郝世俊，莫海濤

地面大直徑應急救援鉆孔成孔工藝設計與分析

郝世俊1,2，莫海濤1,2

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

地面大直徑鉆孔可作為井下被困人員的逃生通道，是礦山事故造成人員被困井下時重要的應急救援方案之一。而常規(guī)大直徑工程孔以泥漿正循環(huán)、多級擴孔工藝為主成孔，無法滿足救援要求。著眼于大直徑孔救援逃生目的，闡明包括精準透巷、優(yōu)化孔身結(jié)構(gòu)、高效成孔和安全透巷等四項成孔工藝設計原則；以此為指導，針對覆蓋層鉆進、二開基巖層鉆進、下套管及固井具體施工情況，分析了全套管鉆進、導向孔下導管鉆進及集束式潛孔錘擴孔鉆進、浮力法下套管及內(nèi)插法固井等技術(shù)；借用巷道圍巖松動圈及塑性區(qū)成熟理論，視透巷鉆進所破壞的塑性區(qū)巖體為潛在垮落體，進行頂板穩(wěn)定校核，提出了安全透巷距離及位置等關(guān)鍵參數(shù)設計選取方法，為地面大直徑應急救援鉆孔施工提供技術(shù)支持。

大直徑鉆孔；應急救援；成孔工藝；安全；透巷

我國煤炭覆存條件普遍復雜，約90%的煤炭資源適合井工方式開采[1-2]，瓦斯、水害、頂板以及其他隱蔽致災因素為煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有條件下，單純從管理及技術(shù)層面，無法完全避免煤礦事故的發(fā)生[3]。根據(jù)煤礦事故統(tǒng)計和救援經(jīng)驗，在礦井發(fā)生事故第一現(xiàn)場遇難的人員占事故總死亡人數(shù)的30%左右，大多數(shù)是在事故發(fā)生后由于缺氧、有毒有害氣體、逃生路線阻斷等原因無法及時撤離到安全區(qū)域或升井而遇難[4-5]。因此，為最大限度減少礦井事故傷亡，在大力推進煤炭安全開采地質(zhì)保障技術(shù)的同時，更應防患于未然，積極開展應急救援體系建設，深入研究應急救援先進技術(shù)，在事故發(fā)生后能夠快速將受困人員撤離至安全區(qū)域或者升井。

開展煤礦應急救援先進技術(shù)研究，涉及諸多方面，其中地面大直徑救援鉆孔成孔工藝是重要內(nèi)容之一。煤礦區(qū)地面大直徑鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)地面與井下直接連通，作為連接通道除了可用于瓦斯排放、電纜鋪設、排水、通風、溜渣等方面以外，也可作為煤礦井下應急救援的重要逃生通道，實現(xiàn)井下被困人員快速升井的救援目的[6-7]。2015年12月25日，山東省平邑縣某石膏礦發(fā)生坍塌，在事故救援過程中，有4名礦工通過地面大直徑鉆孔升井獲救，開創(chuàng)了國內(nèi)利用地面大直徑應急救援鉆孔成功救人的先例[8]。據(jù)黃軍利[9]調(diào)研，國際類似的救援案例分別有：1955年德國Dahl Busch礦，3名礦工通過深42 m的大直徑鉆孔升井獲救；1963年德國Lengede Mathilde礦，11名礦工通過孔徑480 mm、深56 m的大直徑鉆孔升井獲救；1998年奧地利Lassing礦，救援鉆孔孔徑660 mm、深60 m，1名礦工獲救；2002年7月美國賓夕法尼亞州魁溪煤礦，9名礦工通過地面大直徑鉆孔從78 m井下獲救；2010年8月智利圣何塞銅礦發(fā)生井筒坍塌事故后，利用地面大直徑鉆孔作為逃生通道，將被困井下700多m的33名礦工救出。

近年來，地面大直徑鉆孔作為應急救援的通道，已受到礦山安全領域的廣泛關(guān)注。大直徑鉆孔傳統(tǒng)的以泥漿正循環(huán)為主的多級擴孔成孔工藝施工效率低，無法滿足救援要求。依托國家重點研發(fā)計劃項目課題“復雜地層地面大直徑救援井高效鉆進及安全透巷技術(shù)”，開展了基于地面大直徑鉆孔的應急救援先進技術(shù)研究，重點對礦山大直徑鉆孔高效、安全施工工藝開展了相關(guān)研究工作，并取得了階段性成果。

筆者作為項目研究的參與者，結(jié)合多年的實踐經(jīng)驗，對地面大直徑應急救援鉆孔成孔工藝設計進行總結(jié)分析，優(yōu)化關(guān)鍵成孔工藝及參數(shù)設計選取方法，為地面大直徑應急救援鉆孔施工提供技術(shù)支持。

1 大直徑救援鉆孔設計原則

地面大直徑鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)救援逃生目的基于兩方面條件：一是精準透巷，鉆孔精確鉆透被困人員所在巷道或避難硐室；二是鉆孔直徑足夠大，能夠滿足人員或救生艙通過要求。在此基礎上，按照“以人為本、安全優(yōu)先”的事故救援要求，作為應急救援的技術(shù)手段，鉆孔施工還必須遵循“高效、安全”的原則。所謂高效，是指從大直徑救援鉆孔整個成孔周期考慮，以最短的時間、最快的施工效率完成鉆孔施工，不能局限于局部孔段的快速鉆進；而安全則要求在救援鉆孔施工過程中，特別是透巷瞬間，不對井下有限空間內(nèi)的被困人員造成二次傷害。因此，大直徑救援鉆孔設計應著眼于成孔目的和施工原則，為優(yōu)快成孔提供指導。

1.1 精準透巷

被困人員所在巷道或避難硐室在平面尺寸上具有一定長度和寬度，以平面中心為目標靶點，精準透巷的基本要求是：寬度方向偏移量b≤/2，長度方向偏移量L≤/2。

1.2 優(yōu)化孔身結(jié)構(gòu)

在精準透巷的基礎上，為確保大直徑救援鉆孔通道穩(wěn)定，孔內(nèi)應下套管固井。兼顧透巷與固井要求，大直徑救援鉆孔一般采用三開孔身結(jié)構(gòu)設計，示意圖如圖1所示。地面開孔點一般選擇在井下巷道正上方，一開封固表土層，二開鉆進至巷道頂部，預留一定厚度巖層作為套管下放及固井支撐，三開裸眼鉆進與巷道連通。

圖1 大直徑鉆孔三開孔身結(jié)構(gòu)設計

結(jié)合救生艙結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]，滿足徑向通過尺寸要求的大直徑救援鉆孔終孔孔徑不宜小于580 mm。孔徑過大，鉆孔施工難度高，成孔效率低，因此，選定透巷時的鉆孔孔徑為580 mm。按照“由內(nèi)而外、從下至上”的順序，分別設計上部孔段的套管規(guī)格和孔徑。

套管規(guī)格選取上，雖然絲扣連接套管下放快捷、可靠性高，但目前API石油套管的最大外徑為508 mm[11]，不能滿足逃生通道的要求。大直徑救援鉆孔套管主要使用無縫管、螺旋管或直縫管，采用焊接方式連接下放。根據(jù)現(xiàn)有常規(guī)大直徑套管規(guī)格型號，可得孔身結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)。

表1 大直徑鉆孔三開孔身結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

1.3 高效成孔

優(yōu)快鉆進是高效成孔的重要技術(shù)手段。大直徑鉆孔碎巖面積大、環(huán)空間隙大，鉆遇地層包括厚度不等且松散破碎的覆蓋層及多類型、較堅硬的基巖層，地層特征復雜多變，以正向鉆進為主的地面大直徑救援鉆孔，須結(jié)合實際情況選擇合適的鉆進工藝。針對覆蓋層鉆進，應根據(jù)層厚、含水性等條件，結(jié)合大直徑樁基工程的先進經(jīng)驗，優(yōu)選鉆進工藝；針對基巖層鉆進，大直徑集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝是優(yōu)快鉆進的首選方案。

提高下套管、固井等作業(yè)效率也是高效成孔的重要組成部分。大直徑套管采用焊接連接方式，傳統(tǒng)的人工焊接勞動強度大、效率低，引進自動化焊接技術(shù)，采用大直徑套管焊接機器人可提高焊接效率和質(zhì)量；大直徑套管尺寸大、質(zhì)量大，提吊浮力法下套管和內(nèi)插法固井是大直徑鉆孔套管下放及固井的特有技術(shù)，利于套管安全下放并提高固井質(zhì)量[12]。

1.4 安全透巷

大直徑救援鉆孔施工過程及透巷瞬間，可能對井下被困人員造成二次傷害的主要危險源有：孔內(nèi)液體介質(zhì)(泥漿、水、水泥漿等)滲入或潰入、頂板破壞甚至冒頂。結(jié)合鉆孔施工工藝、巷道或避難硐室頂部支護及圍巖特征，為實現(xiàn)三開安全透巷，必須優(yōu)選安全透巷距離、透巷位置及透巷工藝。

①安全透巷距離 根據(jù)大直徑救援鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設計，三開鉆進為裸眼透巷；以逃生通道的安全性分析，透巷段裸眼長度越短越好。但透巷段長度越短，意味著二開底部與巷頂間的層厚越小，受擾動發(fā)生破壞的風險越高，漏失可能性增加，二開固井水泥漿上返對孔底巖層施加的激動壓力可能壓漏地層進入井下巷道或避難硐室，同時導致固井失敗，透巷后上部含水層水源不斷流入井下形成威脅。因此，在二開底部與巷頂之間，須預留一定厚度的巖層作為防漏安全支撐距離，以實現(xiàn)大直徑救援鉆孔施工安全。

② 安全透巷位置 從理論上講，大直徑救援鉆孔透巷瞬間，會造成頂板破壞甚至冒頂。根據(jù)巷道或避難硐室尺寸及頂部巖性特征，首選巷頂中心作為透巷點，校核大直徑孔透巷鉆進引起的頂板破壞情況；若從巷頂中心透巷引發(fā)頂板大面積垮塌，則透巷點向側(cè)幫偏移，優(yōu)選最佳透巷點，最大化降低頂板破壞程度及冒頂風險。以此為目標，兼顧透巷與頂板安全，須進一步提高軌跡控制精度，透巷點終孔靶心距1m。

③ 安全透巷工藝 三開透巷段鉆進施工前，將孔內(nèi)液體排出孔外；選擇氣體作為透巷鉆進循環(huán)介質(zhì)，整個透巷段采用空氣潛孔錘鉆進工藝，確保透巷瞬間，孔內(nèi)潰入井下液體介質(zhì)不致災。

2 覆蓋層優(yōu)快鉆進

覆蓋層主要指第四系、第三系松散土層、強風化層等，膠結(jié)性差、易破碎，局部或含礫石層。針對覆蓋層地質(zhì)特征，其優(yōu)快鉆進的要點在于一次性鉆進成大直徑孔，與樁基工程有類似之處[13-14]。樁基工程施工方法用于大直徑救援鉆孔覆蓋層施工的適用性分析見表2。

表2 樁工施工法適用性分析

2.1 工藝優(yōu)選

大直徑救援鉆孔覆蓋層施工主要選擇旋挖施工法和全套管鉆進工藝。

1) 挖施工法

旋挖施工法具有鉆進速度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點。旋挖法施工準備較為簡單，主要流程為：平整場地→測量定位→制作、埋設護筒→鉆機就位、安裝。選用大功率旋挖鉆機，可以較快的速度實現(xiàn)一次性大孔徑旋挖鉆進成孔，機械鉆速可達10.0 m/h。根據(jù)孔內(nèi)是否出水，旋挖施工法可分為干式旋挖和濕式旋挖。干式旋挖基于較好的施工條件可實現(xiàn)更高的施工效率，成孔性好。但大部分情況下，由于孔內(nèi)出水或者地表滲水，覆蓋層旋挖施工過程是濕式旋挖，需合理配置泥漿護壁。

在山東省平邑縣某石膏礦坍塌事故救援鉆孔施工中，采用旋挖法順利完成大直徑救援孔的開孔和覆蓋層孔段施工任務，為基巖層孔段鉆進創(chuàng)造了有利條件。覆蓋層孔段孔徑1 250 mm，孔深54 m，鉆孔垂直度滿足設計要求[15]。

2) 全套管鉆進工藝

全套管鉆進利用套管鉆機(全回轉(zhuǎn)鉆機或搓管機)對孔內(nèi)套管施加扭矩和垂直載荷，同時利用鉆掘機具(沖抓斗或旋挖鉆機)在套管內(nèi)部進行鉆掘取土，可實現(xiàn)一次性鉆進、下管、護孔，對卵礫石層、松散填土層乃至流沙層等各類復雜地層適應性強，是覆蓋層大直徑救援鉆孔施工的首選方案。鉆進主要流程為：全套管鉆機就位→回轉(zhuǎn)、下壓套管，進入地層→將套管內(nèi)土體挖出地面→重復上述工序，直至套管下入設計孔深。全套管鉆進工藝優(yōu)點在于：不使用泥漿，環(huán)保性好；不會產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，成孔質(zhì)量高；施工中可直觀判別地層及巖石特性，鉆進速度快，在一般土層中，施工效率可達14 m/h；成孔垂直度高，孔底位移與孔深比可達到1︰500。

在某大直徑樁基施工中，采用全套管鉆進工藝，完成直徑1.5 m、深38.5 m的灌注樁，耗時3 h，施工效率12.8 m/h[16]。

2.2 軌跡測量

當覆蓋層較厚、一開鉆孔較深時，為了確保精準透巷，必須精確測量鉆孔軌跡。而覆蓋層為了實現(xiàn)快速鉆進，其要點在于利用其松散破碎的地層特性，一次性鉆進大直徑孔并下套管封固，因此，鉆孔軌跡測量是在磁干擾環(huán)境下的鉆后測量，與常規(guī)小孔徑鉆孔隨鉆測量方法不同。

選用光纖陀螺測斜儀，在底部鉆具安裝外徑略小于套管內(nèi)徑的扶正器，可實現(xiàn)覆蓋層下套管后鉆孔軌跡測量。常用的光纖陀螺測斜儀主要參數(shù)見表3。

表3 光纖陀螺儀主要參數(shù)

3 二開基巖層鉆進

二開基巖層鉆進是大直徑救援鉆孔施工的重要階段，是關(guān)系成孔效率的主要因素。絕大多數(shù)情況下，二開孔段首先施工導向孔，再通過擴孔達到終孔孔徑。導向孔為大直徑救援孔精準透巷提供引導，擴孔達到救援通道通過尺寸要求。

3.1 導向孔下導管鉆進

導向孔鉆進的基本要求是精確定向和快速鉆進。在施工導向孔之前，大直徑救援鉆孔已完成一開覆蓋層孔段施工，因此，二開導向孔在基巖層的鉆進過程中，基于正循環(huán)的一開套管段排渣通道尺寸數(shù)倍大于導向孔段，導致上返流速驟降，極易造成沉砂卡鉆。反循環(huán)鉆進工藝可有效解決上述排渣問題，但該技術(shù)不能配套螺桿鉆具及隨鉆儀器進行精確定向鉆進，無法滿足精準透巷要求。采用下導管鉆進技術(shù)[17]，可有效解決導向孔循環(huán)通道不一致的問題。其技術(shù)原理示意圖如圖2所示。

圖2 導向孔下導管鉆進技術(shù)

首先在一開底部居中鉆進1~2 m導管底座并下入導管，簡易坐封后通過導管下鉆施工完成導向孔，提鉆并拔出導管，進行后續(xù)擴孔鉆進。

下導管鉆進具有快捷、經(jīng)濟、適用性強的特點。在下導管的基礎上，導向孔可選擇的精確快速鉆進方案主要有：“PDC鉆頭+螺桿馬達”復合鉆進技術(shù)；“空氣潛孔錘+E-MWD”鉆進技術(shù)。復合鉆進技術(shù)成熟、鉆效高；空氣潛孔錘可大幅提高機械鉆速，當孔深較淺、或鉆孔偏斜在可控范圍內(nèi)時可適用于救援鉆孔施工。

在彬長礦區(qū)相鄰3.6 km施工的兩個大直徑鉆孔，二開導向孔均采用“PDC鉆頭+螺桿馬達”復合鉆進技術(shù)，其中輔助實施下導管鉆進技術(shù)的導向孔平均機械鉆速比另一孔(未下導管)提高213%[17]。

3.2 集束式潛孔錘反循環(huán)擴孔鉆進

氣動潛孔錘鉆進利用壓縮空氣作為驅(qū)動介質(zhì)，以較大的沖擊功和高頻沖擊潛孔錘鉆頭，在鉆機回轉(zhuǎn)的帶動下，鉆頭低速回轉(zhuǎn)切削巖石，是一種高效鉆進工藝，在鉆進中硬–硬巖層時，效率更高。集束式氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝將潛孔錘快速鉆進技術(shù)和反循環(huán)高效排渣技術(shù)結(jié)合，從根本上解決了鉆進和排渣的兩個難題，是大直徑救援鉆孔快速鉆進的首選方案。集束式氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進示意圖如圖3所示。在導向頭的引導下，擴孔鉆進時由雙壁鉆桿環(huán)空壓入的空氣，通過配氣室后進入正循環(huán)單錘驅(qū)動鉆頭工作，巖屑通過排渣管進入雙壁鉆桿內(nèi)管上返[18]。

圖3 集束式氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進

在山西某礦大直徑救援孔施工過程中，采用?711/311 mm集束式氣動反循環(huán)潛孔錘及配套機具，在二開上石盒子組基巖段鉆進時，孔內(nèi)注氣量35~70 m3/min，轉(zhuǎn)速13~24 r/min，注氣壓力1.0~ 2.0 MPa，正常鉆進期間，形成了良好的反循環(huán)排渣效果，機械鉆速1.0~4.0 m/h，平均機械鉆速2.1 m/h。與同等條件下的泥漿正循環(huán)牙輪擴孔鉆進相比，鉆速提高1.6倍[19]。

4 下套管及固井

4.1 套管焊接與下放

1) 套管自動化焊接

傳統(tǒng)的人工焊接方式效率低、焊縫質(zhì)量參差不齊，不能滿足救援鉆孔的施工要求，采用大直徑套管焊接機器人，可提高套管焊接效率和質(zhì)量。

自動化焊接機器人在我國管道輸送行業(yè)中應用廣泛，技術(shù)成熟?？筛鶕?jù)大直徑救援鉆孔套管規(guī)格，改造匹配的焊接軌道，采用雙焊槍機器人自動焊接，單個焊縫焊接時間不超過10 min，且焊接過程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量可靠[20]。焊接完成后，采用手持超聲波焊縫檢測儀測試焊縫質(zhì)量，不足之處補焊。

2) 提吊浮力法下套管

根據(jù)大直徑救援鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，以二開?630 mm×15 mm為例，若下入深度為500 m，則套管總質(zhì)量為113.5 t，超出或接近鉆機的提升能力，直接提吊下套管法不可取。為了確保大直徑套管安全下放，采用提吊浮力法下套管[21]。技術(shù)原理如圖4所示。

T—提升力；F—浮力；GW—回灌泥漿重量；Gp—套管自重

由提吊浮力法原理可簡單計算得出，下入孔內(nèi)的?630 mm×15 mm套管所受浮力總是大于自重p，需向套管內(nèi)實時回灌一定量的泥漿(自重W)。套管下放過程中在鉛錘方向主要受4個力的作用：鉆機提升力、上浮力、套管自重p、回灌泥漿重力W。上浮力和自重p隨著套管下入長度(深度)增加而加大，回灌泥漿重力W可從井口調(diào)整，鉆機提升力不能高于其額定提升力max，且須保留一定的事故處理余量。

套管下放過程中的主要受力的關(guān)系為：

pW–≤max(1)

綜上，通過實時調(diào)整回灌泥漿量，可實現(xiàn)鉆機以較小的提升力下放套管。某大直徑電纜孔二開套管質(zhì)量81.1 t，超出鉆機額定提升力(60 t)，采用提吊浮力法下套管，通過合理控制回灌量，整個下放過程鉆機提升力≤270 kN，浮箍受壓≤3.65 MPa(額定抗壓20 MPa)，順利完成套管下放。

4.2 內(nèi)插法固井

提吊浮力法下套管中所使用的浮力塞結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

套管下放后，在鉆桿底部安裝匹配接頭居中下鉆并與內(nèi)插接頭密封連接，注水泥固井。為了提高大直徑救援鉆孔成孔效率，應縮短固井水泥凝固時間，可在水泥漿中添加2%~4% CaCl2。

圖5 浮箍、浮鞋結(jié)構(gòu)

5 透巷鉆進

5.1 安全透巷距離

井下巷道或避難硐室開鑿后，圍巖受到破壞，地層應力重新分布，在一定范圍內(nèi)存在圍巖松動圈和裂隙[22-23]；二開固井水泥漿上返過程中，激動壓力可能造成孔壁及孔底地層裂隙延展[24-25]。根據(jù)巷道圍巖松動圈理論、塑性區(qū)理論，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，可得巷道頂板裂隙發(fā)育高度1；根據(jù)地層破裂與壓裂增透相關(guān)理論，可預測在固井過程中，二開底部巖層裂隙可能延展的深度2；同時預留安全巖層厚度0(圖6)。

圖6 安全透巷距離分析

可得二開固井安全層厚：

5.2 安全透巷位置

井下巷道或避難硐室存在圍巖塑性區(qū)，塑性區(qū)的形成與擴展是巷道圍巖變形破壞的根本原因，其范圍直接決定了圍巖變形破壞程度[26-27]。在實際應用中，通常視塑性區(qū)為破壞區(qū)來研究地下工程中圍巖的穩(wěn)定性，揭示巷道冒頂機理必須掌握巷道圍巖的塑性區(qū)分布規(guī)律[28-29]。根據(jù)Mohr-Coulomb準則：

設最大圍壓與豎直方向夾角(順時針為正)為，最小與最大圍壓的比值為。通過數(shù)值模擬，可得巷道圍巖在原始地應力場、采掘應力場、支護應力場的復合應力場作用下圍巖塑性區(qū)分布范圍[30-31](圖7)。

圖7 圓形孔圍巖塑性區(qū)分布范圍

氣動潛孔錘透巷鉆進過程中，在臨近透巷和透巷瞬間，破壞了巷道圍巖塑性區(qū)支護作用，同時鉆進振動以及對巖體的鉆掘可能引起頂板破壞甚至冒頂。依據(jù)頂板穩(wěn)定的準則判別公式[32]：

根據(jù)圖7和式(4)可知：鉆孔從頂板不同位置透巷，所穿透破壞的塑性區(qū)巖體(潛在垮落體)體積和高度等均存在差別，由此引發(fā)的冒頂風險高低不一；同時，在臨近透巷過程中，孔壁受到鉆柱旋轉(zhuǎn)碰撞的徑向作用力，孔底受到潛孔錘一定沖擊頻率的軸向鉆壓，處于深部巷道圍巖特別是頂板的受力及變形發(fā)生變化，塑性區(qū)邊界也隨之改變。

因此，須根據(jù)頂板在原復合應力場作用下，大直徑孔從頂部不同位置透巷對頂板造成的新的應力及位移變化規(guī)律，綜合考慮劃定頂板塑性區(qū)邊界；將透巷鉆進所破壞的塑性區(qū)巖體視為潛在垮落體，校核頂板冒頂穩(wěn)定性及垮落風險，以確保頂板穩(wěn)定作為透巷位置的選取依據(jù)。

5.3 安全透巷鉆進工藝

三開鉆進前，一般采用泥漿循環(huán)方式掃掉二開套管底部浮箍、浮鞋，隨后采用氣舉法排掉孔內(nèi)泥漿，再使用?580 mm大直徑空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進直接透巷。透巷鉆進工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速20~30 r/min，鉆壓10~15 kN；空壓機額定風量≥30 m3/min，壓力3.0 MPa。

根據(jù)上述安全透巷位置的分析結(jié)果，當使用?580 mm空氣潛孔錘在不同位置透巷均存在垮落風險時，需考慮多級擴孔工藝，以降低頂板破壞風險。

6 結(jié)論

a．地面大直徑應急救援鉆孔作為事故發(fā)生后井下被困人員的逃生通道，是煤礦區(qū)應急救援體系建設的重要組成部分，鉆孔設計與施工應遵循“精準透巷、優(yōu)化孔身結(jié)構(gòu)、高效成孔、安全透巷”等4個原則。

b．針對覆蓋層松散破碎的地層特征，以一次性鉆進成大直徑孔并下管封固為目標，分析了旋挖施工法和全套管鉆進工藝的優(yōu)勢，可快速完成覆蓋層孔段施工。

c．集束式氣動潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝將高效碎巖與排渣技術(shù)結(jié)合，從根本上解決了硬巖層大直徑孔鉆進和排渣的兩個難題，是大直徑鉆孔快速鉆進的關(guān)鍵技術(shù)。

d．精準、安全透巷要求應貫穿于地面大直徑應急救援鉆孔施工全過程，精準透巷是基礎，安全透巷則提出更高要求；論文分析了安全透巷的設計方法，為實現(xiàn)安全透巷鉆進提供理論依據(jù)。

e．滿足應急救援要求的地面大直徑鉆孔成孔技術(shù)要求高、難度大，是目前大直徑鉆孔鉆進的先進技術(shù)，還需在理論上不斷提高認識，在實踐中繼續(xù)完善工藝，通過大力推廣應用，帶動煤礦區(qū)地面大直徑鉆孔成孔技術(shù)與裝備發(fā)展。

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Design and analysis of hole-forming technology for surface large diameter emergency rescue borehole

HAO Shijun1,2, MO Haitao1,2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

Surface large diameter borehole can be used as the escape channel for trapped people underground, and it is one of the important emergency rescue plans when mine accidents cause people trapped underground. However, the conventional large-diameter engineering hole is mainly formed by mud positive circulation and multi-stage reaming, which can not meet the rescue requirements. Focusing on the purpose of rescue and escape of large-diameter hole, this paper expounds the hole forming technology design principles including accurate connecting roadway, optimization of borehole structure, high-efficiency hole forming and safety connecting roadway. According to the specific construction conditions of overburden drilling, second foundation rock drilling, casing running and cementing, the paper analyzes the technologies of full casing drilling, pilot hole pipe-guide drilling , cluster DTH hammer reaming drilling, buoyancy casing running and interpolation cementing. Using the theory of loose zone and plastic zone of roadway surrounding rock to check the roof stability with considering that the rock mass in the plastic zone destroyed by the through tunnel drilling is a potential caving body. Then, the design and selection method of key parameters including safe through roadway distance and position are proposed, which could provide technical support for the construction of surface large diameter emergency rescue borehole.

large diameter; emergency rescue; hole-forming technology; safe; connecting roadway

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TD231

A

1001-1986(2021)01-0277-08

2020-11-22；

2021-01-11

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0808202)

郝世俊，1970年生，男，內(nèi)蒙古涼城人，博士，研究員，博士生導師，從事煤礦區(qū)鉆探工藝開發(fā)研究與推廣應用工作. E-mail：haoshijun@cctegxian.com

郝世俊，莫海濤. 地面大直徑應急救援鉆孔成孔工藝設計與分析[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：277–284. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.031

HAO Shijun，MO Haitao. Design and analysis of hole-forming technology for surface large diameter emergency rescue borehole[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：277–284. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.031

(責任編輯 聶愛蘭)