钻孔施工流程化程度。

　　（3）煤矿井下旋转导向钻进系统的研制

        旋转导向钻进技术被视为定向钻井技术的一场革命，主要由一套信息闭环控制系统和导向装置组成，能够在钻杆柱旋转钻进时连续和实时调控井眼轨迹，显著提高井眼轨迹控制质量、降低钻井周期，在油气勘探开发中应用广泛，但在煤矿井下坑道钻探领域处于起步阶段。根据现阶段国内外旋转导向技术发展现状及我国煤矿井下坑道钻探施工特点，首先研发防爆型小直径推靠式旋转导向系统，包括开发小直径导向控制、孔内工程参数测量系统、高精度信号快速传输技术、可靠的孔内大功率防爆供电技术，然后发展指向式旋转导向系统。可以预见，煤矿井下坑道旋转导向钻进系统将在顺煤层超长定向钻孔、顶板超大直径瓦斯抽采钻孔、底板坚硬岩层防治水钻孔、大直径防冲卸压钻孔、煤矿井下工程钻孔等施工中彰显其巨大优势。但同时也应该看出，煤矿井下坑道旋转导向系统的研发与应用不可能一蹴而就，只有通过不断创新和工程实践，才能形成丰富、完善的坑道钻探旋转导向钻进技术体系，这依赖于理论研究的深入和关键核心技术的突破。

　　（4）高精度随钻测量系统的研制

        目前，现有的随钻测量系统主要为实现钻孔姿态参数测量，其几何测量精度已基本能满足坑道钻探需要。但随着坑道钻探精细化、智能化程度的提升，需要随钻测量系统提供更多的测量参数，包括钻头位置的转矩、钻压、转速、振动、温度、伽马、电阻率等参数，因此，需要研究工程参数测量技术，并能将测量参数快速上传至孔口，为钻进工艺参数优化和钻进策略调整提供参考；需要研究自然伽马和方位伽马测量技术，建立地层识别判据，进行煤层界面预测和岩性快速识别，为钻孔轨迹沿目标地层有效延伸或精确进入目标靶区提供指导，从而实现精确地质导向钻进；研究近钻头数据传输技术，包括过线螺杆马达技术和无线电磁波短传技术，进一步提升钻孔轨迹控制质量，减少不必要的探顶开分支施工。

　　（5）钻孔机器人的研制

        煤矿灾害类型多、风险大，对坑道钻探施工作业人员存在潜在的威胁，尤其在矿井水害探查、高瓦斯防突、冲击地压卸压钻孔施工过程中，因此，开展钻孔机器人研制、推进煤矿井下坑道钻探技术与装备向智能化方向转型升级，最终实现坑道钻探无人化施工已是大势所趋。2019年，国家煤矿安全监察局发布《煤矿机器人重点研发目录》，对探水钻孔、防突钻孔和防冲钻孔机器人提出具体要求。在钻孔机器人功能方面，需要研究钻孔机器人远程交互操作、自动调整钻姿、智能钻孔规划、钻孔自主巡航定位、钻进工况智能感知、自适应钻进等关键技术；在钻孔机器人可靠性方面，需要研究可靠的钻孔机器人机械结构、控制系统等关键技术，以适应复杂的坑道钻探施工环境和钻进工况；在钻孔机器人通信方面，主要包括孔内通信和井上下通信，需要研制智能钻杆、智能钻头等孔内钻具，实现钻进参数实时测量与反馈，结合5G通信技术进行井上下通信，进一步提高信息传输的稳定性和抗干扰能力。积极推动坑道钻探装备研发和制造的智能化，推进传统制造业智能化升级改造。

这项研究得到了国家科技重大专项的资金支持。

 来源：煤炭科学技术