Mineralization characteristics and exploration progress of germanium resources in Chinese coal
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摘要:
锗作为一种典型的稀散元素和重要的战略性金属矿产，广泛应用于光电、半导体、化工等领域，对锗资源勘查和开发显得尤为重要。在特定的地质作用下，煤中可以高度富集锗，煤中锗是锗金属的重要来源，我国的煤中锗矿具有典型的资源优势，主要分布在云南和内蒙古，如云南临沧、内蒙古乌兰图嘎和伊敏煤田五牧场矿区。分析了中国煤中锗的资源分布和勘查现状，结合国内外典型煤中锗矿剖析，介绍了国内外大型−超大型煤中锗矿的发现过程，总结了不同类型的煤中锗矿的勘查技术方法和找矿经验。我国典型煤中锗矿中锗富集与热液活动、成岩作用等地质过程密切相关，但不同地区煤中锗的赋存及富集特征显示出差异性。相对于煤层，锗在煤中分布极不稳定，对于富锗煤的勘查，在多年的勘查实践中已经找到一些以钻探为主的技术手段，但是如何更为高效的开展煤中锗的勘查，需要进一步探索。未来有望通过包括地球化学勘查、地质模型构建和资源评价等的技术创新，推动煤中锗的高效勘查与开发利用，为新兴产业的发展提供资源保障。
Abstract:Germanium, as a typical scarce element and important strategic metal, is widely used in fields such as optoelectronics, semiconductors, and chemicals. The exploration and development of germanium resources are therefore of great significance. Under specific geological processes, germanium can be highly enriched in coal, making coal an important source of germanium. In China, germanium-bearing coal resources are notably advantageous and are primarily distributed in regions such as Lincang in Yunnan, and the Wumuchang mining area in the Ulan Tuha and Yimin coalfields of Inner Mongolia. This paper analyzes the resource distribution and exploration status of germanium in Chinese coal, and, in conjunction with the analysis of typical coal germanium deposits both domestically and internationally, introduces the discovery processes of large to super-large coal-based germanium deposits. The paper summarizes exploration techniques and prospecting experiences for different types of coal germanium deposits. Germanium enrichment in typical Chinese coal deposits is closely related to geological processes such as hydrothermal activity and diagenesis. However, the occurrence and enrichment characteristics of germanium in coal show regional variations. Compared to coal seams, the distribution of germanium in coal is highly unstable. For the exploration of germanium-rich coal, drilling-based techniques have been established through years of exploration practice. However, further exploration is needed to improve the efficiency of germanium exploration in coal. In the future, innovations in techniques such as geochemical exploration, geological model construction, and resource evaluation are expected to promote the efficient exploration and development of germanium in coal, providing resource security for emerging industries.
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0. 引 言
煤矿井下钻探工程作为保障煤矿安全高效智能开采的重要技术手段，在矿井瓦斯、水害、冲击地压等重大灾害超前治理和陷落柱、断层等隐蔽致灾地质因素精准探查方面发挥关键作用[1-3]。改革开放以来，我国煤矿井下钻探技术与装备经历了从跟跑、并跑到领跑的历史性跨越，并实现了关键核心技术自主可控，逐步形成了具有区域特色的钻探技术与装备体系[4]。在中硬煤层中钻成了孔深3 353 m瓦斯抽采定向钻孔[5]，刷新煤矿井下定向钻进孔深世界纪录；在碎软煤层中钻成了孔深607 m的瓦斯抽采定向钻孔[6]，在顶板岩层中钻成了孔深1 026 m瓦斯抽采定向钻孔，实现了“以孔代巷”瓦斯抽采[7]；在岩层中钻成了孔深1 254 m的探放水定向钻孔[8]，实现了水害超前远距离探放。钻孔深度的突破代表着煤矿井下钻进工艺技术的进步、设备性能的提升和安全保障能力的增强。
然而，由于我国煤矿井下煤岩层赋存地质条件复杂、可钻性差异性大，碎软煤层、坚硬岩层、水敏性–破碎地层等复杂地层分布广泛，部分矿区断层、陷落柱等构造发育。在钻进过程中容易受到煤岩体力学固有属性、地应力、采动应力、构造等因素影响，造成孔壁失稳、钻进效率低、成孔质量差等问题突出，给煤矿井下钻探工程提质增效带来巨大挑战[9-11]。其次，受煤矿井下井巷空间小、爆炸性气体环境、近水平施工工况等不利条件影响，限制了大型钻探设备和先进测量仪器的应用，冲洗液功能也无法得到充分发挥[12]，而常规的坑道钻探工艺技术体系在复杂煤系地层钻进方面表现出明显不适配性，难以满足煤矿井下高效、精准勘探的需求。因此，迫切需要开展煤矿井下特种钻进工艺技术研究，进一步拓展井下钻探工艺技术在复杂煤系地层中的适应性，提升矿井重大灾害治理能力和水平。
特种钻进工艺技术是煤矿井下钻进工艺技术体系的重要组成部分。近年来，围绕煤矿井下碎软煤层、坚硬岩层、破碎–水敏性地层等特殊地层高效钻进成孔，我国煤矿领域专家学者、技术人员开展了大量的技术攻关和工程实践[13]，取得了一批行业瞩目的技术成果，显著提升了煤矿井下钻进工艺技术的适用地层范围和应用领域。笔者基于我国煤矿井下特种钻进工艺技术的需求场景分析，综述了碎软煤层、坚硬岩层、破碎–水敏地层等特殊地层钻进研究进展，明确了目前特种钻进工艺技术发展存在的关键问题，最后提出了特种钻进工艺未来发展方向和建议。
1. 特种钻进工艺技术需求场景分析
特种钻进工艺技术是煤矿井下钻探工程迅速发展的一个领域，相对于常规钻进工艺技术而言，特种钻进的范畴包括某些新的钻进技术和工艺或因某一专门目的或特定条件而采取的技术方法、措施和工艺流程[14]，需求场景包括碎软煤层瓦斯超前精准抽采、顶板采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采、矿井探放水及隔水层注浆加固等。
1.1 碎软煤层瓦斯超前精准抽采
碎软煤层占我国煤矿年产量的20%以上，广泛分布于两淮、晋中、晋东、云贵、河南、冀中等煤炭基地，具有瓦斯压力大、含量高、机械强度低、透气性差等典型特征。在碎软煤层瓦斯抽采孔施工过程中普遍存在成孔难度大、深度浅、钻进效率低等突出问题[15-16]，碎软煤层瓦斯治理成本高、周期长已成为制约煤与瓦斯突出及高瓦斯矿井安全高效生产的关键。如何实现瓦斯超前区域精准抽采成为碎软煤层开采过程中亟待攻克的关键技术难题。《防治煤与瓦斯突出细则》规定：区域防突措施可以采用定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯，钻孔深度应大于300 m，如图1所示，这对碎软煤层瓦斯抽采钻孔深度和轨迹控制精度提出了严格要求。
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图 1 某矿定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯示意Figure 1. Schematic diagram of directional long borehole pre-extraction coal seam gas in strip coal roadway目前，碎软煤层瓦斯抽采孔钻进主要存在以下技术难题[17-18]：① 传统的以清水为冲洗液的钻进工艺方法对碎软煤层钻孔冲刷扰动大，极易造成孔壁失稳，造成孔内瓦斯积聚、孔壁瓦斯压力梯度增大，导致喷孔、塌孔、卡钻事故频发，钻孔深部一般不超过100 m；② 以气体作为循环排渣介质对孔壁的冲刷扰动小，但存在返渣量大、孔口除尘、钻进安全防控等问题；③ 采用常规回转钻进工艺施工钻孔轨迹不可控、深度浅、煤层钻遇率低，难以保证实钻轨迹顺煤层延伸，易存在抽采盲区，无法实现碎软煤层瓦斯超前区域治理的目标，尤其是作为保护层开采的碎软薄煤层，煤层厚度仅1 m左右，对轨迹控制精度要求高，顺煤层定向钻进成孔难度大；④ 碎软煤层瓦斯抽采孔成孔后，在抽采阶段孔壁易坍塌，堵塞瓦斯抽采通道，而长距离下筛管阻力大，且定向钻孔无法保证筛管完全下入主孔。
1.2 顶板采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采
煤层开采后，煤层及围岩卸压瓦斯沿采动裂隙带向上运移，并存储于顶板覆岩“O”形圈内，在工作面风流的影响下，采动卸压瓦斯容易在工作面上隅角积聚，造成上隅角瓦斯超限。在我国煤层群赋存和大规模、高强度开采条件下，采动卸压瓦斯涌出量不断增大，给工作面安全回采带来严峻挑战[19]。经过多年理论、技术与装备攻关，在我国初步形成了煤矿井下采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采技术体系[20-21]，尤其是顶板大直径高位定向钻孔，因其钻孔轨迹可控、抽采效果好、钻孔深度大而得到广泛应用，有效保障了工作面安全高效回采，技术原理如图2所示，现已成为我国煤矿井下采动卸压瓦斯治理的主要技术手段。
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目前，顶板采动卸压瓦斯抽采孔钻进主要存在以下技术难题[22-24]：① 坚硬岩层钻进效率低、钻具损耗大。常规以PDC钻头回转切削碎岩方式不适应硬岩钻进，地层越硬，钻头黏滑振动越显著，钻进效率越低，对钻进系统和钻具寿命越不利，如灰岩、石英砂岩及侵入顶板的火成岩，部分矿区顶板岩层坚固性系数甚至大于15，采用常规钻进工艺技术效率极低，单班进尺甚至不足1 m，且钻头磨损严重，钻头寿命不超过100 m；② 泥页岩地层钻进易发生缩径卡钻，钻具事故风险高。顶板泥页岩地层多以含蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物为主，与冲洗液流体发生水化反应后，泥页岩力学强度迅速下降，诱发孔壁缩径、坍塌，而目前煤矿井下主要以清水作为冲洗液，且处于近水平钻进状态，难以起到抑制泥页岩地层水化膨胀、支撑孔壁稳定的作用；③ 顶板高位定向钻孔穿构造带和煤岩交界带难度大、风险高。断层带、褶皱核部岩体一般具有结构破碎、节理裂隙发育、渗透率高等特点，煤岩交界带具有层理发育、胶结性差、力学性质差异性大等特点，当冲洗液流体侵入后，孔壁岩体力学强度参数劣化、应力状态发生改变，诱发钻孔整体失稳、坍塌，导致钻孔事故频发；④ 智能化施工水平较低，劳动强度大。为进一步提升采动卸压瓦斯抽采效率，要求顶板高位钻孔成孔直径达到200 mm以上，钻具规格和质量也随之增大，通过人工装卸钻杆费时费力、安全风险高，然而目前钻进装备智能化水平较低、辅助关联设备的可集成性较差。
1.3 矿井探放水及隔水层注浆加固
我国煤矿水文地质条件极其复杂，矿井主要水患类型包括底板奥灰水、顶板离层水和采空区积水等。钻探工程作为井下探放水的重要技术手段发挥着关键作用。定向钻孔在探放水方面具有的轨迹精确可控、中靶率高等突出优势[25]，同时，定向钻孔还作为注浆通道进行底板隔水层加固，实现“一孔多用”，如图3所示。《煤矿防治水细则》明确规定：钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水。然而进入深部开采后，煤层赋存地质条件和开采条件越来越复杂，矿井突水几率显著增大，深部煤岩层定向钻进面临更加严苛的客观条件和技术挑战。
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目前，煤矿井下探放水及隔水层注浆加固孔钻进主要存在以下技术难题：① 硬岩层钻进效率低。在探放水钻进过程中，常常钻遇灰岩、致密砂岩层等坚硬岩层，由于地层研磨性强、可钻性差，导致钻进效率低、开分支困难、钻具损耗大；② 顶水钻进效率低、安全风险高[26]。针对水压大于3 MPa的含水层、断层和陷落柱等含水体探放，高水压的存在使得孔底背压升高，导致动力钻具输出扭矩减小、机械钻速大幅降低；此外，当高压水大量涌出钻孔时，会出现严重顶钻现象，容易造成钻杆外射，甚至引发严重安全事故。
2. 碎软煤层特种钻进工艺研究进展
针对碎软煤层瓦斯抽采孔钻进成孔难题，重点围绕装备能力提升、降低孔壁扰动、提升排渣效率、轨迹精准控制等方面进行了研究攻关，形成了碎软煤层空气回转钻进、气动定向钻进和双动力双管定向钻进工艺技术。
2.1 空气回转钻进技术
空气回转钻进技术是指以空气作为循环排渣介质，利用钻机动力头驱动钻杆回转，从而带动钻头切削煤层的钻进工艺方法，根据地层坚固性系数、地层结构和钻进工艺要求选用外平钻杆、螺旋钻杆、三棱钻杆或三棱螺旋钻杆等，包括纯空气钻进技术、空气雾化钻进技术和空气泡沫钻进技术，主要应用于瓦斯抽采、地质勘探、探放水等常规钻孔施工，适用于坚固性系数0.3<f≤0.8的碎软煤层，钻孔深度一般不超过200 m。
纯空气钻进技术按照风压大小可分为常风压钻进和中风压钻进，其中常风压钻进是以井下系统压风为风源，风压小于0.75 MPa，供风量不稳定，施工钻孔深度一般不超过100 m，且容易发生卡钻事故；中风压钻进技术[27]为以防爆空压机为风源，通过增大供风压力、流量来提高钻孔排渣效率，进而解决碎软煤层钻进过程中由于排渣不畅造成的卡钻难题。采用中风压空气钻进技术，在淮北祁南煤矿坚固性系数0.5～0.8的碎软煤层中施工完成50余个钻孔，平均成孔深度由原来的100 m左右提高到200 m左右。但纯空气钻进存在以下技术弊端：纯空气冷却效果差，局部塌孔卡钻引起钻具与坍塌煤体干磨，容易诱发孔壁煤体阴燃、瓦斯爆炸；孔口粉尘污染严重，须配置具备大流量、高压力处理能力的孔口除尘装置；纯空气钻进技术对含水煤层的适应性差、钻孔事故率高。
为进一步提升降低纯空气钻进孔口粉尘污染，开发了空气雾化钻进技术[28]，集成了空气雾化钻进成套设备，如图4所示。技术原理：以雾化空气作为循环排渣介质，在注气管路上增设专用雾化装置形成直径50 μm左右雾粒，通过雾粒捕集环空间隙中的细颗粒粉尘，最后随高速风流返出孔口。空气雾化钻进技术具有以下技术优势：雾化液滴可有效捕集细颗粒粉尘，抑制钻场粉尘污染；雾化空气可有效冷却孔内钻具，降低空气钻进过程中“烧钻”风险。但在实际工程应用过程中，空气雾化钻进工艺技术也表现出明显的技术局限性：注入雾化液量小，除尘、抑尘效果不佳；注入雾化液量大，则会造成钻渣颗粒黏结、团聚，影响整体排渣效果。
为进一步提升钻孔排渣效率，在中风压钻进的基础上，开发了空气泡沫钻进技术[29]，通过在注气管路上增设泡沫灌注系统来形成钻进所需的稳定泡沫，通过泡沫将钻渣包裹、悬浮带出钻孔，最后在孔口利用消泡系统进行集中消泡、分离煤渣，设备连接如图5所示。空气泡沫钻进技术具有以下优势[30-31]：泡沫的携渣能力更强，可有效提升钻孔排渣效率，尤其针对煤层出水具有显著技术优势；包裹钻渣的泡沫运移速度低，对孔壁的冲刷扰动小，泡沫结构也对孔壁也有一定支撑作用，有利于维持碎软煤层孔壁稳定；泡沫冷却、润滑性能优于纯空气，可避免纯空气钻进时孔内着火风险。在淮北某矿开展工业性试验，采用空气泡沫钻进工艺配套整体式宽翼片螺旋钻杆，在坚固性系数0.4～0.6的碎软煤层中施工完成6个钻孔，5个钻孔深度突破200 m，相比于中风压钻进，钻机回转压力降低42%～48%、成孔深度提高1倍。但空气泡沫钻进技术配套设备较多、工艺流程复杂，需根据孔口返渣、返风情况及时调整注气量和泡沫液注入量，以达到最佳的排渣效果和钻进效率，但对现场人员操作水平要求较高。
2.2 气动定向钻进技术
针对碎软煤层瓦斯超前区域精准抽采难题，开发了碎软煤层气动定向钻进技术[32]，研制集成了气动定向钻进成套装备，连接示意如图6所示，主要是以高压空气或氮气为循环动力介质驱动空气螺杆钻具旋转带动钻头碎岩，同时利用随钻测量系统进行轨迹测量，确保实钻轨迹沿设计轨迹延伸；利用孔内螺旋钻具组合辅助排渣，确保排渣通道顺畅；利用孔口除尘装置进行降尘，有效减少钻场粉尘扩散；利用压风监控系统监控输入高压气体参数，辅助判断孔内工况；钻孔成孔后下入筛管完孔，确保瓦斯抽采通道顺畅。
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图 6 气动定向钻进装备连接示意Figure 6. Schematic diagram of air directional drilling equipment connection目前，该项主要应用于碎软煤层工作面瓦斯区域递进式抽采或煤巷条带瓦斯预抽，以实现碎软煤层工作面和煤巷掘进瓦斯抽采达标，适用于坚固性系数0.3<f≤0.8的碎软煤层，钻孔深度可普遍达到300 m以上。气动定向钻进及筛管完孔技术具备以下优势：轨迹精确可控、覆盖范围广，可实现碎软煤层瓦斯超前区域治理；孔壁稳定性好、成孔质量高，可有效降低塌孔、卡钻事故发生几率，确保碎软煤层钻进安全；钻孔深度大，煤层钻遇率高；利用高压气体和异性钻具进行复合排渣，排渣效率高，可有效降低钻进阻力，提升钻孔延伸能力；抽采瓦斯体积分数高、流量大，瓦斯抽采不受孔内积水的影响，利用筛管完孔后即可实现快速连抽。
空气螺杆钻具是实施碎软煤层气动定向钻进的核心钻具。国外以斯伦贝谢、贝克休斯等油服公司研发了适用于油气勘探开发领域的空气螺杆钻具，取得了显著的应用效果。我国北京石油机械厂有限公司、天津立林、河北中荣石油机械有限责任公司等企业也研发了不同规格的空气螺杆钻具，并推出了适用于井下作业工况的矿用空气螺杆钻具。张杰等[33]发明了多级排渣空气螺杆钻具，通过优化空气螺杆钻具马达线型，设计采用油密封润滑结构、硬质合金TC轴承，实现了低压启动、大扭矩输出和长寿命工作，通过在空气螺杆钻具定子外壳铣削槽进一步增强了近钻头排渣能力。由于气体的冷却润滑效果差，为保证空气螺杆钻具长时间稳定工作，采用油雾润滑的方式来降低轴承组的异常发热和磨损，并研制了可产生5～100 μm粒径的油雾润滑装置[34]。然而目前煤矿井下空气螺杆钻具输出扭矩整体较低，当钻遇顶底板岩层或夹矸层时，钻进效率低，容易导致空气螺杆钻具异常制动，且孔内二次启动困难；其次，当钻遇极破碎煤层时，采用常规的1.25°弯角空气螺杆钻具容易出现钻孔造斜率低、轨迹不受控等异常情况，导致实钻轨迹偏离设计轨迹。
2017年起，在我国主要煤矿区开展工业性试验与工程示范[6,35-37]。在淮南矿区潘三煤矿开展工业性试验，目标煤层平均厚度4.0 m、坚固性系数f为0.3～0.5，瓦斯含量为4.3～8.4 m3/t，钻成了12个孔深大于200 m碎软煤层定向钻孔，最大孔深231 m，实现了碎软煤层气动定向钻进成孔的突破，瓦斯抽采量是常规钻孔的3～4倍。在贵州青龙煤矿开展工业性试验，目标煤层平均厚度2.8 m，坚固性系数0.37，瓦斯含量19.88 m3/t，瓦斯压力1.73 MPa，钻成了16个碎软煤层定向钻孔，孔深300 m以上钻孔成孔率达到75%，最大孔深406 m，单孔最大抽采量3 500 m3/d。在晋城天地王坡煤矿开展工业性试验，目标煤层硬度系数平均厚度5.76 m，坚固性系数0.74，瓦斯含量为5.02～18.77 m3/t，钻成了最大主孔深度437 m的定向钻孔，工程示范阶段，平均钻孔深度达到300 m以上，钻机平均月台率达到3 000 m以上，百米钻孔抽采瓦斯纯量是常规钻孔的2.7倍，目前，成套技术装备已在王坡煤矿规模化应用。在山西华阳二矿开展工业性试验，目标煤层平均厚度4.0 m，坚固性系数0.48，，瓦斯含量7.05～8.48 m3/t，压力0.48～0.59 MPa，共施工完成10个定向钻孔深度均达到450 m以上，最大钻孔深度达607 m，钻孔实钻轨迹如图7所示，创造了煤矿井下碎软煤层气动定向钻进最大孔深的新纪录。
然而，气动定向钻进技术在含水碎软煤层中同样表现出明显的不适应性，究其原因，一方面，地层水侵入煤层使孔壁煤体应力重分布，导致煤体强度急剧下降，诱发钻孔变形失稳，甚至整体坍塌；另一方面，当出水量到达一定值时，孔内钻渣颗粒会迅速黏结成团，并附着在孔壁和钻具上形成泥环，进一步压缩返风返渣通道空间，导致无法维持孔内排渣循环通道顺畅，造成气动定向钻进受阻。2024年发布的行业标准NB/T 11527—2024《煤矿井下气动定向钻进技术规程》明确规定：气动定向钻进技术适用于钻进过程中孔壁无渗水、孔内无涌水的碎软煤层。
2.3 双动力双管定向钻进技术
当前，碎软煤层气动定向钻进成孔后采用裸眼下筛管，或提钻后采用专用下筛管钻具组合下放筛管，无法实现随钻护孔。为有效满足碎软煤层气动定向长钻孔施工要求，进一步增大碎软煤层瓦斯抽采钻孔筛管下放深度和直径，提升瓦斯抽采效果，在“十三五”国家科技重大专项的支持下，开发了集随钻护孔、精准定向、筛管完孔于一体的双动力头双管定向钻进技术[38]，研制了双动力头钻机与配套钻具，双动力头钻机如图8所示，技术原理：以气体作为循环动力介质，利用双动力头钻机分别驱动套管工具串和定向工具串，套管工具串包括套管、套管钻头，定向工具串包括螺旋钻杆、随钻测量系统、空气螺杆钻具、底扩式钻头，钻进过程中，套管动力头带动套管工具串以低转速回转钻进，钻杆动力头根据钻孔轨迹调整需要驱动定向工具串进行回转钻进或滑动钻进，以实现跟管护孔和定向造斜钻进，钻渣由钻杆与套管环空间隙及套管与孔壁间隙双通道排出。当钻进至设计孔深后，先提出孔内定向工具串，然后通过套管内通孔下放护孔筛管，最后再提出套管工具串。双管双动力头定向钻进技术具备以下优势：钻进过程中，利用定向工具串进行钻进成孔，同时利用外部套管护孔，有效避免孔壁失稳坍塌，提高钻孔成孔深度；钻孔成孔后，利用套管工具串下放大直径筛管，在外部套管护孔作用下，可实现全孔段筛管下放。
在淮北祁南煤矿开展工业性试验[39]，目标煤坚固性系数f=0.30～0.46，平均厚度2.8 m，瓦斯压力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t，采用双动力双管定向钻进工艺完成碎软煤层定向钻孔4个，最大孔深252 m，套管最大跟进深度162 m。但在钻进过程中，仍然存在套管跟进阻力大、排渣困难等问题。
3. 坚硬岩层特种钻进工艺研究进展
针对顶底板硬岩层钻进面临的钻效低、钻具损耗大、劳动强度大、安全风险高等突出问题，重点围绕关键提速工具研制、智能化水平提升、安全钻进防护等方面开展了研究与攻关，研制了关键提速工具，开发了ø200 mm一次成孔和高水压顶水钻进工艺技术。
3.1 关键提速工具研制
提高硬岩钻进速度是矿井降本增效的重要技术手段，而常规的PDC钻头回转切削碎岩的方法不适合于硬岩钻进。实践表明：硬岩在冲击载荷作用下易产生大体积破碎，因而具有更加高效的破岩效率。冲击碎岩具有以下技术优势[40]：冲击作用中，钻头给岩石施加瞬时轴向载荷，在保持相同转速和钻压条件下，冲击破岩机械钻速可达到回转破岩的数倍，极大提升钻进效率；振动冲击可将钻具所受静摩擦转变为动摩擦，有效降低孔内钻具与孔壁之间的摩阻，提高钻压传递效率，解决钻头托压问题；冲击过程中，钻头与岩石瞬时接触面积小、时间短，有利于改善钻头受力条件、抑制黏滑振动，有效减少钻头磨损消耗、延长钻头使用寿命。目前，煤矿井下常用的硬岩钻进提速工具包括潜孔锤、冲击螺杆马达、扭力冲击器等。
1)潜孔锤
潜孔锤是一种依靠压缩空气能量或高压液体能量产生周期性高频冲击载荷的孔底动力机具，适用于坚固性系数f ≥10的坚硬岩层穿层孔施工，按照驱动介质分为液动潜孔锤和气动潜孔锤，但不具备定向功能。
气动潜孔锤是以高压气体作为动力介质，钻进过程中所需钻压和扭矩相对较小，因而可获得较高的钻进效率，但气动潜孔锤产生高频、高能冲击功需要相配套的高压防爆空压机；此外，由于煤矿井下钻场属于半封闭作业空间，采用气动潜孔锤施工存在钻场粉尘污染大的问题；钻遇出水地层时，气动潜孔锤钻进工艺适应性差，容易出现返渣不畅、糊钻等异常情况，难以充分气动潜孔锤快速破岩的优势。液动潜孔锤由于钻进效率高、驱动介质易获取、无粉尘污染等优势，在煤矿井下顶底板坚硬岩层穿层钻孔施工方面得到广泛应用。目前，煤矿井下常使用的液动潜孔锤按照驱动压力可分为阀室低压液动潜孔锤和射流式高压液动潜孔锤[25]。阀式低压液动潜孔锤驱动介质压力小于0.5 MPa，输出冲击功小于100 J、冲击频率小于40 Hz，通过配套冲击螺杆马达进行硬岩层定向钻进，但存在造斜率偏低、两种类型钻具流量不匹配等问题。射流式高压液动潜孔锤大驱动介质压力常大于12 MPa，输出冲击功大于200 J、冲击频率大于50 Hz，因此在高强度、高研磨性岩层易产生体积破碎，产生的钻渣颗粒较大[41]。工程实践表明[42]：当液动潜孔锤与钻进规程参数相匹配时，才能发挥其最佳性能。液动潜孔锤钻进规程参数主要包括泵压、泵量、钻压、转速。泵压和泵量对液动潜孔锤冲击频率和冲击功起到决定性作用，冲击频率随泵量的增加而增大，趋势整体为先快后缓慢，随泵压的增大呈线型增大，但是泵压和泵量越高，潜孔锤冲击部件受高频强振动易疲劳失效，钻头磨损也愈发严重。冲击回转钻进过程中，钻压的作用是保证钻头球齿与岩层表面的接触，并克服潜孔锤工作过程的反弹力，使得坚硬岩层在动静载荷作用下产生体积破碎，因此，潜孔锤冲击回转破岩比常规回转钻进工艺所需的钻压低；钻头回转剪切受冲击载荷作用后的裂隙岩体，并变换冲击位置，所以转速要匹配液动锤冲击频率，以保证最优的碎岩效率。液动潜孔锤钻进规程参数要综合考虑钻进设备性能、钻进效率、钻具使用寿命等因素综合确定。
魏宏超[43]采用冲击回转工艺配套W70型高压液动潜孔锤在淮南矿区开展了现场试验，目标岩层坚固性系数为15，平均机械钻速达到12.67 m/h，表明该型液动潜孔锤在高强度、高研磨性岩层提速效果明显。此外，张鹏飞等[44]采用研发的SC86H型高能射流式液动潜孔锤在焦作矿区底板灰岩施工，机械钻速达到9.4 m/h，相比常规回转钻进工艺提升6～9倍。然而在高压液动潜孔锤使用过程中，也暴露出其存在的技术问题：高压液动潜孔锤结构较为复杂，射流元件、活塞杆等零部件在高频冲击作用下容易疲劳损坏，无法维持长时间稳定工作状态，使用寿命较短；高压液动潜孔锤工作对配套泥浆泵输出能力、钻具密封性要求较高，而当前煤矿井下钻进施工普遍使用泥浆泵泵量较低，难以满足潜孔锤高频、高能冲击功连续输出需要，需配套专用高压泥浆泵车和高密封性钻具。
2)冲击螺杆钻具
对于定向钻孔而言，提速工具既要能满足提速需求，又要实现钻孔轨迹精确控制。通过在常规螺杆马达传动轴上增设冲击机构，研制出冲击螺杆钻具[45]，并设计出专用冲击机构，如图9所示。利用压缩弹簧为孔底施加轴向冲击力，单次冲击力达6 kN，具备能量利用率高、冲击力和冲击频率可调、使用寿命长等特点，满足“冲击+回转”复合动力高效破岩需要。其次，在冲击过程中，冲击螺杆马达具有水力振荡功能，振荡频率是转频的2倍(4～8 Hz)，可有效缓解托压现象。主要应用于顶板高位定向钻孔、底板地质探查钻孔等定向钻孔施工，适用于坚固性系数f <10的坚硬岩层。
在晋城寺河煤矿顶板砂岩中，采用冲击螺杆马达钻进完成进尺1 743 m，累计用时约200 h，平均机械钻速8.34 m/h，较常规螺杆马达提高20%～30%。在吕梁沙曲一号煤矿底抽巷砂岩和灰岩中，采用冲击螺杆马达施工完成定向穿层钻孔7个、进尺3 438 m，机械钻速28.45 m/h，较常规螺杆马达提高40.12%。然而，在多次反复冲击作用下，冲击螺杆马达冲击机构的冲锤和砧体磨损严重，冲击机构性能迅速下降，冲击破岩效率也随之降低，如何提升冲锤和砧体的抗磨性成为冲击螺杆钻具推广应用的关键。
3)扭力冲击器
为解决PDC钻头在硬岩层钻进过程中出现黏滞、破岩能量传递效率低的问题，国内外研究学者提出采用扭力冲击器钻进的技术方案。当冲洗液流经扭力冲击器时，驱动其内部冲击摆锤做来回的旋转冲击，将高压冲洗液流量转化为高频、周期性冲击力并传递给PDC钻头，实现在非能量聚集条件下的瞬时冲击破碎–旋转剪切联合破岩[46]，满足煤矿井下顶底板坚硬岩层大直径钻扩成孔需要，结构示意如图10所示。扭力冲击器在提高硬岩钻进速度的同时，减少孔底的有害振动、降低钻头卡滑现象，延长了钻具使用寿命。冲洗液流量越大，扭力冲击发生器冲击频率越高、机械钻速越快[47-48]。
扭力冲击器是近年来应用较为广泛的提速工具之一，在我国地面油气勘探和地热能开发行业获得良好的提速效果，适用于各类塑性和硬度大的地层，特别是研磨性强、可钻性差的岩浆岩地层。借鉴油气勘探开发领域应用成熟经验，将扭力冲击器引入到煤矿井下硬岩层钻进施工中，在晋城寺河煤矿和淮南顾桥煤矿井下开展了顶板砂岩层扩孔试验，其中寺河煤矿最大扩孔机械钻速达10 m/h，顾桥煤矿最大扩孔机械钻速达38 m/h。实践表明：高频扭转冲击破岩以体积破碎为主，可明显提升PDC钻头碎岩效率，降低钻进摩阻；利用扭力冲击器可实现120～200 mm一次钻扩成孔，减少扩孔级序、提升综合扩孔效率。但在使用过程中也暴露出其局限性：扭力冲击器对泥浆泵排量要求较高，要实现扭力冲击器最佳破岩效果，排量应达到600 L/min，而目前井下常用泥浆泵无法提供足够流量和压力的冲洗液，给现有供排水系统也带来较大负担；扭力冲击器内部结构复杂，对冲洗液洁净程度要求高，一旦冲洗液携带大颗粒碎屑进入扭力冲击器腔体内，容易造成扭力冲击器卡顿，需要提钻处理。
3.2 ø200 mm一次成孔工艺技术
为进一步增大煤矿井下顶板高位定向钻孔直径、提升施工效率、降低劳动强度，研制了ZDY23000 LDK、ZDY25000 LDK型大功率自动化定向钻机，BLY800/12、BLY1000/16型泥浆泵车，ø127 mm有线随钻测量钻杆，ø140 mm螺杆马达等装备[49-50]，开发形成了ø200 mm顶板高位钻孔一次成孔工艺技术，其中ZDY25000 LDK大功率自动化定向钻机额定转矩25 000 Nm，最大给进起拔力达300 kN，采用电液控制系统、自动化程度高，具备钻杆自动装卸、远程遥控施工、钻进参数实时监测等功能；BLY800/12泥浆泵车采用闭式液压系统，最大输出流量800 L/min、最高输出压力12 MPa，相比目前常用的泥浆泵输出参数提升1倍，满足驱动螺杆马达和钻孔高效排渣需要。
2023年起，在淮南矿区开展了ø200 mm高位定向钻孔一次成孔现场试验与推广示范，采用大功率智能化定向钻进技术与装备共施工完成9个ø200 mm顶板高位定向钻孔，最大成孔深度701 m，创造了同类型高位定向钻孔孔深行业纪录[51]，并在此基础上完成300 mm一次性全程扩孔。实践表明：大功率定向钻机钻进能力强、自动化程度高、成功直径大，利用自动化钻机机械臂装卸大规格钻杆，劳动强度低，满足顶板高位钻孔ø200 mm一次成孔需要，在岩层钻进效率提高30%以上；ø200 mm顶板高位钻孔一次成孔工艺技术适应性强，配套定向钻具组合抗扭能力强，能承受孔内交变载荷，排渣效率高，满足复杂顶板岩层ø200～ø300 mm钻扩成孔需要。但也暴露出以下问题：自动化定向钻机依靠各类传感器进行精确的信息感知和数据处理，然而钻场作业环境恶劣，水、粉尘、振动等会对传感器工作造成不利影响，对传感器的性能和防护等级要求较高，由于传感器故障导致钻进不连续，影响综合钻进效率提升；钻孔直径的增加直接导致排渣量的增大，而当前缺乏钻渣处理–转运辅助系统，钻场清渣工作仍然以人工为主，劳动强度大。
3.3 高水压顶水钻进工艺技术
针对我国华北型煤田底板承压充水含水层钻进存在的钻进效率低、安全风险高等问题，在国家重点研发计划的支持下，笔者团队发明了一种煤矿井下防治水孔高水压顶水定向钻具及钻进方法[52]，通过向孔内泵入高压水(顶水压力高于地层水压)，平衡外部水压，抑制涌水，并研制了钻杆内孔高压逆止阀、孔口旋转防喷器、硬岩定向钻头、液动冲击器、冲击螺杆马达，集成了坚硬岩层高水压顶水钻进成套装备，如图11所示，开发了冲击复合定向钻进技术，适用于煤矿井下底板坚硬岩层高压含水层安全高效钻进。
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旋转防喷器是高水压顶水钻进的必要设备，如图12所示。在钻进或起下钻过程中，通过液压系统控制密封胶芯收缩，“抱紧”钻杆，使得孔内高压涌水不能从孔口喷出，保证在安全压力范围内正常钻进施工。相比于常规定向钻进孔口装置，旋转防喷器承压能力大于6 MPa，满足大部分钻孔高水压顶水钻进需要，密封组件具备补偿功能，解决了在钻杆体反复摩擦作用下密封胶芯磨损、密封压力降低的问题。复合钻进过程中，旋转防喷器被压缩变形的胶筒与钻杆以相同的转速回转，无径向相对运动，有效降低了胶筒的磨损速度，进而提升了旋转防喷器的使用寿命。
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图 12 矿用旋转放喷器结构示意Figure 12. Schematic diagram of the structure of the rotary blowoff device for mining4. 破碎–水敏性地层钻进工艺研究进展
针对破碎–水敏地层钻进出现的塌孔、憋泵、卡钻等技术难题，重点围绕提高排渣效率、加固破碎岩体等方面开展了攻关，开发了复合强排渣定向钻进、大直径扩孔、注浆加固、跟管钻进等工艺技术与配套机具。
4.1 复合强排渣工艺技术
复合强排渣定向钻进技术[53]为指钻进过程中，利用整体式螺旋钻杆或三棱螺旋钻杆强化排渣，通过钻杆回转持续碾压搅动聚集在孔壁下缘的钻渣与岩块，使其更容易被冲洗液携带出钻孔，从而保持钻孔环空循环通道顺畅，避免钻渣与岩块堆积导致憋泵卡钻，同时配套泥浆脉冲无线随钻测量系统进行钻孔轨迹测量与信号传输，主要应用于顶板高位定向钻孔先导孔高效钻进。
淮南矿区顶板高位定向钻孔钻遇地层以砂泥岩互层为主，钻进过程中塌孔卡钻事故频发，造成顶板高位定向钻进成孔在淮南矿区一直未取得实质性突破[54]。长期以来，淮南矿区顶板复杂岩层来被视为大直径定向钻进成孔的“禁区”，2016年起，西安研究院率先在淮南矿区顾桥煤矿开展技术攻关，开发形成了以泥浆脉冲无线随钻测量系统与整体式螺旋钻杆为核心成套技术装备，突破了淮南矿区顶板复杂岩层大直径定向长钻孔技术瓶颈，成功实施了10个大直径高位定向钻孔，实现了“以孔代巷”瓦斯抽采的目标[24]。目前成套技术装备已在淮南矿区得到广泛应用，成为淮南矿区顶板采动卸压瓦斯抽采治理的主要技术举措。晋城矿区王坡煤矿顶板高位定向钻孔钻遇粉砂质泥岩，遇水膨胀后沿层理剥离形成大量岩块堵塞环空排渣通道，孔内掉落岩块最大边长超过15 cm，导致憋泵卡钻现象严重，成孔难度极大。通过整体式三棱螺旋钻杆对孔内堆积的岩快碾压破碎，使其更容易被冲洗液携带，成功实施了6 个孔深超500 m高位定向钻孔，钻进效率和成孔深度得到大幅提升。
4.2 大直径扩孔工艺技术
大直径扩孔是解决顶板破碎–水敏地层钻进过程中塌孔憋泵的行之有效的方法之一[55-56]，常与复合强排渣工艺技术作为组合技术使用，以提升破碎孔段排渣效率，避免钻渣堵孔。当钻遇破碎地层时，通过提钻更换大直径扩孔钻具组合，以回转扩孔的方式切削水化区域，然后再提钻更换定向钻具组合继续钻进，具有以下技术优势：通过扩大钻孔直径，切削孔周水化区域不稳定岩体，相当于间接提高了孔壁稳定性；随着钻孔直径增大，环空排渣通道截面积也随之增大，显著提升了大颗粒钻渣和大尺寸岩块的通过性能。
顾桥矿顶板高位定向长钻孔施工过程中发生憋泵卡钻，采用“ø120 mm/ø248 mm扩孔钻头+ø89 mm钻杆”钻具组合，有效解决了爬升段穿越复杂地层成孔问题。曙光煤矿顶板高位定向钻孔目标地层以泥岩、砂质泥岩为主，采用大孔径螺旋扩孔钻具组合成功解决了由于泥岩层水化造成的塌孔憋泵难题，施工完成了9个孔深超520 m、孔径153 mm的顶板高位定向钻孔。
4.3 注浆加固工艺技术
注浆加固是通过向破碎地层注入一定压力的水泥浆液或其他注浆材料，以起到提高地层完整性、改善地层力学性质的作用[57]，待侯凝达到一定强度后，再重新钻进，按照注浆方式不同可分为全孔注浆、局部注浆和随钻注浆护孔。全孔注浆是从孔口到孔底范围内进行全部注浆，适用于地层整体破碎、需全面加固的破碎地层，利用注浆泵和注浆管直接向孔内泵入浆液，通过控制注浆压力和注浆速率，以确保浆液充分扩散到破碎带影响区域，工艺流程简单，但全孔注浆存在注浆量大、透孔距离长等不足。局部注浆[58]适用于钻孔局部破碎区域或特定孔段进行注浆，原理示意如图13所示，适应于穿越断层破碎带、小型陷落柱等情况，研制了包括包含裸眼挤堵封隔器、高压注浆钻杆和高压送水器的定点注浆钻具组合，开发了定点注浆工艺流程，在朱集煤矿、郭家河煤矿开展了定点注浆试验示范，注浆加固后定向钻进顺利通过破碎带，再未发生塌孔、憋泵等现象。随钻注浆护孔[59]为在钻孔过程中同时进行注浆，以加固孔壁并防止孔壁垮塌，适用于松散地层或易塌孔的地层，在煤矿井下应用实例较少。
4.4 跟管钻进工艺技术
借鉴地面地质岩心钻探领域穿越破碎地层的方法，将跟管钻进工艺技术引入到煤矿井下破碎地层成孔，开发了孔底驱动跟管钻进和跟管定向钻进工艺技术，适用于整体破碎地层护孔钻进，以解决钻进过程中存在的塌孔、缩径等问题。其中孔底驱动跟管钻进技术[60-61]为将钻机的转矩和钻压通过孔底传扭机构给套管钻头和前置钻头，实现了边钻进边下套管操作，钻渣从外管和孔壁间的环空排出，如图14所示，具有套管下入阻力小、环空排渣效率高等技术优势，克服了常规下套管方式阻力大、排渣困难、套管易断裂等问题。在赵固二矿底板破碎地层中开展了工业性试验，采用孔底驱动跟管钻进技术和配套机具成功施工6个钻孔，下入ø112 mm套管最大深度65 m，下管工效达到15 m/班，套管下入过程中钻机系统压力相比常规套管下入方式显著降低。
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跟管定向钻进工艺技术[62]为通过定向钻具组合带动套管钻具组合进行定向钻进，如图15所示，实现了边定向钻进边下套管，当钻进通过破碎孔段后，再提出孔内定向钻具组合，将套管和套管钻头留在孔内起到护孔作用，最后下入次一级定向钻具组合继续钻进设计孔深。在淮北某矿开展了工业性试验，成功穿越103.5 m复杂岩层孔段，为后续定向钻进成孔奠定了基础，但该工艺技术对套管连接强度、套管材质要求较高。
5. 特种钻进工艺技术发展趋势
经过多年的技术攻关和实践探索，煤矿井下特种钻进工艺技术取得重要进展，初步形成了适应于碎软煤层、坚硬岩层、破碎–水敏地层的特种钻进工艺技术及配套机具，提升了煤矿井下坑道钻探技术水平，有力支撑了煤炭安全高效开采。但随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，浅部地质条件复杂煤炭高效开采已成现实之需、深部煤炭智能开采已成必然趋势，对煤矿井下特种钻进工艺技术的发展提出新的更高挑战。特种钻进工艺技术发展在地层适应性拓展、关键工具寿命和性能提升、智能化水平提升、工程示范应用等方面仍需进一步发展完善，发展趋势框架如图16所示。
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图 16 煤矿井下特种钻进工艺技术发展框架Figure 16. Development framework of specialized drilling technology in underground coal mine1)进一步完善碎软煤层气动定向钻进技术及配套机具。研发适应于碎软煤层气体钻进工况的大扭矩空气螺杆钻具，通过优化钻具传动系统、马达结构和工艺流程，开发高效降温润滑技术，增强空气螺杆钻具大功率输出条件下的稳定性，避免空气螺杆钻具异常制动，并通过持续的技术攻关和现场试验，形成系列化成熟产品；探究碎软煤层近水平钻进条件下气体钻进携渣携水机理，开发碎软煤层长距离多介质协同定向钻进技术，进行局部含水碎软煤层气动定向钻进高效排渣和解堵，提高碎软煤层出水条件下定向钻进成孔深度和效率；通过将近钻头随钻测量技术引入到碎软薄煤层钻进，结合随钻动态方位伽马精确识别近钻头位置地层岩性和倾角，解决碎软薄煤层煤岩界面随钻辨识难题，确保钻孔轨迹在碎软薄煤层长距离延伸。
2)持续攻关硬岩层高效钻进提速技术及配套工具。目前，螺杆钻具仍然是实现煤矿井下定向钻进的核心工具，需持续加强冲击螺杆钻具研发，突破耐磨耐高温材料、冲击机构设计瓶颈，进一步提升冲击螺杆钻具输出冲击功、冲击频率和使用寿命；研究常规螺杆钻具与液动冲击器的匹配性，制定合理的钻进规程参数，研制超硬耐磨、抗冲击、长寿命PDC钻头，实现旋转切削与高频轴向冲击联合破岩；发展和完善高压液动潜孔锤，攻克关键零部件结构设计、耐磨抗冲击材料、制造工艺，保证冲击元器件在高压流体冲蚀及高频冲击作用下可靠性工作，进一步提升其能量转化效率和使用寿命；借鉴油气勘探领域成熟经验，研发适合于煤矿井下作业工况的复合型冲击器及配套设备，实现轴–扭耦合联合冲击破岩，进一步提升坚硬岩层振动冲击钻进效率、安全性和可靠性。
3)加快攻关适应于煤矿井下近水平工况条件下精细控压钻进理论与技术。通过对破碎–水敏性地层宏–细观特征研究，精细刻画破碎–水敏性地层物质组成、裂隙特征和力学属性，构建近水平钻孔压力预测模型，揭示孔壁受地应力、采动应力、钻具扰动应力等多物理场耦合作用下的失稳机理，为控压钻进技术参数制定、流程优化提供理论依据；研制满足近水平钻孔作业工况的自动控压设备和监控系统，开发近水平自动控压定向钻进工艺技术，实现控压设备运行参数的实时监测、自动集成控制和孔内压力精确调控，使得冲洗液在破碎–水敏性地层近水平钻进过程中对孔壁的“支撑”作用得到充分发挥，从而破解破碎–水敏性地层塌孔、缩径等技术难题，进一步提升破碎–水敏性等复杂顶底板岩层钻进成孔能力。
4)煤矿井下智能化钻探技术与装备方兴未艾，为特种钻进工艺的创新发展带来新的机遇。应聚焦“连续无故障运行”和“综合钻进效率提升”两个核心目标，持续推进智能钻机控制系统迭代升级、高性能智能传感器研发应用、辅助智能作业装备研发，进一步提升智能钻机工作可靠性和稳定性；研发智能钻杆、智能钻头和多参数监测技术，随钻监测孔内钻具状态参数、钻遇地层参数，改善监测信息传输延时性，实现动态监测信息的精确采集、实时记录和高速传输，为钻进工艺参数、钻孔轨迹调整优化提供依据；构建适应于不同煤矿区碎软煤层、坚硬岩层和碎软–水敏性地层赋存特征的钻进专家库，形成基于多源数据驱动的特种钻进智能决策平台，推动实现煤矿井下特种钻进由“装备智能”向“工程智能”的转变；积极推行适用于煤矿井下特殊作业环境和作业工况的地质工程一体化模式，精准预测煤矿井下不同作业场景钻进风险，科学制定风险防范举措，不断提升复杂地质条件下特种钻进施工效率、降低井下钻探工程事故发生几率。
5)加快构建形成区域级、矿区级、矿井级特种钻进工艺技术体系。区域级特种钻进工艺技术侧重于在研究区域地质构造、煤岩层分布、瓦斯赋存、水文地质条件基础上，根据区域内煤炭资源分布及开发特点、地质灾害类型及受威胁程度，制定特种钻进工艺技术应用整体规划和战略布局，满足地质、环境适应性和技术匹配性要求，确保达成特定钻探目标，实现煤炭资源的高效开发利用；矿区级特种钻进工艺技术侧重于在研究特定矿区地质条件和开采技术条件的基础上，选用适宜的特种钻进工艺技术和装备，解决矿区生产过程中存在同类型技术难题，最终形成矿区级的特色化应用技术，以满足不同矿区差异化技术需求，如淮南矿区复杂顶板岩层、阳泉矿区碎软低渗煤层高效成孔难题；矿井级特种钻进工艺技术更加侧重于解决矿井实际问题，综合考虑煤岩层硬度、瓦斯压力、瓦斯含量、构造发育程度和设计钻孔类型、直径、长度等因素，制定针对性特种钻进工艺技术方案、选型配套钻进设备，突出高效率、高精度、高安全性、适应性强等技术特点，如冲击回转钻进、高转速螺旋钻进、气动定向钻进等，以实现矿井隐蔽致灾地质因素精准探查与重大地质灾害高效防治。
6. 结 论
1)特种钻进工艺技术是煤矿井下钻进工艺技术体系的重要组成部分，服务于碎软煤层超前区域精准治理、顶板采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采、矿井探放水及隔水层注浆加固，基于碎软煤层、坚硬岩层和破碎–水敏性地层赋存特征开展技术研究与工程实践，有力提升我国煤矿井下复杂地质条件下重大地质灾害防控能力和地质透明化水平。
2)基于特种钻进工艺技术特点和工程实践，深度剖析面临的主要问题和挑战：含水碎软煤层和薄煤层定向钻进有效应对策略不够，空气螺杆钻具性能有待提升；硬岩钻进关键提速工具受基础材料与制造工艺限制，使用寿命短，与工况匹配性不足；复杂破碎地层定向钻进作业风险高；特种钻进技术智能化水平较低，辅助作业工作量大、综合施工效率低，缺乏智能决策平台。
3)针对煤炭深部开采、智能开采面临的新形势和新挑战，提出进一步完善碎软煤层气动定向钻进技术及配套机具、攻关硬岩层高效钻进提速技术及配套工具、攻克煤矿井下近水平工况条件下精细控压钻进理论桎梏与技术瓶颈、提升煤矿井下智能化钻探技术与装备的可靠性和稳定性、构建形成区域级矿区级和矿井级特种钻进工艺技术体系等5大技术发展方向，促进在煤矿行业广泛应用和深入发展，支撑煤矿井下钻进工艺技术革新和效率提升。
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煤田（矿区）/
煤矿（井田）成煤时代 主要煤层 成矿带 含量范围/
（μg·g−1）含量平均值/
（μg·g−1）样品数/
个胜利煤田 K1 6-1号煤层 ① 135.00～820.00 244.0 200 胜利煤田乌兰图嘎锗矿 K1 6-1号煤层 ① 169.00～345.00 — — 白彦花煤田东区 K1 1上号煤层、1号煤层、1下号煤层 ① 0～65.70 4.0 18 白音霍布尔矿区 K1 6号煤层 ① 1.60～115.00 65.0 13 高力罕煤田 K1 2煤组、5号煤层 ① 0～57.00 3.0 18 乌尼特煤田 K1 2号煤层、3煤组 ① 0～225.00 8.1 13 巴彦胡硕煤田 K1 1号煤层、2号煤层、8号煤层、17号煤层（组） ① 0～118.00 — — 巴其北煤田 K1 6号煤层、7号煤层、8号煤层 ① 0～497.00 4.6 28 白音华煤田 K1 2号煤层、3号煤层 ① 2.00～29.00 18.0 6 五间房煤田 K1 2号煤层、5号煤层（组） ① 0.20～98.30 14.4 12 伊敏煤田五牧场矿区 K1 大磨拐河组 ① 0～470.00 43.6 176 五九矿区 K1 8号煤层、25号煤层 ① 0～65.00 5.0 69 冰草湾煤产地 C 13号煤层、14号煤层、16号煤层 ③ 0.30～45.60 10.1 74 四个山矿区 C 10-1号煤层、10-2号煤层、11号煤层 ③ 0.30～737.00 12.1 161 方家井矿区 C 10-1号煤层、5号煤层 ③ 0.50～53.00 9.7 14 神府-东胜矿区 J — ③ 0.10～22.30 — — 东胜煤田后石圪台矿 J 2号煤层 ③ — 101.0 — 铜川矿区的东坡煤矿 C 10号煤层 ③ 23.00～28.00 — — 神北矿区的肯铁令井田 J 1-2上号煤层、4-2号煤层、4-3号煤层 ② 0～13.00 — — 榆横地区 J 9号煤层 ③ 20.40～28.50 — — 彬县西部 J 8号煤层 ③ 30.00～50.00 — — 宁南煤田王洼矿区 J 5上号煤层、5号煤层、8号煤层 ③ 10.43～22.60 — — 临沧锗矿 N N12号煤层、N13号煤层、N14+5号煤层、N16号煤层 ② 12.00～1 470.00 587.3 — 帮卖矿区 N — ③ 约3 000.00 423.0 — 阿直矿区 P3 — ② 0～20.00 — — 宝山矿区 P3 — ② 0～20.00 30.0 36 老牛场矿区 P3 — ② 0～20.00 — — 罗木矿区 P3 — ② 5.00～22.00 11.0 90 铁法煤田晓南煤矿 K1 14号煤层 ③ — 27.0 — 广灵矿区板塔寺井田 J 6号煤层 ③ 0～31.90 — — 广灵矿区罗疃井田 J 3号煤层、4号煤层、8号煤层 ③ 12.20～29.20 — — 滕县煤田 C 17号煤层、18号煤层 ③ 1.50～80.00 — 136 准东煤田大井矿区 J B1号煤层、B2号煤层、C号煤层 ③ 0～201.00 121.0 140 准南煤田阜康矿区 J B1号煤层 ③ 0～167.00 87.0 9 雅荣煤田大溪井田 P 双龙炭煤层 ③ 2.00～38.00 24.2 4 大邑煤田天宫庙井田 P 大荒煤层 ③ 0～24.00 13.1 7 南桐煤田鱼田堡井田 P K1号煤层 ③ 14.60～28.00 24.5 4 备注：成矿带①二连-海拉尔盆地煤中锗成矿带；②滇西三江煤中锗矿化带；③零散煤中锗异常点。 
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