煤矿井下定向钻进系统由钻机、泥浆泵、孔底马达、随钻测量装置、中心通缆钻杆、送水器、通信电缆、孔口计算机等组成。泥浆泵或空压机提供的高压水或压风通过中心通缆钻杆进入孔底马达内驱动马达旋转，从而带动钻头旋转切削煤岩层。钻进过程中整个钻杆柱不旋转，仅孔底马达带动钻头回转碎岩钻进，而钻孔轨迹控制主要通过改变孔底马达弯角的方向（即工具面向角）来实现。随钻测量装置将钻孔的倾角、方位角和工具面向角实时传输到孔口计算机内，形成钻孔实钻轨迹并显示。根据设计钻孔的轨迹与实钻轨迹偏斜状况，调整孔底造斜工具面向角以达到调整钻孔轨迹的目的，保证钻孔轨迹沿设计轨迹延伸。

图 1  煤矿井下定向钻进系统组成

在定向钻机结构形式上设计了分体式、整体式两种类型，在钻进能力方面实现由300m → 600m → 800m → 1000m → 1200m →1500m→2000m→3000m逐步提升的机型系列化，常用的定向钻机型号有ZDY4000LD(C)、ZDY6000LD(B)、ZDY12000LD、ZDY25000LD等。

1.技术简介：区别于传统的以高压水作为动力介质，该技术采用压风作为动力介质驱动空气螺杆马达工作实现定向钻进，并配有空气流量与压力监控系统、孔口除尘器等装置。有效解决了松软煤层钻进时易发生喷孔、卡钻、埋钻现象，具有钻孔施工周期短、成本低、瓦斯抽采效果好等显著优势。

2.应用目的：解决松软煤层顺层定向钻孔成孔难题，在工作面贯通之前对煤层瓦斯进行超前区域递进式抽采治理，掩护巷道掘进和工作面回采，提高瓦斯抽采效果。

3.适用条件：构造相对简单的松软煤层，一般认为煤的坚固性系数f≥0.3。

4.应用实例：贵州安晟能源青龙煤矿煤层薄、松软破碎、透气性差、瓦斯含量大，压力高。16#煤层平均厚度为2.88m，瓦斯含量为12.16~18.28m3/t，煤层硬度系数f=0.37，瓦斯压力 P=0.52MPa，最大0.90MPa。试验情况：2018年3月至5月，在青龙煤矿21606轨顺北段钻场现场完成碎软煤层定向钻孔5个、主分支孔2个，最大孔深385m，总进尺3014m。6月至8月在21608轨顺钻场完成碎软煤层定向钻孔7个、主分支孔2个，最大孔深406m（创造了西南地区松软煤层本煤层钻孔最大孔深记录），总进尺3929m，300m以上钻孔成孔率88.9%。钻孔全程下入PVC瓦斯抽采筛管，平均单孔瓦斯抽采纯量1.2m3/min，平均单孔抽采浓度70%，目前已抽采6个月无衰减。

图 4  青龙矿21606轨顺北段钻场实钻轨迹平面图

     图5  青龙矿21608轨顺钻场实钻轨迹平面图

图6  青龙矿1#试验钻孔实钻轨迹剖面图

图7  青龙矿1#试验钻孔瓦斯抽采曲线

2019年1月开始，青龙煤矿21606工作面采用ZDY4000LD(C)定向钻机配套空气螺杆钻具定向钻进技术施工顺层瓦斯抽采钻孔，已施工240余钻孔，单孔孔深150m，孔径108mm，开孔、终孔间距6m。已施工进尺3.6万m，单班进尺60~70m，平均2~3小班/孔。

2020年6月开始，青龙煤矿21601工作面采用ZDY4000LD(C)定向钻机配套空气螺杆钻具定向钻进技术施工顺层瓦斯抽采钻孔，已施工146个钻孔，单孔孔深156m，孔径108mm，开孔、终孔间距3m。已施工进尺2.3万m，单班进尺60~70m，平均2~3小班/孔。

截至2022年11月，青龙矿采用空气螺杆定向钻进技术施工顺层钻孔合计超过35万m。

图8 青龙煤矿21606工作面定向钻孔成果图

1.技术简介：对于煤层碎软、成孔性差、抽采距离短、抽采区域小的区域，采用“梳状定向长孔钻进技术”在碎软煤层稳定的顶板或底板岩层中施工长距离主孔，再从主孔开梳状分支孔进入目标煤层中，实现对碎软煤层瓦斯远距离与区域抽采。

图9  顶板梳状定向钻孔示意图

2.应用目的：主要用于邻近煤层瓦斯预抽、掩护煤层巷道掘进与巷道超前勘探领域。实现煤巷条带、回采区段和石门揭煤等区域的煤层瓦斯预抽，采空区、邻近煤层瓦斯抽采等。

3.适用条件：煤质松软（一般认为煤的坚固性系数f值介于0.3~0.5之间）、煤层破碎成孔性差的高瓦斯突出煤层。煤层底板岩层成孔性好（f＜6）、主孔分布层位含泥岩、泥质页岩等遇水膨胀性岩层厚度小于0.5m。

4.部分应用实例：2017年5月在青龙矿21605底抽巷3#钻场进行底板梳状定向长钻孔施工，完成钻孔4个，平均主孔深550m，最大主孔深度660m（创造了贵州地区底板梳状定向钻孔最深记录），分支孔6个，每个分支孔平均进入煤层段30~50m，单孔总进尺1700m。对钻孔采用高负压抽采，单孔平均抽采纯量1m³/min，平均浓度60%，抽采6个月无衰减。截至2022年11月，青龙矿施工底板梳状钻孔合计15万m。

图10  青龙矿底板梳状钻孔剖面轨迹图

1.技术简介：对于煤层较硬、成孔性较好的区域，采用“顺层大直径定向长孔钻进技术”在本煤层中施工长距离钻孔，实现煤层瓦斯区域预抽。相对于常规钻孔，该技术抽采工作面煤层瓦斯，具有施工钻孔深度大、轨迹可控等非常显著的优势。

2.应用目的：实现煤巷条带、回采区段和石门揭煤等区域的煤层瓦斯预抽等。

3.适用条件：煤层应具有一定的厚度且相对稳定，煤体结构较为完整（煤的坚固性系数f值≥0.8）。

4.部分应用实例：

安晟能源龙凤煤矿：基建矿井，主采9#煤层瓦斯含量、压力较高（10.668m³/t、2.3681Mpa）。2019年2月开始在1903首采工作面运输顺槽、回风顺槽施工本煤层定向钻孔，进行300m条带瓦斯治理。截至2022年8月，累计进尺12919m，主孔深度在300m左右（最大主孔孔深363m、顺煤层钻进深度318m），并采用钻孔下筛管工艺进行护孔、筛管下深360m。单孔瓦斯抽采纯量最高达3.04m3/min，平均瓦斯抽采浓度68.36%、最高99.90%；合茬抽采91天，单个循环累计瓦斯抽采量达42.37万m3，煤层瓦斯含量平均降幅5.67m3/t。

图11  龙凤煤矿回风斜井定向钻场9#煤实钻轨迹平面图

贵州豫能公司新田煤矿：9#煤层坚固性系数为0.42，瓦斯含量8.58～29.62m3/t，2019年1月，开始在1901运顺迎头施工本煤层定向钻孔，进行300m条带瓦斯治理。截至2022年11月，该矿已累计进尺5万m，钻遇煤层率70%以上，平均孔深在300m以上，最大孔深513m。2019年1月15日开始采用高负压抽采，截至2022年11月，单孔抽采纯量最高为3.18 m³/min，平均1.27 m³/min以上，平均浓度在60%以上。

图12  新田煤矿9#本煤层定向钻孔轨迹平面图

六枝工矿恒达公司：2020年采用西安研究院研制的ZDY4000LD（C）钻机在六枝化乐煤矿已施工顺层钻孔7个，平均孔深300m以上，最深为350m。

贵州金泰煤矿：2020年采用西安研究院研制的ZDY6000LD（F）钻机在该矿创造了西南地区本煤层定向钻孔最深记录—552m。

神华集团神东保德煤矿：2019年8月19日至9月14日，采用“主动探顶+侧钻开分支”的钻进技术方案和复合定向钻进工艺技术，利用自行研制生产的ZDY15000LD大功率定向钻进装备，钻进用时21天，在保德煤矿完成主孔深度3353m顺煤层超长定向钻孔，钻孔总进尺4428m，探顶开分支13次，孔径Ф120mm，平均日进尺210m，复合钻进孔段占总进尺比例91.5%。该钻孔于9月14日贯穿二盘区工作面，并与相临三下盘区二号回风大巷成功贯通，贯通点位于巷道底板上1.5m处。用时20天在该矿成功实现主孔深度3353m的顺煤层定向超长钻孔，创造了煤矿井下同类钻孔深度新的世界纪录。

1.技术简介：工作面回采前，在煤层顶板上方裂隙带中施工长定向孔。随着煤层的开采，瓦斯上浮进入裂隙带、弯曲下沉带，通过顶板高位钻孔负压抽采采空区上方裂隙带中的瓦斯。

2.应用目的：解决工作面回采期间上隅角瓦斯超限及邻近层瓦斯涌出超限问题，实现瓦斯区域治理，相对于高抽巷节省了大量巷道施工、经济、时间成本，实现煤矿安全高效生产。

3.适用条件：钻孔需穿过岩层范围内顶板岩层成孔性好（f<8）、主孔分布层位含泥岩、泥质页岩等遇水膨胀性岩层厚度小于0.5m。适用于高产高效、地质条件简单~中等，煤层群开采，邻近层和采空区瓦斯涌出量大的工作面。

图13  高位定向长钻孔示意图

4.部分应用实例：

（1）盘江精煤火烧铺煤矿：2014年在火铺矿232石门处，共完成6个定向钻孔，总进尺2229m，其中最大孔深426m，平均孔深371m，终孔直径96mm。6个梳状孔累计抽采瓦斯混量273万m3，瓦斯纯量65万m3。其中1#孔瓦斯浓度60%为单孔瓦斯浓度最高值，最大日抽采量17684m3/d。工作面回采期间，未出现瓦斯超限。

图14  火烧铺矿23125工作面顶板高位定向钻孔施钻轨迹图

（2）安晟能源青龙煤矿：2016年在21602工作面1#钻场，共施工4个定向钻孔，总进尺2230m，最大孔深601m，平均孔深557m，终孔直径153mm。抽采期间，单孔最高浓度60%，平均20%，瓦斯抽采纯量稳定在5m³/min左右维持稳定。之后在11615工作面、11813工作面、21606工作面施工。截至2022年11月，青龙矿施工顶板大直径高位定向长钻孔合计3万m。工作面回采期间，未出现瓦斯超限。

2021年8月，该矿使用已采购的西南地区扭矩最大的ZDY15000LD定向钻机在21606轨顺北段施工顶板高位定向钻孔深度720m（创造了贵州地区顶板高位定向钻孔最深记录），孔径153mm。

（3）贵州众一金彩黔公司：2017年开始在贵州众一金彩黔公司的兴隆煤矿施工顶板定向高位钻孔，最大主孔深度468m，最小主孔深度402m，终孔孔径133mm。工作面回采期间，每组6个钻孔平均瓦斯抽采纯量40m³/min左右，回采期间工作面未出现瓦斯超限现象。

（4）四川川煤集团芙蓉公司：结合精确层位判别与控制技术，2018年四川地区首次应用煤矿井下定向钻进技术，施工完成多个顶板高位定向钻孔，均顺利在设计靶区与目标巷道贯穿。截至目前，新维煤矿施工完成的最大孔深为720m，杉木树煤矿施工完成的最大孔深为840m（创造了西南地区定向钻孔最深记录）。

（5）云南东源煤业长岭煤矿：2019年8月，云南省首次引进西安研究院ZDY6000LD(B)定向钻进技术与装备，仅用7天就成功完成了首个近水平定向长钻孔施工，孔径120mm，终孔孔深441m。钻孔瓦斯抽采浓度达到59%，瓦斯抽采纯量4.724m³/min，单孔瓦斯抽采量达6500 m³/d以上，抽采效果显著。