礦山救援地面生命保障孔高效成孔關(guān)鍵技術(shù)

張 彪，康玉國(guó)，黃 勇，張 明，周 光，任英舉，劉建林，高 科，趙 研

(1.北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040；2.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040；3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011；4.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；5.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061)

地面生命保障孔是發(fā)生瓦斯爆炸、巷道坍塌及透水等礦山災(zāi)害事故后，開展地面應(yīng)急救援施工的第一條通道，肩負(fù)搜尋人員、提供給養(yǎng)、維持生命的責(zé)任[1-4]，為后續(xù)大直徑井救援和巷道救援施工贏得時(shí)間與空間[5-6]。近年來，地面生命保障孔作為應(yīng)急救援體系建設(shè)不可或缺的重要一環(huán)，受到礦山安全領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。國(guó)際上現(xiàn)已有多個(gè)鉆孔救援成功案例，如2002 年美國(guó)賓夕法尼亞州魁溪煤礦事故救援、2010 年智利圣何塞銅礦事故救援，均采用搜救孔探生、大直徑救生孔提升等方式，分別挽救9 名和33 名礦工生命[7]。在中國(guó)，2004 年4 月21 日，河南省鄭煤集團(tuán)超化煤礦透水事故中，利用生命保障孔與被困人員取得聯(lián)絡(luò)，并投送給養(yǎng)，通過井下巷道掘進(jìn)成功救援12 名礦工；2015年12 月25 日，山東平邑石膏礦發(fā)生坍塌事故，施工的4 個(gè)生命保障孔中有2 個(gè)探測(cè)到生命信息，在維持被困人員生命體征的同時(shí)，通過大直徑救援施工挽救人員4 名，奠定了國(guó)內(nèi)“小直徑生命保障孔＋大直徑救援井+提升技術(shù)裝備”的地面救援模式；2020 年1 月10 日，山東棲霞笏山金礦發(fā)生爆炸坍塌事故，利用地面生命保障孔與井下580 m 處的11 名礦工取得聯(lián)系，并輸送給養(yǎng)藥品，事故發(fā)生14 d 后，被困礦工通過回風(fēng)井筒逃生獲救[8-9]。

生命保障孔施工的核心任務(wù)是快速安全鉆進(jìn)和精準(zhǔn)透巷，目前常用鉆孔救援技術(shù)還無法滿足全時(shí)空、多場(chǎng)景救援要求，存在的主要問題有：深厚覆蓋層施工中過度依賴泥漿正循環(huán)、空氣潛孔錘工藝，面對(duì)惡性漏失、坍塌卡鉆等情況時(shí)，存在一次堵漏難度大且易發(fā)生井下事故等問題；強(qiáng)富水含水層及裂隙發(fā)育層等復(fù)雜地層施工中，泥漿正循環(huán)、空氣潛孔錘、空氣泡沫等單一工藝適應(yīng)性差，起下鉆趟數(shù)多、切換工藝耗時(shí)長(zhǎng)，整體施工效率低；軌跡控制方面以鐘擺鉆具組合、滿眼鉆具組合及塔式鉆具組合等為主的防斜打直技術(shù)，在高造斜力地層中效果差，且不具備糾斜能力，透巷精度難以保障，VertiTrak、VDS 等自動(dòng)垂鉆系統(tǒng)防斜打直效果好，但工藝復(fù)雜、造價(jià)昂貴而難以推廣[10-11]；以旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、地質(zhì)導(dǎo)向?yàn)橹鞯亩ㄏ蛐本刂萍夹g(shù)，在石油天然氣、煤層氣開發(fā)等領(lǐng)域應(yīng)用成熟，實(shí)現(xiàn)了L 型井、V 型井、U 型井、多分支井等復(fù)雜井型的施工[12]，軌跡調(diào)整時(shí)鉆速會(huì)大大降低，中靶精度較差，多大于2.0 m。

針對(duì)以上問題，筆者依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“地面生命保障孔精準(zhǔn)定位及快速成孔技術(shù)”，開展了基于生命保障孔成孔的應(yīng)急救援先進(jìn)技術(shù)研究，圍繞快速與精準(zhǔn)兩條主線，以高效安全成孔為目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)復(fù)雜條件下快速鉆進(jìn)、孔身軌跡控制等方面開展深入研究，優(yōu)化成孔關(guān)鍵技術(shù)和施工工藝，形成地面生命保障孔高效成孔技術(shù)體系，并將技術(shù)成果在示范工程和救援現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。

1 生命保障孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

地面鉆孔構(gòu)建井上下生命保障通道，基于2 個(gè)條件：一是在被困人員具備生命體征期間，能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)透巷；二是成孔后能夠滿足信息搜尋、給養(yǎng)輸送等條件。因此，地面生命保障孔設(shè)計(jì)應(yīng)著眼于成孔目的和成孔效率[13-14]。

1.1 孔型選擇

垂孔型為大多數(shù)救援現(xiàn)場(chǎng)首選，在地面施工條件差或有井下需要繞障時(shí)，宜選擇定向孔型?，F(xiàn)有信息偵測(cè)設(shè)備和給養(yǎng)物資主要依靠重力下放，因此，全孔段孔斜角不宜超過30°。定向孔型剖面軌跡目前主要有3 種：三段制“直—增—穩(wěn)”孔型軌跡造斜段短、施工操作方便；四段制“直—增—穩(wěn)—降”孔型軌跡在起鉆時(shí)容易出現(xiàn)鍵槽，加大下鉆摩擦力，造成卡鉆事故，或形成巖屑床導(dǎo)致埋鉆；五段制“直—增—穩(wěn)—降—直”孔型軌跡在靶點(diǎn)呈垂直狀態(tài)，易于套管、探測(cè)設(shè)備及給養(yǎng)下放。其中，三段制、五段制在現(xiàn)場(chǎng)最為常用，四段制一般不適用。

1.2 孔身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

生命保障孔孔徑越大，施工難度越高，成孔效率越低。基于快速救援的要求，生命保障孔終孔時(shí)裸孔直徑一般小于216 mm，結(jié)合信息偵測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，滿足徑向通過尺寸要求的生命保障孔終孔孔徑不宜小于150 mm。

生命保障孔裸眼鉆進(jìn)結(jié)束后，必須下入套管固井，以確保搜救通道穩(wěn)定，便于設(shè)備物資投放。為減少多次更換鉆具組合、下套管及固井等作業(yè)消耗時(shí)間，在滿足安全鉆進(jìn)的前提下，井身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，孔身一般采用三開結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。一開以封固表土層為目的，一般進(jìn)入基巖層以下2 m 左右，表層套管底部綁縛麻繩下至井底，套管與井壁環(huán)空用棉絮、碎布等填實(shí)，免固井直接進(jìn)入下一開段；二開為基巖段鉆進(jìn)，鉆至距巷道頂部10～15 m 處停鉆，下套管固井；三開為裸眼透巷段，為防止透巷時(shí)孔內(nèi)液體潰入巷道，對(duì)被困人員造成二次傷害，透巷前須吹干孔內(nèi)液體，采用空氣鉆進(jìn)工藝透巷[15]。

圖1 生命保障孔常用孔身結(jié)構(gòu)Fig.1 Well bore structure of life support hole

2 生命保障孔快速安全鉆進(jìn)技術(shù)

救援區(qū)地層特征復(fù)雜多變，面對(duì)松散破碎的覆蓋層及多類型、軟硬夾雜的基巖層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)針對(duì)各類地層的特性，全方位、多層次的優(yōu)選鉆進(jìn)工藝及配套設(shè)備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層的快速精準(zhǔn)鉆進(jìn)。

2.1 深厚覆蓋層鉆進(jìn)

覆蓋層一般為新生代第四紀(jì)淤泥土、殘破積土及砂礫石層等，鉆進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)惡性漏失、井壁坍塌及埋鉆等事故，針對(duì)深厚覆蓋層地質(zhì)特征，提升高壓射流與潛孔錘跟管鉆進(jìn)能力，以解決深厚覆蓋層快速安全鉆進(jìn)難題。

2.1.1 高壓射流鉆進(jìn)技術(shù)

高壓射流依靠機(jī)械破巖+水力作用實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)[16]，高壓射流的水力沖刷和漫流作用能有效凈化井底，避免巖屑重復(fù)切削和緩解井底壓持效應(yīng)，與此同時(shí)，在鉆頭機(jī)械作用和高速射流共同作用下，巖石內(nèi)部擴(kuò)張力增加，水力劈解作用促使井底巖石表面提前破碎，最終實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。以往多應(yīng)用于硬巖層鉆進(jìn)，研究認(rèn)為在鉆遇土體為主的覆蓋層時(shí)，常規(guī)泥漿鉆進(jìn)容易產(chǎn)生泥包、堵塞水眼現(xiàn)象，高壓射流鉆進(jìn)技術(shù)可利用高速水力能量迅速破壞土體結(jié)構(gòu)，同時(shí)沖刷鉆頭，避免發(fā)生事故，提高鉆進(jìn)效率。

鉆頭結(jié)構(gòu)能夠改善和強(qiáng)化射流水力特性，是提高射流鉆進(jìn)能力的關(guān)鍵因素，其中噴嘴直徑和位置對(duì)鉆效的影響最明顯，噴嘴數(shù)量與直徑的確定與選擇，采用以下公式[17]：

式中：d為噴嘴直徑，mm；p為噴射壓力，MPa；q為噴射流量，L/min；n為噴嘴數(shù)量；η為噴嘴效率系數(shù)，取1.05～1.10。

根據(jù)射流鉆頭優(yōu)化原理，設(shè)計(jì)一種三翼刮刀噴射鉆頭(圖2)，有3 個(gè)噴嘴通道及噴嘴，每個(gè)噴嘴通道中軸線與接頭體中軸線成30°，3 組共15 個(gè)截齒相互交錯(cuò)分布，無死角切削地層；高壓鉆井液從噴嘴中噴出沖擊地層，先行水力切割地層便于截齒切削，并沖刷截齒；保護(hù)套起到扶正器作用。

圖2 三翼刮刀噴射鉆頭Fig.2 Three-wings scraper jet bit

在河北峰峰礦區(qū)高壓射流鉆進(jìn)先導(dǎo)性試驗(yàn)中，采用?445 mm(3 個(gè)?6 mm 噴嘴)三翼刮刀噴射鉆頭及配套機(jī)具，在第四紀(jì)黏土、砂質(zhì)黏土組成的覆蓋層中鉆進(jìn)時(shí)，泵壓2.41～4.42 MPa，排量740～920 L/min，轉(zhuǎn)速20～40 r/min，鉆壓20～40 kN。鉆進(jìn)期間安全高效，進(jìn)尺28.2 m，機(jī)械鉆速30.0～63.8 m/h，平均機(jī)械鉆速47.38 m/h，與同等條件下的泥漿正循環(huán)牙輪鉆頭鉆進(jìn)相比，鉆速提高2 倍以上。

2.1.2 空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)

空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)以壓縮空氣為動(dòng)力，跟管鉆具在潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，實(shí)現(xiàn)套管同步跟進(jìn)。配套部件主要由氣動(dòng)沖擊器、偏心跟管鉆頭、套管及套管靴等組成，配套使用外平鉆桿。鉆進(jìn)步驟為：開孔→跟管鉆進(jìn)、鉆出大于套管外徑的孔→強(qiáng)吹孔排屑→鉆至預(yù)定孔深→反轉(zhuǎn)收斂偏心滑塊跟管鉆頭→提鉆、套管留在孔內(nèi)，如圖3 所示。

圖3 空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)Fig.3 Schematic diagram of air DTH hammer following pipe drilling

空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)將裸眼高效鉆進(jìn)和下套管兩個(gè)接續(xù)步驟同步進(jìn)行，有效縮短了起下鉆具和套管下入作業(yè)時(shí)間。鑒于救援鉆孔開孔多為第四紀(jì)地層，采用常規(guī)鉆探工藝，安全系數(shù)低、施工速度慢，如遇卵礫石、厚砂層、縮徑地層等，成孔及下套管難題。應(yīng)用空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)能夠解決覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)巖屑無法上返、地層坍塌及裸眼鉆進(jìn)完成后套管無法下入等難題，具有干式鉆進(jìn)、綜合鉆進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[18]?？諝鉂摽族N跟管鉆進(jìn)技術(shù)受孔壁與套管間摩擦阻力的約束，適用于200 m 以淺的松散破碎復(fù)雜地層中鉆進(jìn)。

在河北峰峰礦區(qū)空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)先導(dǎo)性試驗(yàn)中，采用?300 mm 氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆具，在第四紀(jì)卵礫石、流砂層組成的覆蓋層中鉆進(jìn)時(shí)，空氣壓力1.75 MPa，空氣排量41.3 m3/min，鉆壓1.5～15.5 kN，轉(zhuǎn)速33～46 r/min，施工進(jìn)尺20 m，成孔安全高效，平均成孔速度13.33 m/h，相比于同等條件下常規(guī)鋼牙輪正循環(huán)鉆進(jìn)后下入套管，成孔速度提高2.3 倍以上，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 峰峰礦區(qū)常規(guī)鉆進(jìn)與跟管鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of test results between conventional drilling and pipe following drilling in Fengfeng mining area

2.2 復(fù)雜基巖層鉆進(jìn)

基巖層鉆進(jìn)是生命保障孔施工的主要任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)高效成孔的關(guān)鍵階段?；鶐r層施工須根據(jù)救援區(qū)地層層厚、巖性、富水性等條件，優(yōu)選施工工藝，做到一孔一工藝[19-20]。

2.2.1 復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)

復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)采用泥漿為循環(huán)介質(zhì)，在動(dòng)力頭和液動(dòng)螺桿動(dòng)力鉆具聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，適用于大多數(shù)地層，可應(yīng)用于多種井型的施工，是應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)最常用鉆進(jìn)技術(shù)，“一趟鉆”指的是一套鉆具組合打完一個(gè)開段。因此，在復(fù)合鉆進(jìn)工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”成孔，對(duì)72 h 黃金救援時(shí)間內(nèi)高效成孔意義重大。

復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)研究主要從4 個(gè)方面展開：一是優(yōu)化PDC 鉆頭，提高破巖效率，優(yōu)化步驟為地層巖石力學(xué)分析→力平衡分析→水馬力優(yōu)化→流體優(yōu)化→制作高效PDC 鉆頭；二是采用最大鉆頭水功率方法進(jìn)行水力參數(shù)優(yōu)選，提高螺桿工作效率；三是優(yōu)化鉆井液體系，保證泥漿具有良好的防塌、防漏等性能前提下，盡可能使用常見、方便配置的泥漿材料；四是優(yōu)化鉆具組合，在滿足有效控制井眼全角變化率及井斜角的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化鉆具組合，形成復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)組合。技術(shù)組合如圖4 所示。

圖4 復(fù)合“一趟鉆”提速增效鉆進(jìn)技術(shù)組合Fig.4 Combination of compound drilling technology,one trip drilling speed increase and efficiency increase drilling technology

國(guó)家礦山應(yīng)急救援大地特勘隊(duì)在山西新元煤礦利用煤層氣鉆井項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)急救援演練，采用復(fù)合一趟鉆提速增效技術(shù)組合，以T200 車載鉆機(jī)和TBW850泥漿泵為主要設(shè)備，以1.5°單彎螺桿+優(yōu)化PDC 鉆頭為主要鉆具組合，使用膨潤(rùn)土+纖維素+隨鉆堵漏劑鉆井液體系，克服二開全孔段鉆井液漏失難題，實(shí)現(xiàn)二開基巖層“一趟鉆”完鉆，鉆孔深度644.50 m，成孔孔徑215.9 mm，用時(shí)55.75 h，平均鉆速11.56 m/h，對(duì)應(yīng)急救援演練在72 h 內(nèi)高效成孔起到了關(guān)鍵作用。

2.2.2 空氣潛孔錘“一趟鉆”提速增效技術(shù)

空氣潛孔錘鉆進(jìn)以壓縮空氣為動(dòng)力，在氣動(dòng)沖擊器和轉(zhuǎn)盤(動(dòng)力頭)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，適用于硬巖層。在硬巖層鉆進(jìn)時(shí)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)泥漿鉆進(jìn)，鉆遇破碎帶、軟塑性強(qiáng)、富水性好的復(fù)雜地層時(shí)，破巖效果和護(hù)壁穩(wěn)定性較差，鉆進(jìn)效率大大降低。對(duì)沖擊動(dòng)載碎巖機(jī)理和沖擊載荷作用下孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，改進(jìn)、提升沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝在易碎、軟塑性、強(qiáng)富水含水層軟巖等復(fù)雜地層中施工能力，能夠?yàn)閺?fù)雜地層空氣潛孔錘工藝“一趟鉆”成孔創(chuàng)造條件[21-23]。

為揭示沖擊破巖機(jī)理，模擬易碎、軟塑性、強(qiáng)富水含水層等復(fù)雜地層，開展室內(nèi)試驗(yàn)。研究表明：載荷作用下巖體的損傷演化分為初期零星損傷、損傷穩(wěn)定增長(zhǎng)、損傷快速增長(zhǎng)、大裂紋貫穿整個(gè)巖體4 個(gè)階段，如圖5 所示。在加載過程中，鉆頭棱角處周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋增殖、擴(kuò)展，最終通過大裂紋連通，從而造成試樣破壞；軟塑性巖體應(yīng)用小沖擊功、高頻沖擊利于提高鉆進(jìn)效率，巖體軟塑性的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致大部分沖擊功轉(zhuǎn)換為軟巖的塑性應(yīng)變能，不利于破巖；巖體在飽水情況下，抵抗球齒壓入能力更加弱化，在沖擊作用下易在側(cè)方發(fā)生剪切破壞；動(dòng)載荷相比于靜荷載作用，破巖效果更好；節(jié)理的存在改變了裂紋擴(kuò)展方向，巖體越破碎，破巖效果越明顯。

圖5 定速度下非飽水試樣破巖過程接觸應(yīng)力分布Fig.5 Distribution diagram of contact force in rock breaking process of non-saturated specimens at constant speed

通過孔壁失穩(wěn)試驗(yàn)可以看出：鉆進(jìn)孔壁附近均存在應(yīng)力集中且存在載荷一側(cè)最先出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時(shí)孔壁左右應(yīng)力差最大，方向基本為水平方向，極易發(fā)生剪切破壞，如圖6a 所示。從鉆頭貫入過程中最先在接觸面上形成細(xì)小的擠壓張裂隙與剪切裂隙，接著裂隙向應(yīng)力集中部位發(fā)展，在集中應(yīng)力的作用下鉆頭侵入對(duì)角處發(fā)育長(zhǎng)裂隙，在應(yīng)力差作用下向鉆孔側(cè)壁發(fā)育橫向裂隙，如圖6b 所示。當(dāng)孔壁軟巖體的變形程度不能及時(shí)適應(yīng)軟巖體應(yīng)力重分布的過程時(shí)，孔壁失去抵抗變形的能力而失穩(wěn)，鉆孔發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞。綜合試驗(yàn)成果揭示出孔壁失穩(wěn)機(jī)理：孔壁失穩(wěn)主要是由于孔壁軟巖體自身強(qiáng)度不能滿足其應(yīng)力變化過程而發(fā)生拉張破壞，與孔壁巖體所處的原巖應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)；應(yīng)力集中是裂紋增殖擴(kuò)展的關(guān)鍵[24]，三角形鉆頭的破巖效果最好；沖擊幅值過大會(huì)造成軟巖壓實(shí)，對(duì)于提高軟巖破巖深度和破巖效率不明顯，且“擴(kuò)徑”作用明顯，不利于孔壁穩(wěn)定。

圖6 孔壁失穩(wěn)模型應(yīng)力矢量與位移變化Fig.6 Contact force vector and displacement variation of hole wall instability model

沖擊破巖機(jī)理與孔壁失穩(wěn)機(jī)理為復(fù)雜地層空氣潛孔錘碎巖工具改進(jìn)和鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化提供理論參考，為空氣潛孔錘高效碎巖齒的研制提供了理論依據(jù)。山東棲霞笏山金礦4 號(hào)生命保障孔，針對(duì)破碎帶發(fā)育、花崗巖層硬度高、礦井涌水量較大等復(fù)雜條件，應(yīng)用空氣潛孔錘“一趟鉆”提速增效鉆進(jìn)技術(shù)，配備三角形齒潛孔錘頭，沖擊頻率1 080～1 500 次/min，鉆壓10～30 kN，空氣壓力0.8～2.0 MPa，空氣量470～940 L/s，4號(hào)孔實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”安全高效成孔，58 h 完成583.00 m鉆探任務(wù)，平均鉆速10.05 m/h，距巷道中線軸線偏差0.14 m 高精度透巷，與3 號(hào)孔共同構(gòu)建起“生命保障雙保險(xiǎn)”通道。

2.2.3 雙鉆頭自平衡鉆進(jìn)技術(shù)

為改變地面鉆機(jī)對(duì)地下遠(yuǎn)端鉆頭“長(zhǎng)臂管轄”式驅(qū)動(dòng)方式和克服鉆頭碎巖過程中產(chǎn)生的反扭矩，高科[25]、陳杭凱[26]、邢立東[27]等提出了雙鉆頭自平衡鉆進(jìn)技術(shù)理論，通過內(nèi)外鉆頭異向同步回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)扭矩動(dòng)態(tài)自平衡，具有井壁擾動(dòng)小、鉆進(jìn)效率高的特點(diǎn)?；谠撛硌兄屏穗p鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)功能樣機(jī)，包括內(nèi)外鉆頭、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、傳壓隔扭、鉆壓調(diào)節(jié)和泥漿循環(huán)等組件，樣機(jī)長(zhǎng)度4.98 m，直徑165 mm，輸出功率38.75 kW，最大扭矩360 N·m，內(nèi)鉆頭內(nèi)徑100 mm，外鉆頭外徑170 mm，并研發(fā)了用于起下鉆具、輸送電力的鎧裝纜管和渦狀存儲(chǔ)系統(tǒng)等配套機(jī)具，雙鉆頭自平衡錘鉆系統(tǒng)組成如圖7 所示。

圖7 雙鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)Fig.7 Double bit self balancing vertical drilling system

雙鉆頭自平衡垂鉆系統(tǒng)擺脫了地面鉆機(jī)和鉆桿束縛，依靠系統(tǒng)內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭，一方面雙鉆頭驅(qū)動(dòng)能將產(chǎn)生的反扭矩利用起來一同破碎巖石，加快了碎巖速度；另一方面上部鉆具無扭矩作用且不發(fā)生回轉(zhuǎn)，對(duì)上部井壁不產(chǎn)生擾動(dòng)和攪動(dòng)，保證了井壁的穩(wěn)定性，從而提高鉆進(jìn)綜合效率。

樣機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，以砂巖、灰?guī)r和花崗巖為鉆進(jìn)對(duì)象，采用參數(shù)為轉(zhuǎn)速500～900 r/min，泵量40～50 L/min。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了扭矩自平衡，運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)巖心和孔壁擾動(dòng)微小，累計(jì)取心長(zhǎng)度13.1 m，取心率高達(dá)100%，試驗(yàn)取得初步成功。

3 生命保障孔精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)

3.1 精準(zhǔn)透巷技術(shù)要求

精準(zhǔn)透巷是構(gòu)建生命保障通道的核心任務(wù)[28]。據(jù)調(diào)研，我國(guó)巷道或避難硐室寬度b多在3.0～4.0 m，長(zhǎng)度值L則遠(yuǎn)大于寬度值b。生命保障孔透巷基本要求是：靶點(diǎn)在寬度方向偏移量Rb≤b/2，取巷道或避難硐室寬度最小值3.0 m 時(shí)，Rb≤1.5 m，該透巷精度滿足我國(guó)絕大多數(shù)礦山救援要求。

3.2 孔身軌跡監(jiān)測(cè)與控制

孔身軌跡控制是實(shí)現(xiàn)生命保障孔精準(zhǔn)鉆進(jìn)的具體措施，根據(jù)鉆進(jìn)工藝的不同，主要分為復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制方法和空氣鉆進(jìn)軌跡控制方法。

3.2.1 復(fù)合鉆進(jìn)軌跡監(jiān)測(cè)與控制

復(fù)合鉆進(jìn)采用“PDC 鉆頭+單彎螺桿+泥漿脈沖式無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)”組合進(jìn)行孔身軌跡監(jiān)測(cè)和控制，適用于生命保障孔全孔段施工。無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)鉆頭的井斜、方位等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并傳遞給鉆井工程師，為后續(xù)鉆進(jìn)提供指導(dǎo)[29-30]。當(dāng)MWD 監(jiān)測(cè)顯示孔身軌跡偏離設(shè)計(jì)線時(shí)，單彎螺桿帶動(dòng)鉆頭以滑動(dòng)鉆進(jìn)的方式進(jìn)行軌跡控制，通過工具面的調(diào)整將井斜和方位控制在規(guī)定范圍，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)中靶。生命保障孔施工時(shí)，應(yīng)在鉆壓和地層相對(duì)穩(wěn)定情況下確認(rèn)螺桿的造斜率大小，選擇相應(yīng)尺寸扶正器組成滑動(dòng)定導(dǎo)向工具，常用的單彎螺桿彎曲度有0.75°、1.00°、1.25°、1.50°、1.75°等，增斜率的增加或減少可通過調(diào)整鉆壓或換用其他單彎度數(shù)的螺桿實(shí)現(xiàn)。在山西新元煤礦鉆孔應(yīng)急救援演練中，孔型為定向斜孔，施工采用國(guó)產(chǎn)MWD+1.75°單彎螺桿組合進(jìn)行軌跡控制，鉆進(jìn)至孔深644.5 m 時(shí)實(shí)現(xiàn)中靶，孔底與靶點(diǎn)偏移距離為1.12 m。

3.2.2 空氣鉆進(jìn)軌跡監(jiān)測(cè)

空氣潛孔錘破巖效率高、自身防斜打直能力強(qiáng)，生命保障孔采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝時(shí)，一般配套抗震型電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(EM-MWD)，能夠?qū)咨碥壽E實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但不能進(jìn)行定向施工，一旦出現(xiàn)較大偏斜而無法透巷時(shí)，需更換復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行糾斜。因此，“空氣潛孔錘+EM-MWD”組合適合在偏斜范圍可控的直井段施工[22]。目前空氣復(fù)合定向技術(shù)主要應(yīng)用于井下碎軟煤層瓦斯抽采孔，關(guān)鍵鉆具組合為“空氣螺桿+EM-MWD”，利用壓縮空氣為動(dòng)力和循環(huán)介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)空氣螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)、排出巖渣，利用EM-MWD 獲取孔身軌跡參數(shù)，提供給井下鉆機(jī)，指導(dǎo)鉆孔的軌跡控制。中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司在貴州某煤礦應(yīng)用?73 mm 空氣螺桿，配套隨鉆測(cè)斜設(shè)備，實(shí)鉆最大孔深達(dá)385 m，鉆孔軌跡全部在煤層中延伸[31]。空氣螺桿應(yīng)用于孔徑大于150 mm、深度大于600 m 的生命保障孔施工中，存在使用壽命短、排渣困難等情況，隨著空氣螺桿飛車制動(dòng)和潤(rùn)滑冷卻等關(guān)鍵問題的不斷解決，應(yīng)用空氣復(fù)合定向技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)鉆進(jìn)，能夠大幅提升地面鉆孔應(yīng)急救援能力。

3.3 超短距離螺旋糾偏技術(shù)

生命保障孔施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)方向嚴(yán)重偏離靶點(diǎn)，以至于無法透巷時(shí)，必須進(jìn)行定向糾偏，來控制待鉆孔身軌跡，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)透巷。根據(jù)孔斜角、水平位移及垂向位移的關(guān)系，在偏斜點(diǎn)水平位移L確定的前提下，剩余井段垂向距離H以及井斜角的選取是糾偏工作的關(guān)鍵，常規(guī)糾偏與超短距離螺旋糾偏如圖8所示。

圖8 常規(guī)糾偏與超短距離螺旋糾偏Fig.8 Schematic diagram of conventional deviation correction and ultra short distance spiral deviation correction

當(dāng)剩余井段垂向距離H過短時(shí)，常規(guī)糾偏會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是采用大狗腿度調(diào)整井斜，井眼軌跡為S1-1+S1-2段，隨著狗腿度的劇增，鉆柱在井眼內(nèi)摩阻和扭矩迅速增大，定向鉆進(jìn)時(shí)加大鉆壓困難，鉆速極低；同時(shí)由于孔身急劇彎曲，鉆柱側(cè)向受壓嚴(yán)重，當(dāng)側(cè)向壓力大大超過鉆桿臨界屈曲載荷時(shí)，鉆具容易因過疲勞而出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲甚至斷裂，造成井下事故；過大的狗腿度還會(huì)造成套管作業(yè)困難、信息偵測(cè)設(shè)備無法下放等困難。二是采用安全狗腿度調(diào)整井斜，孔身軌跡為S1-1+S1-3段，能夠保證鉆進(jìn)安全，但水平位移變化率過小，在剩余孔段垂向距離H范圍內(nèi)，不能進(jìn)入巷道有效范圍，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)透巷。

超短距離螺旋糾偏技術(shù)是在剩余孔段垂向距離H嚴(yán)重不足的情況下，借鑒“盤山公路”模式，設(shè)計(jì)孔身軌跡呈螺旋形，即在調(diào)整孔斜的同時(shí)，圍繞井口至靶點(diǎn)垂線，同時(shí)進(jìn)行扭方位作業(yè)，最大限度地發(fā)揮定向工具的調(diào)整能力，在降低孔身彎曲程度、減小鉆柱摩阻扭矩及側(cè)向壓力的同時(shí)，確保水平位移變化率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)透巷、孔身平滑和后續(xù)套管下入作業(yè)等目的。

山東棲霞笏山金礦3 號(hào)生命保障孔，鉆進(jìn)至521.10 m 時(shí)，孔底水平位移7.41 m，剩余孔段垂向距離60 m。現(xiàn)場(chǎng)采用“單彎螺桿+MWD”為主的定向鉆具組合，應(yīng)用超短距離螺旋糾偏技術(shù)進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了鉆柱扭矩、摩阻、應(yīng)力、側(cè)向力、疲勞度等數(shù)值模擬，其中側(cè)向力和疲勞系數(shù)模擬如圖9a、圖9b 所示。分析得出糾偏段各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)雖急劇增大，但螺旋形軌跡仍可保證鉆具在安全施工可控范圍內(nèi)。經(jīng)過糾偏，3 號(hào)孔孔底水平位移減小至1.24 m，順利完成精準(zhǔn)透巷和下套管作業(yè)。

圖9 超短距離螺旋糾偏鉆柱側(cè)向力與疲勞系數(shù)模擬Fig.9 Simulation of lateral force and fatigue coefficient of ultra short distance spiral deviation correction drill string

4 生命保障孔示范工程試驗(yàn)

2021 年6 月，在寧夏梅花井礦開展生命保障孔示范工程試驗(yàn)，設(shè)計(jì)鉆至+697 m 水平車場(chǎng)以下15 m 完鉆，設(shè)計(jì)孔深657 m，鉆遇地層由上至下依次為第四系，中侏羅統(tǒng)安定組、直羅組、延安組。施工風(fēng)險(xiǎn)主要有：第四系礫石層易掉塊、卡鉆；涌水量30 m3/h 含水層3～5 層，鉆進(jìn)過程中易漏失、縮徑、坍塌；地層傾角達(dá)17°，巖層頻繁互層膠結(jié)，地層自然造斜能力強(qiáng)，孔身易偏斜。針對(duì)梅花井礦地層特征，從提高機(jī)械鉆速能力、防斜糾斜能力、漏失地層鉆進(jìn)能力、處理地層出水能力、控制地層坍塌能力、鉆進(jìn)硬巖地層能力、鉆進(jìn)深度能力7 個(gè)方面優(yōu)選鉆進(jìn)工藝技術(shù)，最終決定采用復(fù)合“一趟鉆”提速增效技術(shù)和復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)。

生命保障孔采用二開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一開表層段孔深35.10 m，孔徑311.1 mm，鉆具組合?311.1 mm 優(yōu)化PDC 鉆頭+?178 mm 鉆鋌，下?244.5 mm 鋼套管，免固井；二開基巖段孔深670.50 m，孔徑215.9 mm，鉆具組合?215.9 mm 優(yōu)化PDC 鉆頭+?172 mm 單彎螺桿(1.5°)+?165 mm 無磁(內(nèi)置MWD)+?178 mm 鉆鋌+?127 mm鉆桿，下?177.8 mm 鋼套管固井完井。

鉆孔施工以T200 車載鉆機(jī)和F1300 泥漿泵為主要設(shè)備，使用膨潤(rùn)土+纖維素鉆井液體系，依靠國(guó)產(chǎn)MWD+1.5°單彎螺桿組合進(jìn)行軌跡控制，鉆進(jìn)中克服了大傾角、中軟及涌水復(fù)雜基巖地層快速鉆進(jìn)及軌跡控制難題，兩個(gè)開段均“一趟鉆”完成，從一開開鉆至二開基巖段鉆完用時(shí)46.83 h，成孔孔徑215.9 mm，平均鉆速14.32 m/h，鉆進(jìn)至孔深670.50 m 靶點(diǎn)時(shí)，孔底水平偏移位移僅0.27 m，后續(xù)下套管及固井作業(yè)用時(shí)8.27 h，整個(gè)生命保障孔工程試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)55.1 h 高效成孔，超指標(biāo)完成600 m 深鉆孔72 h 黃金救援時(shí)間內(nèi)高效成孔要求。

5 結(jié) 論

a.地面生命保障孔作為礦山事故發(fā)生后井下被困人員的生命保障通道，在地面鉆孔應(yīng)急救援體系中占有重要地位，“優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)、快速鉆進(jìn)、精準(zhǔn)透巷”是地面生命保障孔高效成孔的關(guān)鍵。

b.高壓射流及空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)可快速完成深厚覆蓋層段施工，“一趟鉆”提速增效技術(shù)大大提升了復(fù)合鉆進(jìn)和空氣鉆進(jìn)在救援中的應(yīng)用實(shí)效，解決了復(fù)雜基巖層快速和安全鉆進(jìn)兩個(gè)難題，是生命保障孔實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。

c.精準(zhǔn)透巷是生命保障孔核心目標(biāo)，對(duì)比分析了復(fù)合鉆進(jìn)和空氣鉆進(jìn)軌跡控制方法，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)透巷提供優(yōu)選方案，基于救援現(xiàn)場(chǎng)需要，提出了超短距離螺旋糾偏技術(shù)方法，成功應(yīng)用于救援現(xiàn)場(chǎng)。

d.應(yīng)急救援對(duì)高效成孔要求高、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，在面臨多種復(fù)雜條件同時(shí)存在的情況下，實(shí)現(xiàn)高效成孔仍是重大挑戰(zhàn)，還需要在理論上不斷完善，在實(shí)踐中繼續(xù)提升工藝水平，通過不斷推廣應(yīng)用，帶動(dòng)地面鉆孔高效救援技術(shù)與裝備的發(fā)展。