氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)在礦山事故鉆孔救援中的應(yīng)用

趙江鵬，郝世俊

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

礦山安全具有長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和反復(fù)性特點(diǎn)[1]。礦井透水、頂板坍塌等安全事故時(shí)有發(fā)生，需要科學(xué)高效地組織營(yíng)救被困人員、減少經(jīng)濟(jì)損失和挽回社會(huì)不良影響[2-3]。我國(guó)十分重視應(yīng)急救援工作，構(gòu)建了以政府為主導(dǎo)的國(guó)家(區(qū)域)、地方和礦山企業(yè)三級(jí)應(yīng)急力量礦山應(yīng)急救援體制[4]。鉆孔救援是以拯救生命為目的，綜合運(yùn)用工程技術(shù)、物探技術(shù)、視頻通信、醫(yī)療救治、心理干預(yù)，以及航空航天的環(huán)境、生命支持等技術(shù)，通過(guò)鉆孔工程構(gòu)建外界與目標(biāo)災(zāi)區(qū)的聯(lián)系通道，開展人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源、人員提升等搶險(xiǎn)營(yíng)救工作[5-6]。鉆孔救援在我國(guó)于2004 年河南超化煤礦透水事故救援中首次開展演練應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)展成為一種有效礦山事故處置手段，而被廣泛用于礦山事故救援實(shí)踐?！翱焖?、精準(zhǔn)、安全”構(gòu)建救援鉆孔是鉆孔救援的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)救援鉆孔的快速鉆進(jìn)目標(biāo)，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)成為相關(guān)研究和救援實(shí)踐的首選方案。

氣動(dòng)潛孔錘是實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)的重要井下破巖工具，所需轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩小、鉆壓小。最早主要用于采礦爆破孔，至20 世紀(jì)50 年代末，由于其很好地解決了牙輪鉆頭硬巖大鉆壓難題，且可以提高鉆進(jìn)效率，降低鉆進(jìn)成本，克服漏失地層難鉆進(jìn)問(wèn)題，因而，迅速拓展應(yīng)用至其它鉆井工程領(lǐng)域[7]。在基樁工程領(lǐng)域，氣動(dòng)潛孔錘孔徑已達(dá)2 000 mm 以上，針對(duì)排渣難題，發(fā)展形成大直徑潛孔錘螺旋排渣、大直徑潛孔錘濕式反循環(huán)排渣等技術(shù)[8-9]。在油氣井、水文水井、地?zé)峋凸腆w礦產(chǎn)鉆探等工程領(lǐng)域，孔徑大多處于80～450 mm，普遍采用氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)排渣方式，鉆深已達(dá)3 000 m以上[10-16]。氣動(dòng)潛孔錘在礦山事故鉆孔救援中多次發(fā)揮重要作用。作為最為典型兩類救援鉆孔，搜救孔和救援孔的孔徑相差很大，在應(yīng)用氣動(dòng)潛孔錘的技術(shù)難度和具體工藝方法有著顯著的差異[17-21]。

然而，目前仍未見相關(guān)研究者就氣動(dòng)潛孔錘在礦山事故鉆孔救援中發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行全面梳理。因此，有必要開展此項(xiàng)調(diào)查研究工作，并分析氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)存在問(wèn)題與發(fā)展前景，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供有益參考。

1 氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)

1.1 破巖機(jī)理

氣動(dòng)潛孔錘是以沖擊載荷為主，慢速回轉(zhuǎn)切削為輔的方式破巖，且具有低頻率、大沖擊功特點(diǎn)。沖擊載荷產(chǎn)生的沖擊力以應(yīng)力波作用于巖石，接觸應(yīng)力瞬間可達(dá)到極高值，應(yīng)力比較集中，所以盡管巖石的動(dòng)硬度要比靜硬度大，但仍易產(chǎn)生裂紋，而且沖擊速度越大，巖石脆性增大，越有利于裂隙發(fā)育，因此，在數(shù)十焦耳的較小沖擊能條件下，可以破碎極堅(jiān)硬的巖石。鉆頭刃具軸向靜壓力主要用來(lái)克服鉆具的反彈力，改善沖擊能的傳遞?；剞D(zhuǎn)力矩主要是使刃具沿孔底剪切兩次沖擊間殘留的巖石脊峰。所以，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)具有沖擊破巖和回轉(zhuǎn)破巖兩者的特征，互為補(bǔ)充，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于脆性巖石來(lái)說(shuō)，利用這種沖擊壓碎和回轉(zhuǎn)剪切作用，造成大顆粒巖體的剝離作用，隨著巖石的脆性與硬度增大，產(chǎn)生裂紋、體積破碎巖石的效果愈加顯著[12，22]。

1.2 氣動(dòng)潛孔錘類型

隨著技術(shù)革新的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓展，國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)潛孔錘生產(chǎn)廠家所推出的產(chǎn)品種類較多、規(guī)格系列齊全，可滿足高壓、中壓、低壓等不同氣體條件需求，鉆孔深度可達(dá)3 000 m 以上，成孔直徑可達(dá)2 m以上。結(jié)構(gòu)型式多種多樣，既有一次性成孔的全斷面氣動(dòng)潛孔錘，也有擴(kuò)孔用氣動(dòng)潛孔錘，既有單體式氣動(dòng)潛孔錘，也有集束式氣動(dòng)潛孔錘(圖1)，既有用于正循環(huán)的氣動(dòng)潛孔錘，也有用于反循環(huán)的氣動(dòng)潛孔錘，還有反井用氣動(dòng)潛孔錘和跟管用氣動(dòng)潛孔錘。

圖1 氣動(dòng)潛孔錘實(shí)物Fig.1 Pneumatic down the hole hammer

已用于礦山事故鉆孔救援的氣動(dòng)潛孔錘產(chǎn)品類型也較多，鉆頭規(guī)格多處于?200～?850 mm，基于不同用途的救援鉆孔和鉆井方法，主要有單體式、集束式、正循環(huán)、反循環(huán)等多種不同的結(jié)構(gòu)型式。

1.3 鉆井方法

高壓氣體是氣動(dòng)潛孔錘工作介質(zhì)，同時(shí)也是孔內(nèi)排渣、冷卻刃具的沖洗介質(zhì)。根據(jù)高壓氣體循環(huán)方向和排渣方式的不同，氣動(dòng)潛孔錘鉆井可區(qū)分為正循環(huán)、下排渣、反循環(huán)等幾種方法。

1)正循環(huán)鉆進(jìn)

正循環(huán)鉆進(jìn)是氣動(dòng)潛孔錘最為常用的一種鉆進(jìn)方法。所謂正循環(huán)是指高壓氣體在孔內(nèi)的循環(huán)方式，具體為：壓縮機(jī)組產(chǎn)生的高壓氣體沿鉆桿柱中心流道進(jìn)入孔底，驅(qū)動(dòng)潛孔錘工作后從鉆頭底部噴出，攜帶破碎巖屑經(jīng)由鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀空間上返至孔外[23-24]。

氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)配套鉆具主要包括：常規(guī)單壁鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、轉(zhuǎn)換接頭、穩(wěn)定器和止回閥鉆具等。

2)下排渣鉆進(jìn)

下排渣鉆進(jìn)是指在擴(kuò)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，巖粉(屑)在重力作用下沿底部鉆孔掉落至井下巷道的一種鉆進(jìn)方法[25-28]。在擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)由于孔底新鮮巖石面處于自由狀態(tài)，被破碎的巖粉、屑容易揭離孔底并掉落井下巷道，因此，采用該方法擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)巖屑顆粒大，孔底無(wú)重復(fù)破碎現(xiàn)象，鉆進(jìn)效率高。

下排渣鉆進(jìn)主要有正向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)、反向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)兩種類型(圖2)。兩者的主要區(qū)別是加接鉆頭方式不同，正向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)方法加接鉆頭在地面完成，然后，將鉆具下至孔底進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)；反向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)需先將鉆具下至孔底，在井下巷道將事先運(yùn)輸至孔底的鉆頭與鉆具連接在一起，然后，邊提拉鉆具邊擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

圖2 下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)Fig.2 Gravity slag discharge reaming drilling

3)反循環(huán)鉆進(jìn)

氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)需要配套雙壁鉆具系統(tǒng)，高壓氣體在孔內(nèi)的循環(huán)方向具體為：壓縮機(jī)組產(chǎn)生的高壓氣體沿雙壁鉆具內(nèi)外管環(huán)狀間隙下行至孔底，驅(qū)動(dòng)潛孔錘工作后從鉆頭底部噴出，攜帶破碎巖屑進(jìn)入雙壁鉆具中心流道，返出孔外[28-29]。由于孔底高壓氣體上返時(shí)面臨兩條通道，一條是鉆頭與孔壁、鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀間隙形成的正循環(huán)通道，另一條是鉆頭內(nèi)通道、雙壁鉆具內(nèi)管中心通道構(gòu)成的反循環(huán)通道。因此，如何驅(qū)使孔底高壓氣體順利進(jìn)入指定的反循環(huán)通道，是實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆井的關(guān)鍵所在。目前主要有射流負(fù)壓式和機(jī)械結(jié)構(gòu)直接封隔式兩種方法[22]。

射流負(fù)壓式方法有導(dǎo)流罩式和引射器式兩種結(jié)構(gòu)型式[30-31]。導(dǎo)流罩式反循環(huán)是利用噴射負(fù)壓和導(dǎo)流原理進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)，通過(guò)導(dǎo)流罩與鉆頭之間的凹槽噴射進(jìn)入鉆頭底面的進(jìn)渣口，同時(shí)，導(dǎo)流罩外徑與孔徑相匹配，密封外環(huán)間隙通道，增大正循環(huán)通道的阻力，實(shí)現(xiàn)反循環(huán)目的。引射器原理是指高壓流體從鉆頭底部噴嘴高速噴出后產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸作用，將周圍低壓流體卷吸進(jìn)入混合室內(nèi)，并逐漸形成均勻的混合流體，進(jìn)入反循環(huán)通道。典型引射器式反循環(huán)鉆頭如圖3 所示。

圖3 引射器式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structural principle of ejector reverse circulation bit

無(wú)論導(dǎo)流罩式還是引射器式密封方法均是在孔底利用高速氣流形成“負(fù)壓”促進(jìn)反循環(huán)的建立。然而，由于“負(fù)壓”抽吸能力有限，單獨(dú)依靠此密封方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)深孔反循環(huán)鉆進(jìn).因此，在工程實(shí)踐中，會(huì)向鉆孔環(huán)空注入一定量清水或利用孔內(nèi)地層水增大正循環(huán)通道阻力，以改善深孔反循環(huán)效果[16，22，30]。

機(jī)械結(jié)構(gòu)封隔是將外環(huán)狀間隙的正循環(huán)通道完全阻斷，迫使循環(huán)介質(zhì)進(jìn)入鉆具的反循環(huán)通道，從而建立、維持反循環(huán)效果。按照安裝位置區(qū)分，主要有孔底密封、孔口密封等兩種型式。多層橡膠片式密封方法(圖4)是最常見的孔底密封型式，其特點(diǎn)是橡膠片外徑大于鉆孔孔徑，利用橡膠片封堵環(huán)狀間隙上返流道，促使孔底高壓氣體由正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭的側(cè)部斜孔進(jìn)入雙壁鉆具內(nèi)管中心通道。我國(guó)重點(diǎn)建設(shè)的7 支國(guó)家礦山應(yīng)急救援隊(duì)所配套的氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆具系統(tǒng)正是此結(jié)構(gòu)原理，適合于孔壁無(wú)坍塌掉塊的穩(wěn)定地層鉆進(jìn)。

圖4 多層橡膠密封式反循環(huán)鉆進(jìn)原理Fig.4 Multi-layer rubber seal principle of reverse circulation drilling

孔口安裝防噴裝置是孔口密封最常見型式(圖5)，孔口防噴裝置與套管、鉆孔、雙壁鉆具構(gòu)成一密閉有限空間，當(dāng)此空間氣體壓力達(dá)到一定程度時(shí)，迫使孔底高壓氣體進(jìn)入鉆頭排渣通道沿雙壁鉆具內(nèi)管中心通道[32]。

圖5 孔口密封式反循環(huán)鉆進(jìn)原理Fig.5 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole

另外，為改善機(jī)械結(jié)構(gòu)封隔的應(yīng)用效果[33-34]，還研究了孔底孔口聯(lián)合密封、孔底水柱密封等綜合密封為特征的氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井方法，并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1.4 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)規(guī)程主要包括注氣壓力、注氣量、沖擊頻率、鉆壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

1)注氣壓力

氣動(dòng)潛孔錘的沖擊頻率、沖擊功均與注氣壓力有關(guān)。雖然從氣動(dòng)潛孔錘工作實(shí)質(zhì)來(lái)講，影響沖擊頻率和沖擊功的主要因素是注氣量，通過(guò)注氣量變化來(lái)控制注氣壓力大小。然而，注氣壓力參數(shù)的獲取比較方便、準(zhǔn)確，所以常常將注氣壓力作為規(guī)程參數(shù)的重要指標(biāo)之一[12，22]。

從氣動(dòng)潛孔錘工作要求來(lái)看，當(dāng)注氣壓力大于上、下配氣室的壓差時(shí)，沖擊活塞開始上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種壓差取決于氣動(dòng)潛孔錘本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，壓力表顯示的注氣壓力，除了反映出氣動(dòng)潛孔錘正常工作所需的壓差外，還累加了隨著孔深變化帶來(lái)的沿程壓降與克服孔底水位產(chǎn)生的水柱壓力。

2)注氣量

高壓氣體既是驅(qū)動(dòng)孔底潛孔錘沖擊破巖的動(dòng)力，也是輸運(yùn)孔內(nèi)巖屑上返的動(dòng)力。氣動(dòng)潛孔錘正常工作需要有一定的額定注氣量，巖屑從孔底排至孔外也需要一定的注氣量，實(shí)際注氣量不能低于兩者所需氣量的較大者。

注氣量決定著排渣能力，至少須滿足氣體攜帶巖渣最低安全流速要求[35]。由于氣體介質(zhì)的可壓縮性，注氣量這一重要技術(shù)參數(shù)需充分考慮鉆孔直徑、鉆孔深度、地層富水性等影響因素。目前主要有最小動(dòng)能法和最小速度法兩種計(jì)算方法確定最小注氣量。

從以往的研究與實(shí)踐來(lái)看，無(wú)論氣力正循環(huán)排渣還是氣力反循環(huán)排渣，要達(dá)到良好的氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)效果，所需注氣量要滿足上返風(fēng)速大于15.24 m/s 的攜帶巖屑的要求，而當(dāng)上返風(fēng)速小于10 m/s 時(shí)，孔內(nèi)巖屑較多，加重了孔底重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率。

下排渣鉆井則只需考慮滿足氣動(dòng)潛孔錘正常工作的額定注氣量即可。

3)沖擊頻率

對(duì)于一種設(shè)計(jì)優(yōu)良的氣動(dòng)潛孔錘產(chǎn)品，當(dāng)達(dá)到其額定注氣量和額定注氣壓力時(shí)，都能達(dá)到額定沖擊頻率。氣動(dòng)潛孔錘的額定沖擊頻率一般為12～25 Hz。

4)鉆壓

鉆壓能使巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力，同時(shí)改善沖擊能量的傳遞條件。但是，隨著鉆壓的增加，鉆頭球齒的單位進(jìn)尺磨損量也增加，故為了減少鉆頭球齒的磨損，鉆壓不能過(guò)大，只需克服沖擊器的反彈力即可。

氣動(dòng)潛孔錘鉆頭所需鉆壓比牙輪鉆頭要低很多。對(duì)某一確定規(guī)格的氣動(dòng)潛孔錘來(lái)說(shuō)，鉆壓有一個(gè)合理范圍。當(dāng)鉆壓過(guò)大，不僅不會(huì)增加鉆進(jìn)速度，反而會(huì)加快鉆頭球齒的磨損，降低鉆頭使用壽命。

5)轉(zhuǎn)速

回轉(zhuǎn)可使鉆頭球齒在每次沖擊時(shí)都處于新的巖面上，對(duì)氣動(dòng)潛孔錘順利鉆進(jìn)和延長(zhǎng)鉆頭壽命起著決定性的作用。鉆頭外緣球齒對(duì)回轉(zhuǎn)特別敏感，若轉(zhuǎn)速過(guò)慢，鉆頭上的球齒仍未完全脫離前次沖擊過(guò)的坑穴中，會(huì)引起鉆頭回轉(zhuǎn)受阻，鉆效下降；若轉(zhuǎn)速過(guò)快，鉆頭球齒承受過(guò)多摩擦引起過(guò)早磨損，鉆速亦不會(huì)增加，所以合適轉(zhuǎn)速將延長(zhǎng)鉆頭壽命。合理轉(zhuǎn)速的選擇，主要與沖擊功大小、沖擊頻率高低、鉆頭類型以及所鉆巖石物性有關(guān)。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)孔底體積破碎產(chǎn)生的巖屑呈塊狀，僅需較小的轉(zhuǎn)速。美國(guó)水井學(xué)會(huì)(National Water Well Association，NWWA)康伯爾認(rèn)為：氣動(dòng)潛孔錘轉(zhuǎn)速存在著最優(yōu)轉(zhuǎn)角，其值為11°。最優(yōu)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速、沖擊頻率之間的關(guān)系為：

式中：A為最優(yōu)轉(zhuǎn)角，(°)；n為鉆具轉(zhuǎn)速，r/min；f為沖擊頻率，Hz。按照最優(yōu)轉(zhuǎn)角，推薦轉(zhuǎn)速范圍為15～35 r/min。

此經(jīng)驗(yàn)公式考慮了沖擊頻率的影響，工程實(shí)踐表明，對(duì)于?600 mm 以上氣動(dòng)潛孔錘，需要考慮鉆頭規(guī)格、結(jié)構(gòu)類型對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，折算系數(shù)0.6～0.9，規(guī)格越大，折算系數(shù)取值越小。

2 在礦山事故救援小直徑鉆孔中應(yīng)用

在礦山事故救援中，人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源等救援通道均為小直徑鉆孔。為了快速開孔和提高鉆效，多采用氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)方法。目前已形成氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)、氣動(dòng)潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進(jìn)，以及氣動(dòng)潛孔錘隨鉆測(cè)量鉆進(jìn)等技術(shù)。

在井下巷道埋深較小時(shí)，采用氣動(dòng)潛孔錘保直效果可直接命中井下巷道靶區(qū)。2010 年山西王家?guī)X煤礦透水事故救援中，布置了2 個(gè)地面鉆孔，均為二開孔身結(jié)構(gòu)，1 號(hào)鉆孔作為排水鉆孔，2 號(hào)鉆孔作為人員搜救、物資輸送鉆孔。一開鉆具組合：?311.2 mm 氣動(dòng)潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿；二開鉆具組合：?215.9 mm 氣動(dòng)潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿。鉆進(jìn)時(shí)將少量潤(rùn)滑油噴入高壓氣體中，保持氣動(dòng)潛孔錘內(nèi)部潤(rùn)滑。鉆遇含水地層時(shí)，將泡沫劑噴入高壓氣體，提高氣動(dòng)潛孔錘地層適應(yīng)能力。1 號(hào)鉆孔實(shí)際孔深406.8 m，孔底偏移 1.2 m，耗時(shí)59 h。2 號(hào)鉆孔實(shí)際孔深251.8 m，孔底偏移0.8 m，耗時(shí)16 h。2 個(gè)鉆孔均命中了4 m 寬的巷道，達(dá)到了精準(zhǔn)透巷的目的[22，36]。

2015 年山東平邑石膏礦坍塌事故救援中，布置完成5 口(1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào))孔深210 m 左右鉆孔。采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，鉆具組合為：?215.9 mm氣動(dòng)潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿。其中，在2 號(hào)搜救孔發(fā)現(xiàn)了4 名被困人員，同時(shí)作為食物、水和生活用品等的物資輸送鉆孔；由于井下巷道繼續(xù)坍塌，井下被困人員被迫轉(zhuǎn)移，后期利用7 號(hào)鉆孔作為物資輸送鉆孔[22，31]。

然而，當(dāng)井下巷道埋深較大時(shí)，需要采用氣動(dòng)潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進(jìn)技術(shù)，確保精準(zhǔn)命中井下巷道。2021 年在山東棲霞笏山金礦坍塌事故救援中，氣動(dòng)潛孔錘鉆至孔深521 m，偏斜7.3 m，采用泥漿螺桿定向鉆進(jìn)實(shí)施糾偏，完成剩余60 m 孔段施工，抵達(dá)井下巷道靶區(qū)[37]。

目前，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)軌跡監(jiān)測(cè)采用單點(diǎn)或多點(diǎn)測(cè)斜儀器進(jìn)行測(cè)量，停鉆測(cè)量輔助時(shí)間較長(zhǎng)。將 EMMWD 測(cè)斜儀器和氣動(dòng)潛孔錘結(jié)合，研究形成氣動(dòng)潛孔錘隨鉆測(cè)量技術(shù)，既可提高鉆速，又可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡，縮短了測(cè)斜輔助時(shí)間，提高整體施工效率。該技術(shù)的關(guān)鍵是解決了測(cè)斜儀器減震防護(hù)難題，主要從儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與孔底鉆具組合兩方面考慮，采取儀器外管增設(shè)扶正翼、設(shè)計(jì)鎖緊裝置和加接雙向減震器等3 項(xiàng)減震措施，實(shí)現(xiàn)了EM-MWD 測(cè)斜儀器和氣動(dòng)潛孔錘的匹配使用要求，所采用的鉆具組合為：氣動(dòng)潛孔錘+雙向減震器+抗震型 EM-MWD 電磁波隨鉆測(cè)斜儀(安裝在無(wú)磁鉆鋌內(nèi)) +普通鉆鋌+常規(guī)鉆桿[38]。

3 在礦山事故救援大直徑鉆孔中應(yīng)用

通過(guò)地面大直徑鉆孔營(yíng)救井下被困人員，國(guó)內(nèi)外目前已有3 起成功救援案例。在構(gòu)建救援孔過(guò)程中，無(wú)一例外均選用氣動(dòng)潛孔錘來(lái)提高施工效率，鑒于事故巷道埋深、上覆地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件的不同，采用了正循環(huán)、下排渣、反循環(huán)等鉆進(jìn)方法，下面分別闡述氣動(dòng)潛孔錘在這3 次成功救援案例的應(yīng)用情況。同時(shí)，總結(jié)了氣動(dòng)潛孔錘在多個(gè)代表性的礦山大直徑工程鉆孔施工中應(yīng)用情況。

3.1 氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

如何達(dá)到上返風(fēng)速不低于15.24 m/s 的安全排渣需求，是實(shí)施大直徑鉆孔氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)的關(guān)鍵。通常從兩方面考慮：一是增加空壓機(jī)數(shù)量，加大注氣量；二是設(shè)法減少上返排渣通道的尺寸。同時(shí)，正循環(huán)排渣注氣量遠(yuǎn)高于氣動(dòng)潛孔錘額定工作氣量，加接氣體分流短節(jié)可避免氣動(dòng)潛孔錘各部件的損壞。

1)在礦山事故救援中的應(yīng)用

2002 年7 月24 日，美國(guó)賓夕法尼亞州奎溪煤礦在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，臨近關(guān)閉廢棄礦井沙克斯曼煤礦的老空水突入掘進(jìn)巷道，造成9 名礦工被困于深度73 m的井下巷道。在地面救援過(guò)程中，利用阿特拉科普柯RD20 車載鉆機(jī)施工完成1 口大直徑救援孔，為了快速鉆穿巖層，配套?146 mm 鉆具、QL200S 潛孔錘、?760、?660 mm 鉆頭，以及6 臺(tái)空壓機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)工藝的施工。于2002 年7 月28 日，將9 名被困礦工全部營(yíng)救至地面[5，22]。

2)在礦山大直徑工程鉆孔的應(yīng)用

為了排除關(guān)閉礦井山西王臺(tái)鋪煤礦積水對(duì)臨近煤礦的安全隱患，設(shè)計(jì)了3 口終孔直徑650 mm、孔深205 m 的地面排水鉆孔[23]。

在二開鉆進(jìn)過(guò)程中，采用了氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝。由于?650 mm 孔徑大，正循環(huán)通道截面積過(guò)大，安全排渣需要300 m3/min 以上注氣量。為降低正循環(huán)通道截面積，減少所需排渣注氣量，采取了以下技術(shù)措施：在加接鉆桿時(shí)，同時(shí)套裝下入較大外徑的套管；高壓氣體由鉆桿中心通道注入，進(jìn)入氣動(dòng)潛孔錘內(nèi)部，工作后的廢氣由底部鉆頭排氣孔噴出，攜帶鉆頭破碎下的巖屑由環(huán)空上行，通過(guò)底部特殊裝置進(jìn)入鉆桿-套管的環(huán)狀間隙返回孔外；在孔口設(shè)置密封裝置，防止純氣體沿套管-孔壁的大環(huán)狀間隙上返；采用鉆具組合：?650 mm 氣動(dòng)潛孔錘+接頭+?203 mm 鉆挺+扶正器+?203 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿+方鉆桿，同時(shí)采用跟管鉆進(jìn)組合：?473 mm 伸縮管(外管直徑473 mm，內(nèi)管直徑406 mm) +?406 mm 套管。

通過(guò)以上技術(shù)措施，在氣體潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程中，所需排渣注氣量得到極大降低，注氣量120～180 m3/ min，轉(zhuǎn)速 25～35 r/min，鉆壓 50～100 kN，注氣壓力2～4 MPa，既滿足氣動(dòng)潛孔錘額定工作注氣量，也實(shí)現(xiàn)了良好的排渣效果。

3.2 氣動(dòng)潛孔錘下排渣鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

1)在礦山事故救援中的應(yīng)用

在2010 年8 月5 日，智利圣何塞銅礦地下300 m處發(fā)生塌方，33 名礦工被困井下。在救援方案B 中，利用雪姆T130XD 車載鉆機(jī)，在事先打通的一個(gè)直徑為140 mm 的搜救孔基礎(chǔ)上，采用?660 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘以正向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝施工大直徑救援孔，鉆具組合為：?660 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘+?175 mm雙壁鉆桿，主要鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)注氣量64 m3/min。應(yīng)用效果：完成孔深688 m 的大直徑救援孔施工，成功將井下被困人員營(yíng)救至地面[2，22]。

2)在礦山大直徑工程鉆孔的應(yīng)用

陜西省煤田地質(zhì)局在內(nèi)蒙古黃玉礦施工了1 口孔深335 m、終孔直徑690 mm 的地面大直徑排水孔[25]。

在二開巖石段導(dǎo)向孔施工完成后，利用反向下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工。事先將?690/254 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘運(yùn)輸至孔底，利用鉆機(jī)將?127 mm 鉆桿下至孔底與集束式氣動(dòng)潛孔錘連接，然后上提鉆具進(jìn)行反向擴(kuò)孔鉆進(jìn)。鉆具組合為：?690/254 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘+?250 mm 扶正器+?127 mm 鉆桿。主要鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)為：鉆壓20～40 kN，平均轉(zhuǎn)速8 r/min，注氣壓力1.2 MPa，注氣量64 m3/min。應(yīng)用效果：完成大地面大直徑排水孔的二開擴(kuò)孔鉆進(jìn)，擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率10 m/h。

3.3 氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

1)在礦山事故救援中的應(yīng)用

2015 年12 月25 日，山東平邑縣某石膏礦井下巷道發(fā)生坍塌事故，造成井下25 名人員被困。經(jīng)過(guò)多方合力救援，最終11 人獲救，其中4 人通過(guò)地面大直徑鉆孔獲救[3]。救援孔二開基巖段鉆進(jìn)使用寶峨RB T90 車 載鉆機(jī)，配套?710 mm 單體式氣動(dòng)潛孔錘、?219/150 mm 雙壁鉆具等，采用氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工。鉆進(jìn)至170 m 發(fā)生埋鉆事故，處理后下入?610 mm 鋼管。氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)采用的鉆具組合為：?710 mm 氣動(dòng)潛孔錘+正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭+多層橡膠密封器+雙壁扶正器+?219/150 mm 雙壁鉆桿。為了提高保直效果，在密封器上連接4 個(gè)?680 mm雙壁扶正器，長(zhǎng)度6 m 左右。

鉆進(jìn)時(shí)，控制注氣量50～65 m3/min、轉(zhuǎn)速10～15 r/min、注氣壓力1.5～1.6 MPa，同時(shí)通過(guò)注氣管路注入清水及潤(rùn)滑油，注入量60 L/min 左右。在實(shí)鉆過(guò)程中，反循環(huán)排渣效果良好，機(jī)械鉆速2.0～5.0 m/h。

2)在礦山大直徑工程鉆孔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

依托皖北煤電任樓礦地面注氮孔工程項(xiàng)目，配套TSJ2000 水源鉆機(jī)和2 臺(tái)空壓機(jī)，在二開擴(kuò)孔階段實(shí)施氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)。鉆遇地層巖性為以泥巖、砂巖和煤巖為主，含水層主要為二疊系煤系砂巖裂隙水。擴(kuò)孔鉆頭采用?580/216 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘，從?216 mm 導(dǎo)眼一次性擴(kuò)至?580 mm。鉆具組合為：?580/216 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿。主要鉆進(jìn)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速20～35 r/min，鉆壓10～30 kN，供氣量35～70 m3/min，供氣壓力2.1～2.8 MPa，孔口環(huán)空氣柱壓力調(diào)節(jié)范圍0～1.8 MPa，間歇式向孔內(nèi)補(bǔ)給清水。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)孔口節(jié)流控制環(huán)空氣體排放量，孔口環(huán)空氣柱壓力處于0.4～0.8 MPa 范圍時(shí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率較高，雙壁鉆具中心通道反循環(huán)氣力排水、排渣效果良好。從孔深304 m 擴(kuò)至孔深480 m，累計(jì)擴(kuò)孔進(jìn)尺176 m，按單根鉆桿統(tǒng)計(jì)的機(jī)械鉆速1.13～8.85 m/h，平均機(jī)械鉆速2.56 m/h。其中，304～368 m孔段的地層出水量較小，平均機(jī)械鉆速5.82 m/h，368～480 m 孔段的地層出水量逐漸增大，平均機(jī)械鉆速1.92 m/h。

3)在梅花井礦地面救援鉆孔示范項(xiàng)目中應(yīng)用

依托寧煤集團(tuán)梅花井礦地面救援鉆孔示范項(xiàng)目，配套ZMK5550TZJF50/120 型車載鉆機(jī)和4 臺(tái)空壓機(jī)，在二開擴(kuò)孔階段和透巷階段實(shí)施完成氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)試驗(yàn)。鉆遇地層為侏羅系的安定組、直羅組地層，巖性以砂巖、泥巖為主，粉砂巖具有崩解性，孔深57 m 以下地層滲水。

該氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)(圖6)由注氣管線、排渣管線、補(bǔ)水管線、氣體節(jié)流壓控管線、雙壁鉆具組合，以及孔口裝置等組成。該鉆井系統(tǒng)與以往氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆井系統(tǒng)相比，功能區(qū)別主要體現(xiàn)在兩方面，一是在孔口增設(shè)了氣體節(jié)流壓控管線，二是在雙壁鉆具組合上加接了雙壁止回閥短節(jié)。

圖6 孔底孔口聯(lián)合密封式反循環(huán)鉆井系統(tǒng)Fig.6 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole

氣體節(jié)流壓控管線由壓力儀表、截止閥門、氣體節(jié)流閥、氣體流量?jī)x表、高壓氣管組成，連接順序從孔口裝置近端至遠(yuǎn)端依次為：壓力儀表、截止閥門、氣體節(jié)流閥、氣體流量?jī)x表，以及高壓氣管；在孔口設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)儀表、氣體流量監(jiān)測(cè)和節(jié)流調(diào)控裝置，實(shí)現(xiàn)了地面監(jiān)測(cè)、切入干預(yù)、控制孔底多流道壓力平衡轉(zhuǎn)換的功能，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)壓力、流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制氣體節(jié)流裝置，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員遠(yuǎn)離孔口噪音源區(qū)，更具安全便捷性。

雙壁止回閥短節(jié)(圖7)主要由內(nèi)管、外管、以及處于內(nèi)外管環(huán)隙的單向流動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。設(shè)有多個(gè)雙壁止回閥短節(jié)的雙壁鉆具，可產(chǎn)生的有益效果主要有：在加接雙壁鉆桿期間，可使雙壁止回閥短接通下部的注氣流道內(nèi)，亦即雙壁鉆桿環(huán)狀間隙和氣動(dòng)潛孔錘腔體內(nèi)，穩(wěn)定可靠地保有多段高壓氣柱，有效防止含懸浮細(xì)巖粉的孔底渾水倒灌入注氣流道，從而避免細(xì)巖粉損傷氣動(dòng)潛孔錘內(nèi)部活塞、活塞桿等部件表面，避免細(xì)巖粉堵塞雙壁鉆桿環(huán)狀間隙，杜絕了非生產(chǎn)起鉆現(xiàn)象，提高了氣動(dòng)潛孔錘在含水復(fù)雜地層條件下的使用壽命。

圖7 雙壁止回閥短節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.7 Double wall check valve structure

在二開擴(kuò)孔時(shí)采用?830/345 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘，擴(kuò)孔鉆具組合為：?830/345 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm 雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿；在透巷時(shí)采用?580 mm 單體式潛孔錘，透巷鉆具組合為?580 mm 單體式潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm 雙壁止回閥短節(jié)+?178/113 mm 雙壁鉆桿。

主要鉆進(jìn)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速20～35 r/min，鉆壓10～30 kN，供氣量65～90 m3/min，供氣壓力2.1～2.9 MPa，孔口環(huán)空氣柱壓力調(diào)節(jié)范圍0～1.8 MPa，在57～181 m孔段利用BW 320 型泥漿泵向孔內(nèi)連續(xù)補(bǔ)給清水，補(bǔ)水量最大達(dá)到13.8 m3/h，其它試驗(yàn)孔段地層出水量較大，無(wú)需補(bǔ)給清水。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)孔口節(jié)流排放環(huán)空氣體使氣柱壓力處于0.4～0.8 MPa，反循環(huán)氣力排水、排渣效果良好。單米統(tǒng)計(jì)機(jī)械鉆速0.94～9.98 m/h，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h。

4 研究前景及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)之所以是礦山事故救援鉆孔施工首要考慮技術(shù)方案，這是因?yàn)榕cPDC 鉆頭或牙輪鉆頭這兩種常用類型鉆頭相比，氣動(dòng)潛孔錘是以高能沖擊破巖代替了切削破巖，以動(dòng)載沖擊代替了靜載研磨，以巖石體積破碎代替了研磨剪切破碎，應(yīng)用于鉆孔救援具有以下突出優(yōu)勢(shì)：

一是氣動(dòng)潛孔錘對(duì)救援鉆機(jī)能力要求相對(duì)要小。氣動(dòng)潛孔錘轉(zhuǎn)矩主要用于剪切相鄰沖擊坑間殘留的巖石脊峰，鉆壓只需克服沖擊器反彈力，如?800/216 mm集束式氣動(dòng)潛孔錘正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，所需轉(zhuǎn)矩8 kN·m，鉆壓15 kN。牙輪鉆頭和PDC 鉆頭這2 種常用類型鉆頭，若用于大直徑救援鉆孔巖層段擴(kuò)孔，從孔徑216 mm一次性擴(kuò)孔至孔徑800 mm，至少需要100 kN·m 以上極大轉(zhuǎn)矩和幾百千牛的極大鉆壓，現(xiàn)有車載式救援鉆機(jī)難以提供。

二是氣動(dòng)潛孔錘可顯著提高救援鉆孔硬巖段鉆進(jìn)效率。氣動(dòng)潛孔錘施工小直徑搜救孔，機(jī)械鉆速可達(dá)30 m/h 以上。氣動(dòng)潛孔錘施工大直徑救援孔和大直徑工程孔，正循環(huán)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速可達(dá)5 m/h，下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)機(jī)械鉆速可達(dá)10 m/h，反循環(huán)鉆進(jìn)機(jī)械鉆速3 m/h 以上。牙輪鉆頭和PDC 鉆頭施工大直徑工程孔，硬巖擴(kuò)孔平均機(jī)械鉆速0.8 m/h。

三是氣動(dòng)潛孔錘可減少大直徑救援鉆孔硬巖擴(kuò)孔次數(shù)。施工?800 mm 鉆孔的巖層孔段，氣動(dòng)潛孔錘可一次性擴(kuò)孔完成，牙輪鉆頭至少需要擴(kuò)孔2 次，PDC鉆頭至少需要擴(kuò)孔4 次才能完成。

4.2 存在問(wèn)題

將氣動(dòng)潛孔錘推廣應(yīng)用于礦山事故救援鉆孔、礦山地面工程鉆孔提升施工效率，經(jīng)過(guò)不斷深入研究與大量實(shí)踐已獲得顯著成效，然而也發(fā)現(xiàn)存在明顯技術(shù)短板。

以搜救孔為代表的小直徑鉆孔為例，當(dāng)目標(biāo)巷道埋深增加，鉆孔深度增加，鉆得快、鉆得準(zhǔn)兩者矛盾愈加突出，此時(shí)僅僅依靠調(diào)整鉆具組合和鉆規(guī)參數(shù)等保直鉆進(jìn)手段，很難直接命中靶區(qū)，但氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)與泥漿螺桿糾斜交替使用，起下鉆換鉆具時(shí)間長(zhǎng)，影響成孔效率，因此，研究氣動(dòng)潛孔錘定向糾斜鉆進(jìn)是最優(yōu)技術(shù)路徑和最佳選擇。然而，由于氣動(dòng)潛孔錘活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的沖擊加速度，沖擊能量以應(yīng)力波形式沿鉆具向上傳遞，鉆具會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的周期性振動(dòng)，螺桿鉆具和測(cè)斜儀器因振動(dòng)沖擊引起的交變應(yīng)力很容易導(dǎo)致?lián)p壞，嚴(yán)重制約了氣動(dòng)潛孔錘定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

成功用于大直徑救援鉆孔的氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)、下排渣、反循環(huán)等高效鉆進(jìn)技術(shù)，均需滿足嚴(yán)苛的適用條件。寧煤環(huán)安公司試驗(yàn)氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，配備了10 臺(tái)空壓機(jī)，采用?450、?660 mm 兩種規(guī)格集束式氣動(dòng)潛孔錘，最高機(jī)械鉆速達(dá)9 m/h，當(dāng)鉆至孔深27.3 m 時(shí)，地層出水，排渣困難，通過(guò)不斷增加空壓機(jī)增大注氣量，注入泡沫液提高攜屑能力，?450 mm集束式氣動(dòng)潛孔錘鉆至孔深39.59 m 出現(xiàn)錘頭斷裂現(xiàn)象，?660 mm 集束式氣動(dòng)潛孔錘累計(jì)鉆深152.59 m[39]?？梢姡瑲鈩?dòng)潛孔錘正循環(huán)在地面大直徑鉆孔中，所需排渣注氣量過(guò)大，尤其鉆遇富含水地層時(shí)進(jìn)尺困難，施工成本高，鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)大。

氣動(dòng)潛孔錘下排渣擴(kuò)孔鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速很高。然而，采用下排渣擴(kuò)孔需具備的前提條件有：井下巷道已形成，有完善的裝運(yùn)渣石和排水系統(tǒng)；地層結(jié)構(gòu)較完整穩(wěn)定，地層富水性弱，保證導(dǎo)向孔與井下巷道貫通后，進(jìn)入巷道的地層水量不能大于排水系統(tǒng)排水能力；如若無(wú)法滿足此條件，必須對(duì)所鉆地層實(shí)施帷幕灌漿或冷凍法進(jìn)行改性，達(dá)到下排渣擴(kuò)孔方法對(duì)地層條件的施工要求[40]。

氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐研究獲得極大進(jìn)展，最大孔深達(dá)到654.1 m。然而，多層橡膠片式孔底密封法氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)工藝，因其密封橡膠外徑略大于孔徑，在上部地層孔壁發(fā)生掉塊、縮徑時(shí)極易發(fā)生孔內(nèi)事故，2015 年山東平邑石膏礦坍塌救援的埋鉆事故正是此原因所導(dǎo)致[41]?？卓诳椎茁?lián)合密封式氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)工藝，優(yōu)點(diǎn)在于孔底密封結(jié)構(gòu)小于鉆孔孔徑，上部地層掉塊可以直接落至孔底被鉆頭再次破碎，安全性高，且可適用于出水量較小的含水層，提高了氣動(dòng)潛孔錘的地層適應(yīng)性[41]。但在任樓礦和梅花井礦的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)穿過(guò)含水層后，隨著孔底水柱高度的不斷增大，孔底背壓不斷增大，顯著降低了氣動(dòng)潛孔錘破巖效率，且孔底水柱高度會(huì)在加接雙壁鉆桿或停待期間不斷升高，再次啟動(dòng)空壓機(jī)注入高壓氣體時(shí)，在鉆前需先行反循環(huán)排水以降低孔底動(dòng)水位，此排水輔助時(shí)間隨著孔深的增加而明顯增長(zhǎng)，同時(shí)，孔內(nèi)排出大量地層水，使井場(chǎng)清運(yùn)成本明顯增加。

由此可見，現(xiàn)有氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)十分明顯，在孔壁穩(wěn)定、漏失地層、水敏性地層等情形下，可以獲取良好鉆效；在孔壁坍塌掉塊、流砂等力學(xué)不穩(wěn)定地層、高壓氣侵地層、大涌水量深孔時(shí)，難以獲取預(yù)期提速效果，必須轉(zhuǎn)換成泥漿護(hù)壁的常規(guī)鉆進(jìn)工藝。究其原因，現(xiàn)有氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)，無(wú)論是氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)、反循環(huán)、導(dǎo)眼下排渣、亦或跟管法，均屬于欠平衡鉆井技術(shù)范疇，無(wú)法平衡地層應(yīng)力，均屬于欠平衡鉆井技術(shù)范疇，還未能突破其自身技術(shù)局限性，在大多礦區(qū)深孔救援中難以應(yīng)用。

4.3 發(fā)展趨勢(shì)

截至2020 年底，我國(guó)地下煤礦4 600 余座，至2025年末井工煤礦數(shù)量將控制在4 000 座以內(nèi)；地下非煤礦山8 800 余座，占比非煤礦山總數(shù)量的23.4%[1，42-43]。數(shù)量龐大的井下礦山分布散、區(qū)域廣，地質(zhì)類型多、差異大，平均開采深度逐年向深部發(fā)展。深孔救援施工鉆遇流砂、砂礫松散、破碎裂隙等力學(xué)不穩(wěn)定地層，以及含水層、含高壓氣體的概率大增，礦井上覆地層含有上述各類復(fù)雜地層達(dá)到80%以上。加強(qiáng)礦山救援裝備現(xiàn)代化，提升應(yīng)急救援處置能力，仍將是我國(guó)礦山安全生產(chǎn)一項(xiàng)長(zhǎng)期的重要工作任務(wù)。

因此，面向深孔救援需求，針對(duì)現(xiàn)有氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)存在問(wèn)題，進(jìn)一步研究氣動(dòng)潛孔錘定向鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小直徑搜救孔氣動(dòng)潛孔錘的隨鉆測(cè)量與糾斜；開發(fā)大直徑救援鉆孔氣液雙循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，研制氣閉式循環(huán)潛孔錘及三壁鉆具系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓氣體獨(dú)立驅(qū)動(dòng)潛孔錘破巖，泥漿清排孔內(nèi)巖屑并保持孔壁穩(wěn)定，提高含水層深孔鉆進(jìn)能力，拓展氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)適用范圍，可極大提升我國(guó)礦山事故救援處置能力，尤其是地面鉆孔救援技術(shù)水平。

5 結(jié) 論

a.小直徑鉆孔在鉆探領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成孔技術(shù)相對(duì)成熟，在礦山事故救援時(shí)主要用于人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源等，為實(shí)現(xiàn)快速開孔和提高硬巖鉆效，通過(guò)不斷研究與實(shí)踐形成了氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)、氣動(dòng)潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進(jìn)、以及氣動(dòng)潛孔錘隨鉆測(cè)量鉆進(jìn)等高效鉆進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，結(jié)合一趟鉆PDC 鉆頭泥漿螺桿定向鉆進(jìn)，基本滿足深度600 m 以內(nèi)礦山事故救援小直徑鉆孔高效施工需要。

b.氣動(dòng)潛孔錘應(yīng)用于大直徑救援孔巖層段提高鉆效是目前普遍采用的技術(shù)思路，在研究實(shí)踐中也取得長(zhǎng)足進(jìn)步，形成了氣動(dòng)潛孔錘正循環(huán)、氣動(dòng)潛孔錘反循環(huán)、氣動(dòng)潛孔錘下排渣等多種高效鉆進(jìn)方法，在智利圣何塞無(wú)涌水地層中最大孔深達(dá)到688 m，在寧煤梅花井礦弱涌水地層(孔位靠近豎井井筒)最大孔深達(dá)到654 m。

c.就目前氣動(dòng)潛孔錘鉆井技術(shù)發(fā)展來(lái)看，無(wú)論是正循環(huán)、反循環(huán)、導(dǎo)眼下排渣、亦或跟管法，均屬于欠平衡鉆井范疇，在孔壁穩(wěn)定、漏失地層、水敏性地層等情形下提速明顯，具有顯著優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法適應(yīng)孔壁不穩(wěn)、流砂地層、深孔涌水、高壓氣侵等情形，因此建議開展大直徑鉆孔氣液雙循環(huán)的氣動(dòng)潛孔錘鉆井方法，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)潛孔錘平衡鉆井，突破此類地層對(duì)氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)推廣應(yīng)用的局限性，提高礦山深孔救援技術(shù)水平。