郝世俊，張 晶

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

頂板坍塌、透水、沖擊地壓等礦山災(zāi)害事故會導(dǎo)致巷道堵塞，井下作業(yè)人員被困，通過大直徑井連通地面與被困區(qū)域，快速構(gòu)建被困礦工逃生通道，是礦山災(zāi)害應(yīng)急救援的重要技術(shù)途徑[1-2]。大直徑鉆孔技術(shù)在2002年美國魁溪煤礦透水事故、2010年智利圣何塞銅礦坍塌事故、2015年山東平邑石膏礦坍塌事故應(yīng)急救援中的成功應(yīng)用，使其成為礦山災(zāi)害應(yīng)急救援技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。國內(nèi)外典型礦山事故鉆孔救援技術(shù)分析表明，為實(shí)現(xiàn)高效碎巖，提高救援通道構(gòu)建效率，鉆孔救援一般以空氣鉆進(jìn)為主[1-3]，平邑石膏礦坍塌事故救援中，針對復(fù)雜地質(zhì)條件，分別采用旋挖鉆進(jìn)和單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行覆蓋層段和基巖層段鉆進(jìn)[4]，不同裝備與工藝相互配合，成功進(jìn)行了大直徑救援井實(shí)施。同時(shí)也暴露出大直徑救援井鉆井技術(shù)的局限性。旋挖鉆進(jìn)過程中井眼軌跡難以精確控制與測量[4]，復(fù)雜井段下套管封固后，只能逐級縮小井徑；空氣鉆進(jìn)在鉆遇松散覆蓋層、強(qiáng)富水含水層、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層時(shí)，易出現(xiàn)井壁坍塌、掉塊、涌水等問題[5]。大直徑救援井鉆井技術(shù)與裝備在安全性與地層適應(yīng)性等方面仍存在諸多局限，限制了救援通道的構(gòu)建效率。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“復(fù)雜地層地面大直徑救援井高效鉆進(jìn)及安全透巷技術(shù)”開展了地面大直徑救援通道快速構(gòu)建技術(shù)研究，并取得階段性成果?；谘芯砍晒①Y料調(diào)研與筆者大直徑井鉆井實(shí)踐，總結(jié)了大直徑救援井鉆井技術(shù)與裝備現(xiàn)狀，以提高救援通道構(gòu)建效率為目標(biāo)，提出大直徑救援井鉆井技術(shù)與裝備發(fā)展趨勢。

1 大直徑救援井高效鉆進(jìn)技術(shù)

與礦區(qū)常規(guī)地面大直徑鉆孔相比，大直徑救援井施工要求以救援通道高效構(gòu)建為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“鉆得穩(wěn)、鉆得準(zhǔn)、鉆得快”?！般@得穩(wěn)”是鉆井安全范疇，要求在鉆井過程中不出現(xiàn)地面、井下、被困空間內(nèi)事故；“鉆得準(zhǔn)”是鉆井質(zhì)量范疇，要求在井身質(zhì)量滿足安全下套管支護(hù)的前提下，實(shí)現(xiàn)精確透巷，形成救援通道；“鉆得快”是鉆井效率范疇，要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建救援通道。

為高效構(gòu)建救援通道，大直徑救援鉆孔施工已初步形成了以旋挖為主的覆蓋層施工技術(shù)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)為主的基巖段鉆井技術(shù)體系，成功實(shí)施的礦山救援井施工工藝見表1。

表1 典型礦山救援井施工工藝

1.1 井身結(jié)構(gòu)

依據(jù)我國人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合救生艙結(jié)構(gòu)參數(shù)[6]，大直徑救援井透巷段井徑不宜小于580 mm，按照“自下而上”的井徑設(shè)計(jì)順序，同時(shí)，考慮井下復(fù)雜導(dǎo)致的開次增加，確定常規(guī)地層大直徑救援井井身結(jié)構(gòu)，見表2。

表2 大直徑救援井三開井身結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 覆蓋層優(yōu)快鉆井技術(shù)

覆蓋層井段井徑一般大于1 000 mm，超過常規(guī)鉆井設(shè)備施工能力，施工中易出現(xiàn)縮徑、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，井斜、井徑等關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)難以控制，是大直徑救援井施工難點(diǎn)之一。借鑒山東平邑石膏礦難救援覆蓋層施工得失，優(yōu)選樁工施工工藝進(jìn)行覆蓋層鉆進(jìn)。

1)人工挖孔法。人工挖孔法是采用人工開挖方式挖掘形成大直徑井的施工方法，一般施工深度小于30 m。其突出特點(diǎn)是施工工藝簡單、施工簡便、復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)，是建筑工程中樁基施工、滑坡防治中抗滑樁施工的主要施工方法之一。若施工區(qū)域地形復(fù)雜，構(gòu)建大型設(shè)備施工條件的同時(shí)，可采用人工挖孔法進(jìn)行覆蓋層施工，提高救援效率。

2)旋挖法鉆進(jìn)。旋挖法是應(yīng)用廣泛的樁孔施工方法，旋挖鉆機(jī)通過動力頭驅(qū)動鉆桿、鉆頭破碎巖土體，并將其裝在鉆斗內(nèi)提出卸土，如此反復(fù)，直至鉆達(dá)設(shè)計(jì)深度。旋挖鉆機(jī)與牙輪筒斗或大直徑潛孔錘相配合，可進(jìn)行基巖層段施工，滿足大直徑救援井覆蓋層施工要求。旋挖法在平邑礦難大直徑救援井覆蓋層施工中得到成功應(yīng)用，鉆井深度達(dá)54.15 m，中完井徑1 250 mm[4]；2021年棲霞金礦救援中，旋挖鉆機(jī)在10號孔施工中也得以應(yīng)用。

與油氣井鉆機(jī)不同，旋挖鉆機(jī)主要通過桅桿調(diào)垂裝置進(jìn)行井斜控制，在軟硬交互等復(fù)雜地層，井斜控制困難，制約了旋挖鉆機(jī)在大直徑救援井中的應(yīng)用。

3)全套管鉆進(jìn)。全套管鉆進(jìn)是指利用全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)對孔內(nèi)套管施加轉(zhuǎn)矩和垂直荷載，以套管柱作為鉆桿在地層中鉆進(jìn)，同時(shí)，使用沖抓斗或旋挖鉆機(jī)在套管內(nèi)部鉆掘取土實(shí)現(xiàn)全面鉆進(jìn)[7]。同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與下套管作業(yè)，在流砂層、卵礫石層、松散填土層等坍塌、破碎性地層適應(yīng)性強(qiáng)；套管鉆進(jìn)與內(nèi)部鉆進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，鉆進(jìn)速度與配套的旋挖或沖擊鉆施工相當(dāng)，已成為復(fù)雜地層樁孔施工的優(yōu)選工藝。

全套管鉆進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)使其在大直徑救援井覆蓋層鉆進(jìn)中有顯著的技術(shù)優(yōu)勢：①套管內(nèi)未開挖土體可起到阻止井眼偏斜的作用，鉆孔垂直度達(dá)1/500；②施工中不會出現(xiàn)井內(nèi)復(fù)雜，施工效率高；③套管可依據(jù)要求進(jìn)行起拔、更換，使后續(xù)施工中救援井井身結(jié)構(gòu)調(diào)整成為可能，為下部井段套管支護(hù)提供便利。

中煤科工集團(tuán)西安院有限公司基于超聲測距法，研究推導(dǎo)了全套管鉆進(jìn)井底井斜、方位及偏移量計(jì)算方法，為精確透巷提供技術(shù)支撐。

1.3 基巖段鉆井技術(shù)

1.3.1 先導(dǎo)孔鉆進(jìn)技術(shù)

常規(guī)大直徑井施工中為實(shí)現(xiàn)精確透巷(中靶)，一般先進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。圣何塞銅礦救援中采用透巷鉆孔作為先導(dǎo)孔進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，先導(dǎo)孔作為下排渣通道實(shí)現(xiàn)了快速鉆進(jìn)與排渣；平邑救援中由于未施工先導(dǎo)孔，?565 mm鉆孔未能實(shí)現(xiàn)直接透巷[3]。在大直徑井定向鉆進(jìn)技術(shù)取得突破前，先導(dǎo)孔的施工很有必要。

覆蓋層施工完成后，在井筒內(nèi)居中下入導(dǎo)管，以導(dǎo)管為上部井筒，進(jìn)行基巖層段先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，先導(dǎo)孔不宜透巷，主要包括2項(xiàng)技術(shù)：

1)優(yōu)快鉆進(jìn)技術(shù)。在漏失不嚴(yán)重地層，采用“PDC鉆頭+大轉(zhuǎn)矩螺桿馬達(dá)” 復(fù)合鉆井技術(shù)，利用鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤與大轉(zhuǎn)矩螺桿馬達(dá)同時(shí)回轉(zhuǎn)驅(qū)動PDC鉆頭高速切削巖層實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，與無線隨鉆測量系統(tǒng)相結(jié)合，還可實(shí)現(xiàn)易斜地層的防斜快打，新疆阜康礦區(qū)急傾斜地層采用復(fù)合鉆井技術(shù)，全井平均機(jī)械鉆速最高達(dá)16.58 m/h，復(fù)合鉆井技術(shù)是近年來煤層氣鉆井領(lǐng)域機(jī)械鉆速快速提高的關(guān)鍵技術(shù)[8]；在漏失嚴(yán)重地層，可采用空氣鉆進(jìn)技術(shù)，利用塔式鉆具組合和“輕壓吊打”實(shí)現(xiàn)防斜保直與快速鉆進(jìn)。

2)精確定向技術(shù)。先導(dǎo)孔精確定向技術(shù)包含2個(gè)方面內(nèi)容:①依托礦區(qū)控制點(diǎn)，尤其是近井點(diǎn)進(jìn)行地面鉆孔精確定位，使救援井井口中心與井下巷道位于同一坐標(biāo)系內(nèi)，并進(jìn)行誤差校正[9]。②利用超聲測距及相關(guān)技術(shù)方法，確定井底中心位置坐標(biāo)，并以此為基點(diǎn)，利用高精度隨鉆測量探管，加密測量，采用“勤定、少定”的方式實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的精確控制，考慮套管下入，定向段狗腿度以小于3°/30 m為宜；為確保透巷段施工精確中靶，先導(dǎo)孔中完點(diǎn)需進(jìn)行不同方向偏移校驗(yàn)。

1.3.2 大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)小鉆壓高效碎巖，反循環(huán)排渣能夠降低上返通道面積，提高上返流速與井眼清潔效率，大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)將快速鉆進(jìn)與高效攜屑相結(jié)合，是大直徑井快速鉆進(jìn)的重要方法。吉林大學(xué)研制的大直徑貫通式潛孔錘與配套反循環(huán)鉆頭，能夠?qū)崿F(xiàn)全井段反循環(huán)鉆進(jìn)，在井深50.8 m以淺井試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)了4.5 m/h的平均機(jī)械鉆速，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出鉆具回轉(zhuǎn)速度、注氣量與機(jī)械鉆速呈正相關(guān)[10]。神華寧煤環(huán)安公司采用?660 mm集束式潛孔錘在較硬地層最高機(jī)械鉆速達(dá)9 m/h[11]。平邑礦難救援中采用?711 mm單體式潛孔錘局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，基巖段鉆進(jìn)高效[4]。

針對大直徑潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)中存在的反循環(huán)建立困難、井底阻風(fēng)環(huán)易卡阻等問題，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司基于研制的?710 mm/311 mm、?580 mm/311 mm大直徑集束式反循環(huán)潛孔錘與配套密封裝置，開展了井口密封、井底軟密封反循環(huán)鉆進(jìn)工藝研究，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。在井深較淺、地層出水量較小時(shí)，利用大直徑井口密封裝置實(shí)現(xiàn)密封；井深較深及地層出水條件下，通過注水及氣舉反循環(huán)排水等方式，使井底維持一定液柱高度，利用井底液柱密封實(shí)現(xiàn)局部反循環(huán)。

圖1 反循環(huán)形成示意Fig.1 Schematic of reverse circulation formation

大直徑集束式潛孔錘井底軟密封式反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在山西坪上煤業(yè)公司?711 mm大直徑井鉆井中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。注氣量35.5～70.0 m3/min，注氣壓力1.0～2.0 MPa時(shí)，反循環(huán)排渣效果良好，平均機(jī)械鉆速達(dá)2.1 m/h，較同等條件其他工藝提高了1.6倍[12]。

1.3.3 大直徑PDC擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)

潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在不穩(wěn)定地層、涌水地層應(yīng)用受限[13]，牙輪鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率低，且存在牙掌脫落風(fēng)險(xiǎn)。PDC導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭在地勘領(lǐng)域、煤礦井下以及非開挖領(lǐng)域已有所應(yīng)用[14-16]，擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率、鉆頭壽命顯著提高。借鑒上述領(lǐng)域?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)，工程技術(shù)人員研制PDC擴(kuò)孔鉆頭，在大直徑井?dāng)U孔鉆進(jìn)中進(jìn)行應(yīng)用，相同地層條件下，較牙輪擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率提高100%～160%[17]，但仍存在鉆具憋跳嚴(yán)重、PDC磨損不均導(dǎo)致的鉆頭壽命短、上返流速低導(dǎo)致的排渣困難等問題。

在數(shù)值模擬與相似模擬的基礎(chǔ)上，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司開展大直徑PDC擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔級序、鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)及配套鉆進(jìn)工藝研究。河南古漢山礦大直徑排水孔現(xiàn)場應(yīng)用表明，通過增加減震短節(jié)、優(yōu)化鉆具組合與PDC鉆頭結(jié)構(gòu)能夠顯著減少鉆具憋跳問題，多刀翼、非均勻布齒及15°～20°齒前角能夠有效延長鉆頭壽命，氣舉反循環(huán)能夠提高排渣效率。與牙輪擴(kuò)孔鉆進(jìn)相比，全井平均機(jī)械鉆速提高248%。

1.4 透巷段鉆井技術(shù)

1)安全透巷距離。井下巷道或避難硐室開鑿后，地應(yīng)力重新分布，井巷周圍產(chǎn)生松動圈與裂隙[18-19]；潛孔錘沖擊荷載對井底巖層產(chǎn)生軸向擾動，形成破碎、損傷區(qū)域，固井水泥漿液柱壓力會加劇破碎、損傷區(qū)域的擴(kuò)展。為確保最不利條件下被困區(qū)域安全，基巖層段鉆進(jìn)預(yù)留安全透巷距離，依據(jù)頂板巖性、完整程度、鉆完井工藝的不同，安全透巷距離一般選擇20～30 m。

2)透巷段鉆進(jìn)工藝。透巷段鉆進(jìn)以確保被困人員安全為前提，采用阻風(fēng)環(huán)方式實(shí)現(xiàn)局部反循環(huán)的大直徑空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，能夠滿足防止大量流體、巖屑潰入被困區(qū)域的安全要求；低鉆壓、中高鉆速、較低的注氣量、合理的透巷位置，能夠有效降低透巷過程引起頂板冒落等二次災(zāi)害的概率。

1.5 大直徑井下復(fù)雜預(yù)防與處理

由于地層條件、受力狀態(tài)復(fù)雜、機(jī)械鉆速要求高，大直徑救援井施工中井下復(fù)雜多發(fā)，魁溪礦難救援、圣何塞銅礦救援、平邑石膏礦救援中均不同程度的出現(xiàn)鉆具斷落、坍塌卡鉆等井下復(fù)雜情況。由于井身結(jié)構(gòu)的特殊性與救援工作的緊迫性，鉆井救援采取預(yù)防為主、處理為輔的策略。

1)井下復(fù)雜情況預(yù)防。先導(dǎo)孔預(yù)注漿、壓力堵漏能夠?qū)崿F(xiàn)井眼強(qiáng)化[20]，提高大直徑井井壁穩(wěn)定性；井底鉆具組合與反循環(huán)形成方式優(yōu)化，尤其是集束式潛孔錘的開發(fā)和井底軟密封反循環(huán)方式的實(shí)現(xiàn)，使井底鉆具外徑小于鉆孔直徑，局部坍塌、掉塊、縮徑等不致卡、埋鉆具；頂驅(qū)+倒劃眼鉆具的配合使用，增強(qiáng)了大直徑井井下復(fù)雜的預(yù)防能力；優(yōu)化反循環(huán)進(jìn)漿口形態(tài)，能夠有效減少反循環(huán)內(nèi)管堵塞問題。

2)井下復(fù)雜情況處理。救援井井下復(fù)雜情況處理遵循“快速、靈活”原則。應(yīng)對鉆具斷落，主要有喇叭口對扣、公錐母錐打撈等方法；針對井下落物，主要有筐兜式打撈、反循環(huán)打撈筒打撈、強(qiáng)磁打撈等方法；環(huán)空插管氣舉反循環(huán)工藝能夠有效處理井壁坍塌、掉塊，并在平邑礦難救援中得到成功應(yīng)用[3]。

2 大直徑救援井施工裝備

大直徑救援井施工裝備需要滿足“快”和“穩(wěn)”的要求，“快”要求裝備具有良好的機(jī)動性，能夠迅速到達(dá)現(xiàn)場、快速安裝、快速開鉆；要求裝備具有較強(qiáng)的施工能力，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)?！胺€(wěn)”要求在正常保養(yǎng)情況下，無故障工作時(shí)間長；不同工藝條件下運(yùn)行平穩(wěn)。目前已初步形成了以車載鉆機(jī)、雙壁鉆具、大直徑潛孔錘為代表的大直徑救援井裝備體系。

2.1 覆蓋層施工裝備

1)旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)是各類樁孔施工的主要裝備，機(jī)、電、液高度集成，具有功率大、地層與工藝適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效等優(yōu)點(diǎn)。意大利土力公司的AF系列、德國寶蛾公司的BG系列以及我國徐工集團(tuán)的XR系列、三一重工股份有限公司的SR系列市場占有率較高，便于緊急動員。旋挖鉆機(jī)動力頭轉(zhuǎn)矩覆蓋80～800 kN·m，最大鉆孔深度150 m，最大鉆孔直徑達(dá)4 800 mm，滿足不同深度、不同井徑覆蓋層施工能力要求。

2)全套管鉆進(jìn)裝備。全套管鉆進(jìn)的主要設(shè)備為液壓式全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，目前國外全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的代表性廠家有日立建機(jī)公司和德國Leffer公司等[21]，廊坊勘探技術(shù)研究所、徐州盾安重工等開發(fā)的第2代全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，適用于救援井覆蓋層施工的設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 大直徑救援井適用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 基巖段施工裝備

1)鉆機(jī)。集成度高、配頂驅(qū)的全液壓車載鉆機(jī)、拖掛式鉆機(jī)能夠滿足高機(jī)動性和快速安裝的要求，是大直徑救援井首選鉆井設(shè)備。大直徑救援井基巖層段井徑不小于711 mm，井深一般不超過1 000 m，適用的鉆機(jī)類型主要有美國雪姆T200XD、德國寶峨RB-T90、國產(chǎn)ZMK5530TZJ100、CMD100等鉆機(jī)，大直徑救援井用車載鉆機(jī)一般對動力頭內(nèi)通徑進(jìn)行改造，以適應(yīng)反循環(huán)鉆進(jìn)要求，主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 大直徑救援井用車載鉆機(jī)主要參數(shù)

2)泥漿泵組。大直徑救援井先導(dǎo)孔需要進(jìn)行高效、精確定向鉆進(jìn)，選用石油鉆井用3NB系列和F系列泥漿泵，3NB系列泥漿泵主要型號有3NB800、3NB1000和3NB1300，F(xiàn)系列泥漿主要有F800、F1000和F1300型，為提高鉆進(jìn)效率，采用大功率泥漿泵組驅(qū)動大轉(zhuǎn)矩螺桿實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。

3)空壓機(jī)及管匯?？諌簷C(jī)是空氣鉆進(jìn)的動力設(shè)備，大直徑救援井施工中一般選用中風(fēng)壓空壓機(jī)，單機(jī)排氣量20～35 m3/min，排氣壓力2.0～3.5 MPa，主要型號有阿特拉斯XRXS1275、XRXS1350、LUY280-25，壽力1250XH、1350XH及斗山XHP1070、XHP1170等，新型空壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)供氣量二擋、三擋可調(diào)，優(yōu)化配置的注氣管匯也能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)、多機(jī)供氣，還可利用噴嘴放氣裝置，實(shí)現(xiàn)供氣量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 注氣管匯結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Schematic of injection manifold structure

4)雙壁鉆具。插管法反循環(huán)應(yīng)用效果不佳，雙壁鉆具是大直徑井反循環(huán)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，包括雙壁鉆桿、雙壁鉆鋌、雙壁扶正器、雙壁止回閥、雙壁減震器、正反循環(huán)接頭、氣盒子等。石家莊探礦機(jī)械廠、中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所等已形成雙壁鉆桿系列產(chǎn)品，主要有：?127/70 mm、?178/113 mm、?219/152 mm型。石家莊探礦機(jī)械廠SG219/152型雙壁鉆具在平邑石膏礦5號大直徑救援井中得到成功應(yīng)用。

5)大直徑潛孔錘。魁溪礦難救援采用美國Center Rock公司QL200S型大直徑潛孔錘透巷；圣何塞礦難救援井分別采用Center Rock公司的CR120單體擴(kuò)孔潛孔錘與?711 mm、?660 mm集束式潛孔錘完成鉆進(jìn)；平邑礦難救援采用?610 mm大直徑潛孔錘鉆具組合完成基巖層段鉆進(jìn)[22]。大直徑潛孔錘是大直徑救援井高效鉆進(jìn)的關(guān)鍵。

吉林大學(xué)研制了?660 mm和?445 mm的貫通式空氣潛孔錘，并依托樁基項(xiàng)目開展了反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)，最高機(jī)械鉆速達(dá)6 m/h[13]；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制了?850/311 mm、?710/311 mm、?580/311 mm系列集束式潛孔錘，分別在山西坪上煤業(yè)、河南古漢山煤礦、安徽任樓煤礦大直徑井中開展現(xiàn)場應(yīng)用研究[15]，針對地層涌水導(dǎo)致背壓過高進(jìn)而影響潛孔錘正常工作難題，通過優(yōu)化鉆具組合，改進(jìn)配氣室結(jié)構(gòu)，一定程度緩解了地層涌水對集束式潛孔錘工作狀態(tài)的影響。

6)配套儀器。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)中，需要采用隨鉆測量儀器配合螺桿進(jìn)行精確定向。目前常用的隨鉆測量儀器為泥漿脈沖式無線隨鉆測量儀，由脈沖發(fā)生器、電磁閥、測量探管、電池筒及坐鍵短節(jié)組成，地面系統(tǒng)由壓力傳感器、地面機(jī)、司鉆顯示器等組成，優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟，價(jià)格相對較低；測量誤差一般為：井斜角±0.1°，方位角±1°，工具面±1°。隨著井深的增加，系統(tǒng)誤差可能導(dǎo)致透巷困難。

為了實(shí)現(xiàn)“鉆得準(zhǔn)”，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制了高精度MWD探管，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場RMRS旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)向系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)表明：測量誤差顯著降低，井斜角誤差降低至±0.05°，方位角測量誤差降低至±0.6°，工具面測量誤差降低至±0.5°；將抗震型EM-MWD與空氣鉆井技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高鉆速和高頻振動條件下實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔軌跡的目標(biāo)，保障了空氣鉆井的成孔質(zhì)量和中靶精度[11,23]。

3 大直徑救援井施工技術(shù)與裝備展望

大直徑救援井鉆井技術(shù)與裝備的發(fā)展方向在于繼續(xù)以“鉆得穩(wěn)”“鉆得快”“鉆得準(zhǔn)”為目標(biāo)，不斷創(chuàng)新施工工藝與技術(shù)裝備，持續(xù)提高地面大直徑救援通道構(gòu)建效率。

1)多領(lǐng)域多工藝技術(shù)融合，優(yōu)化施工工藝與裝備。油氣井鉆井、樁孔工程、非開挖工程及礦建工程領(lǐng)域均開展不同類型大直徑井施工，施工裝備、工藝及技術(shù)側(cè)重點(diǎn)各有不同，通過加強(qiáng)對不同領(lǐng)域相關(guān)優(yōu)勢技術(shù)的融合，提升大直徑救援井施工裝備與技術(shù)水平，提高大直徑救援通道構(gòu)建效率。

2)先進(jìn)工藝、技術(shù)與裝備的優(yōu)化應(yīng)用。集成隨鉆成像測井、隨鉆地層測試等先進(jìn)技術(shù)與裝備，變先導(dǎo)孔為先導(dǎo)勘查孔；應(yīng)用自動垂鉆技術(shù)，降低井眼造斜率，探索救援井更合理井身結(jié)構(gòu)；依托“慧磁”等國產(chǎn)旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)向系統(tǒng)，優(yōu)化形成旋轉(zhuǎn)磁引導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全透巷。

3)模塊化、智能化鉆探裝備的開發(fā)與應(yīng)用。吸收油氣井、礦建井巷大直徑、大功率鉆井裝備技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)展模塊化鉆探裝備，在保持高效動員、快速運(yùn)輸?shù)那疤嵯?，?shí)現(xiàn)模塊化組裝，大幅提升救援裝備施工能力與多工藝適應(yīng)性，加強(qiáng)鉆桿傳送、鐵鉆工及自動送鉆裝置的研究與應(yīng)用，提高裝備自動化、智能化水平；定制模塊化裝備，突破反循環(huán)等特殊工藝裝備瓶頸。

4)區(qū)域適應(yīng)性快速鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用。我國幅員遼闊，地層千差萬別，在救援井高效鉆進(jìn)通用技術(shù)與裝備研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對不同礦區(qū)地層條件，開展優(yōu)快鉆進(jìn)適應(yīng)性研究，為應(yīng)急救援提供技術(shù)儲備。

5)大直徑救援井鉆完井信息系統(tǒng)構(gòu)建與不斷完善。依托透明礦山建設(shè)進(jìn)程，構(gòu)建大直徑救援井鉆完井信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工工藝、裝備、人員與礦區(qū)地層、礦井井巷形態(tài)、開拓方式等數(shù)據(jù)的優(yōu)化匹配，為應(yīng)急救援通道高效構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外鉆孔救援的多次成功實(shí)施，使鉆孔救援成為礦山災(zāi)害應(yīng)急救援的重要途徑，初步形成了以車載鉆機(jī)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)為代表的裝備與技術(shù)體系，社會效益顯著。但大直徑救援井鉆完井過程中仍面臨井下事故多發(fā)、復(fù)雜地層應(yīng)對能力差、大直徑鉆孔鉆進(jìn)效率低等問題，鉆井技術(shù)與裝備研究人員仍需以救援通道高效構(gòu)建為目標(biāo)，繼續(xù)突破創(chuàng)新，提升鉆井效率與施工安全性，為我國礦山災(zāi)害應(yīng)急救援提供科技支撐。