王艷麗，許劉萬，伍曉龍，殷國樂，陳浩文

(中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

0 引言

隨著煤礦和非煤礦山開采的不斷深入，礦井透水、礦井瓦斯問題已成為制約礦山開發(fā)的因素之一，雖然國家安監(jiān)局進(jìn)一步增強(qiáng)了應(yīng)對和防范礦山安全生產(chǎn)事故風(fēng)險和事故礦難的能力，事故發(fā)生率在逐年下降，但令人痛心的是有些事故初期礦井被困人員依然存活，這時就需要地面人員迅速提供通風(fēng)供氧、食物給養(yǎng)、施以救援，往往由于救援手段不足，效率低下，導(dǎo)致被困人員喪失生命。由此可見，地面快速垂直井救援技術(shù)是目前礦山事故救災(zāi)大家公認(rèn)的新技術(shù)，特別是智利礦難的完美救援對我國礦難救援工作起到了很大的推進(jìn)作用，之前被忽視的礦山救援快速鉆進(jìn)技術(shù)與工藝現(xiàn)在越來越引起這一領(lǐng)域人們的高度重視。為了使快速救援鉆進(jìn)技術(shù)水平有新的突破，就要為救援隊配備精良先進(jìn)的技術(shù)裝備和高效鉆進(jìn)工藝方法。這是促進(jìn)礦山安全及救援工作的基礎(chǔ)和不可缺少的手段，也是提高救援實戰(zhàn)能力的重要途徑。通過近年來我們從事的多工藝空氣高效鉆進(jìn)技術(shù)配套應(yīng)用實踐，該技術(shù)可在大口徑礦山搶險救援快速鉆進(jìn)中，實現(xiàn)快速透巷、快速施救、消除災(zāi)情、恢復(fù)生產(chǎn)，有力地提供了技術(shù)保證。

1 礦山應(yīng)急救援快速鉆進(jìn)技術(shù)對裝備的要求

礦山救援鉆進(jìn)裝備是指救援隊在垂直鉆井施工按照要求所選擇裝備的總稱。

1．1 鉆機(jī)

(1)深井鉆進(jìn)用的轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)，這類鉆機(jī)雖然主要用于油井、地?zé)峋㈨搸r氣井鉆進(jìn)，但在一些較深礦井救援方面也具有一定的優(yōu)勢，特別對于深井、超深井和高溫高壓井的鉆進(jìn)作業(yè)中發(fā)揮的作用更大。其優(yōu)越性為結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、堅固耐用、操作方便、安全密封性能可靠，在深井鉆探施工中鉆具可提立根，提下鉆輔助時間短，成本低。

(2)專用礦山搶險救援鉆機(jī)，這種鉆機(jī)除能滿足鉆進(jìn)成井速度快外，主要特點是全液壓動力頭式車裝，機(jī)動能力強(qiáng)和場地適應(yīng)性廣。只要接到緊急救援命令，行駛速度一般能夠達(dá)到100 km/h以上，開赴現(xiàn)場后可在最短時間內(nèi)實施救援任務(wù)。目前我國在礦山鉆進(jìn)救援方面還沒有專用的鉆機(jī)，只是根據(jù)救援井施工技術(shù)的要求如何達(dá)到快速、準(zhǔn)確、安全，相對其它類型的鉆機(jī)來選擇。目前在我國主要借鑒選用煤層氣鉆探領(lǐng)域進(jìn)口的美國雪姆鉆機(jī)系列、德國寶峨公司鉆機(jī)、瑞典阿特拉斯鉆機(jī)等，以及近年來國產(chǎn)化全液壓動力頭車裝鉆機(jī)。

對裝備的選擇要根據(jù)搶險救援井的具體要求來定，目的是要達(dá)到快速鉆進(jìn)的技術(shù)效果。有關(guān)參與搶險救援的鉆機(jī)如圖1～圖4所示。

圖1 雪姆T685WS型鉆機(jī)施工救援現(xiàn)場

圖2 意大利土力G55型鉆機(jī)施工救援現(xiàn)場

圖3 寶峨RB50型鉆機(jī)施工救援現(xiàn)場

1．2 空氣壓縮機(jī)

圖4 阿特拉斯RD20型鉆機(jī)施工救援現(xiàn)場

從國內(nèi)外礦山搶險救援鉆進(jìn)實踐經(jīng)驗看，氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)是救援井搶險被困人員，爭取搶奪救護(hù)時間，挽救人員生命快速鉆井作業(yè)的核心技術(shù)。而空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)是氣動潛孔錘鉆進(jìn)做功的動力源，是實現(xiàn)氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，所以對空氣壓縮機(jī)、增壓機(jī)的選擇配套就顯得尤為重要。一般要求空壓機(jī)性能必須能夠連續(xù)工作100 h以上，除滿足野外施工作業(yè)要求外，還要設(shè)備維修保養(yǎng)簡單，技術(shù)參數(shù)可同增壓機(jī)匹配實現(xiàn)正常工作。在這方面國內(nèi)外有幾種螺桿式空氣壓縮機(jī)可供選擇，增壓機(jī)多數(shù)選用阿特拉斯公司的產(chǎn)品，關(guān)于救援井氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)設(shè)備選擇，與水井、地?zé)峋?、煤層氣井和一些工程井基本相同，如圖5～圖10所示。

圖5 復(fù)盛埃爾曼PDSK1200S型空壓機(jī)

圖6 阿特拉斯XRVS1350型空壓機(jī)

圖7 壽力DLQ1250XHH/1525XH型空壓機(jī)

圖8 特沃特TWT1250XH型空壓機(jī)

圖9 韓國斗山XHP1170型空壓機(jī)

圖10 阿特拉斯40S系列增壓機(jī)

單臺空壓機(jī)輸出的最大工作壓力一般要＞2.4 MPa，風(fēng)量要＞30 m3/min，在鉆進(jìn)小徑時可按實際情況單臺并聯(lián)方式以及聯(lián)組一臺增壓機(jī)滿足要求，但礦山搶險救援井施工多為大口徑，而且井較深，特別是井內(nèi)有水時，背壓大，所要求輸出的空氣壓力可能超過了空氣壓縮機(jī)的額定壓力值，這時就要使用增壓機(jī)，加之單臺空氣輸出氣量也滿足不了需要的空氣量，這就要根據(jù)井徑、井內(nèi)水位等情況，配備多臺空氣壓縮機(jī)和增壓機(jī)以機(jī)組形式并聯(lián)使用，以滿足搶險作業(yè)需要。

2 礦山搶險救援鉆井施工方案

在礦山搶險救援施工中，為了快速準(zhǔn)確的鉆進(jìn)到預(yù)計孔位，盡快打通生命通道，贏得寶貴時間以挽救更多的生命。透水事故、瓦斯事故更多是要在最短的時間內(nèi)完成鉆孔抽水或排氣，送氧。從國內(nèi)外搶險救援快速鉆井總結(jié)的經(jīng)驗看，要想實現(xiàn)最快捷、最有效的救援施工，只有采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)方案。

具體步驟如下:

有關(guān)鉆井施工方案實施以及鉆具連接，需因地制宜配套。并要確定好被困人員的準(zhǔn)確位置，建立生命維持系統(tǒng)，為井下人員提供生命保障。

以煤層埋深300 m的礦井救援為例:鉆孔結(jié)構(gòu)第四系地層0～100 m使用1100 mm組合牙輪鉆頭泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，下入720 mm套管，100～300 m基巖地層使用311 mm做導(dǎo)向孔，然后氣動潛孔錘擴(kuò)孔到660 mm，下入550 mm救生艙救人，具體鉆孔結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 救生孔及救生艙示意圖

3 氣動潛孔錘快速鉆井技術(shù)

對于搶險救援快速鉆井技術(shù)而言，施工時要求快速、準(zhǔn)確、安全，不能對井下被困人員造成二次傷害。這樣快速鉆井采用何種工藝方法，以及沖洗介質(zhì)選擇也是救援井施工考慮的主要問題。通過國內(nèi)外救援的實際經(jīng)驗，證明氣體沖洗介質(zhì)是最佳的選擇，恰好氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)能滿足這一要求。隨著氣動潛孔錘快速成孔技術(shù)的迅速擴(kuò)展，近年來應(yīng)用到礦難救援工程方面，氣動潛孔錘鉆進(jìn)效率的確很高，但由于礦區(qū)地層情況一般比較復(fù)雜，加之鉆孔口徑較大，有時候還需要穿過采空區(qū)，鉆進(jìn)過程中難免會遇到許多技術(shù)難題，為解決好這些技術(shù)難題，工藝類型的選擇直接關(guān)系到快速鉆進(jìn)技術(shù)的實現(xiàn)。

從目前氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來看，潛孔錘按結(jié)構(gòu)形式可分為單體式、捆綁式，按排渣方式的不同可分為正循環(huán)和反循環(huán)。雖然工作原理和結(jié)構(gòu)性能有明顯的區(qū)別，但基本工作過程都是將錘頭和能產(chǎn)生沖擊作用的氣動沖擊器潛入孔底，沖擊器以壓縮空氣為動力不斷產(chǎn)生沖擊功和沖擊頻率直接傳給錘頭，并通過鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對巖石的破碎，沖擊器排出的氣體既冷卻錘頭又排出巖屑，從而實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)全過程。

3．1 正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)

轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)常用的鉆具配套為:水龍頭+主動鉆桿+單壁鉆桿+鉆鋌+潛孔錘;若用全液壓動力頭鉆機(jī)時，動力頭直接取代水龍頭和主動鉆桿，其余鉆具相同。但對于正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)來說，加大鉆桿外徑，有利于提高上返速度，在提高鉆速的同時又減少了孔的偏差。再是正循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)時安裝孔口旋轉(zhuǎn)密封裝置必不可少，它的作用是將鉆孔中隨高壓空氣返上地表的巖渣排放到指定位置，避免了巖渣、粉塵在孔口噴放，減少鉆進(jìn)現(xiàn)場和周圍環(huán)境的污染以及對施工人員和設(shè)備的危害。同時鉆進(jìn)過程中也應(yīng)注入泡沫劑，以利于潤滑鉆具、保護(hù)孔壁、提高攜帶巖渣的能力。適合不同規(guī)格主動鉆桿、外平鉆桿的孔口旋轉(zhuǎn)密封裝置如圖12所示。

3．2 反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)

圖12 適合不同規(guī)格主動鉆桿、外平鉆桿的孔口密封裝置

由于正循環(huán)氣動潛孔錘鉆遇破碎、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層，尤其鉆遇采空區(qū)時，氣體難以形成循環(huán)，易出現(xiàn)埋鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故。而反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)工藝則可克服這些難題，為搶險救援取得非常寶貴的時間。其工作原理是:壓縮空氣從氣水龍頭的氣室進(jìn)入，經(jīng)由雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿環(huán)狀間隙輸送到反循環(huán)氣動潛孔錘，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)施工。當(dāng)采用全液壓動力頭鉆機(jī)時，動力頭下部安裝一氣盒子，通過氣盒子的氣室將壓縮空氣經(jīng)雙壁鉆桿的環(huán)狀間隙，輸送到反循環(huán)氣動潛孔錘，實現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)工作過程。

這種鉆進(jìn)工藝最大的優(yōu)點是:排渣截面小，不受孔徑限制，上返風(fēng)速高，排渣干凈，不重復(fù)碎巖，鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長，從而節(jié)約了供風(fēng)量，減少了功率消耗和設(shè)備數(shù)量。同時也能有效地解決粉塵對環(huán)境和人員設(shè)備的危害，這已被生產(chǎn)實踐所證明。

為方便實現(xiàn)反循環(huán)氣動潛孔錘工藝，有直接采用捆綁式反循環(huán)氣動潛孔錘的(見圖13)，也有采用正循環(huán)氣動潛孔錘配套交叉接頭和封堵器的方法來實現(xiàn)的(見圖14)，均可達(dá)到反循環(huán)鉆進(jìn)的目的。

圖13 大口徑反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)示意圖

3．3 反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)對鉆機(jī)動力頭和雙壁鉆具的要求

從目前進(jìn)口的幾種全液壓動力頭鉆機(jī)以及國產(chǎn)的類似鉆機(jī)看，鉆機(jī)多數(shù)主要考慮正循環(huán)鉆進(jìn)為主，所以用于反循環(huán)鉆進(jìn)還需進(jìn)一步完善后方能滿足工藝的要求。存在的主要問題有:動力頭通孔小，巖屑上返阻力大，與大通孔鉆具不匹配。一般要求動力頭通孔、鵝頸管通孔應(yīng)大于配套的雙壁鉆具內(nèi)徑。另外，反循環(huán)鉆進(jìn)鵝頸管局部易磨損，建議鉆機(jī)鵝頸管增設(shè)可換窗口以降低成本，如圖15所示。

圖14 正循環(huán)氣動潛孔錘配套交叉接頭實現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)示意圖

圖15 鵝頸管可換窗口示意圖

另外，實現(xiàn)反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)，雙壁鉆具是關(guān)鍵，一是要求雙壁鉆桿外管必須采用石油摩擦焊方式，二是內(nèi)管的密封套除密封可靠、壽命長外，其材質(zhì)還要耐磨損，內(nèi)管同外管的固定要利于施工現(xiàn)場維護(hù)保養(yǎng)更換，施工單位工藝配套時要特別注意上述問題，多年來我們在科研成果轉(zhuǎn)化推廣過程中，為許多單位國內(nèi)外施工配套該技術(shù)，緊密結(jié)合生產(chǎn)實際已深有體會。因為反循環(huán)氣動潛孔錘鉆進(jìn)不同于氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)，前者在管內(nèi)上返的多為氣體、固體二相流，速度高于后者好幾倍，對內(nèi)管體來說損壞就快。氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)則為氣、液、固三相流，上返速度較低，相比較而言對內(nèi)管體磨損就小，相對內(nèi)管體壽命也長。

4 結(jié)語

加強(qiáng)應(yīng)急救援工作，不僅要有完善、精干、布局合理的救援隊伍，還要有先進(jìn)的應(yīng)急救援技術(shù)，以保障快速有效地?fù)尵缺焕藛T、恢復(fù)災(zāi)區(qū)生產(chǎn)，最大限度地減少人員和財產(chǎn)損失。大口徑礦山搶險救援快速鉆進(jìn)技術(shù)設(shè)備配套一定要滿足工藝方法要求。實踐證明，采用氣動潛孔錘正、反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，是一項行之有效的救援技術(shù)。尤其在正循環(huán)鉆進(jìn)無法實現(xiàn)時，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝技術(shù)能快速鉆進(jìn)成孔，為搶救井下礦工生命爭取了寶貴時間，大大減少了人員傷亡，取得的社會效益非常顯著。

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