矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备

　第４７卷第５期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰５　　２０１９年５月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ２０１９　移动扫码阅读田宏亮ꎬ张　阳ꎬ郝世俊ꎬ等.矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(５):２９－３３.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０５􀆰００４ＴＩＡＮＨｏｎｇｌｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹａｎｇꎬＨＡＯＳｈｉｊｕｎꎬｅｔａｌ.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｒａｐｉｄｓａｆｅｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｍｅｒ￣ｇｅｎｃｙｒｅｓｃｕｅｃｈａｎｎｅｌａｆｔｅｒｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(５):２９－３３.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０５􀆰００４矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备田宏亮ꎬ张　阳ꎬ郝世俊ꎬ凡　东ꎬ常江华(中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:为解决矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术难题ꎬ突破国产装备研制瓶颈ꎬ研究复杂地层快速破岩成孔机理及复杂地层快速、精准钻进技术ꎬ开发高频冲击条件下钻进信息传输技术ꎬ形成地面小直径生命保障孔快速钻进及精准定向技术ꎻ开发大直径组合动力反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷技术ꎬ形成地面大直径救援井高效、精准、安全钻进技术ꎻ研究车载钻机控制理论ꎬ研制救援车载钻机ꎬ钻机最大转矩５００００Ｎ􀅰ｍꎬ最大提升力１２００ｋＮꎬ研制安全快速提升装备ꎮ通过小直径生命保障孔快速精准钻进技术研究－大直径救援井高效安全钻进技术及装备开发－地面提升救援技术装备研发ꎬ形成地面救援通道构建及救援提升技术与装备集成ꎬ为矿山灾害应急救援提供技术与装备支撑ꎮ关键词:矿山灾害ꎻ应急救援ꎻ生命保障孔ꎻ大直径救援井ꎻ救援钻机中图分类号:ＴＤ４１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０５－００２９－０４ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｒａｐｉｄｓａｆｅｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｅｍｅｒｇｅｎｃｙｒｅｓｃｕｅｃｈａｎｎｅｌａｆｔｅｒｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒＴＩＡＮＨｏｎｇｌｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹａｎｇꎬＨＡＯＳｈｉｊｕｎꎬＦＡＮＤｏｎｇꎬＣＨＡＮＧＪｉａｎｇｈｕａ(Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐ.ꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｒａｐｉｄ＆ｓａｆｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｒｅｓｃｕｅｃｈａｎｎｅｌａｆｔｅｒｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒꎬａｎｄｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｈｏｋｅｐｏｉｎｔｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔ’ｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔꎬｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ:ｆｉｒｓｔꎬｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｒａｐｉｄｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒａｔａｉｓｓｔｕｄｉｅｄꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｓｓａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬｆｉｎａｌｌｙꎬｒａｐｉｄ＆ａｃｃｕｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｒｏｕｎｄｓｍａｌｌｌｉｆｅｓｕｐｐｏｒｔｈｏｌｅｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄꎻｔｈｅｅｆｆｉ￣ｃｉｅｎｔｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ＆ｆｌｕｓｈｉｎｇｏｆｆａｎｄｓａｆｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｒｅｖｅｒｓｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｄｒｉｌｌｉｎｇｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｐｏｗｅｒａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄꎬａｎｄｔｈａｔｆｏｒｍｓｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎬａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｓａｆｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｒｏｕｎｄｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｒｅｓｃｕｅｗｅｌｌꎻｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙｏｆｃａｒｒｉｅｒｍｏｕｎｔｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｃｕｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｗｈｏｓｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｉｓ５００００Ｎ􀅰ｍꎬａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｌｉｆｔｉｎｇｆｏｒｃｅｉｓ１２００ｋＮꎬｌｉｋｅｗｉｓｅｔｈｅｑｕｉｃｋａｎｄｓａｆｅｅｌｅｖａｔｉｎｇｒｅｓｃｕｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒａｐｉｄ＆ａｃｃｕｒａｔｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｍａｌｌｄｉａｍｅｔｅｒｌｉｆｅｓｕｐｐｏｒｔｈｏｌｅꎬｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｆｆｉｃｉｅｎｔ＆ｓａｆｅｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｒｅｓｃｕｅｗｅｌｌꎬａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｅｌｅｖａｔｉｎｇａｎｄｒｅｓｃｕｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｓｕｐｐｏｒｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｅｍｅｒｇｅｎｃｙｒｅｓｃｕｅａｆｔｅｒｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｎｅｄｉｓａｓｔｅｒꎻｅｍｅｒｇｅｎｃｙｒｅｓｃｕｅꎻｌｉｆｅｓｕｐｐｏｒｔｈｏｌｅꎻｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｒｅｌｉｅｆｗｅｌｌꎻｒｅｓｃｕｅｄｒｉｌｌ收稿日期:２０１８－１２－２２ꎻ责任编辑:赵　瑞基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１８ＹＦＣ０８０８２００)作者简介:田宏亮(１９６９—)ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]０　引　　言煤与瓦斯突出、顶板坍塌、透水事故、火灾、爆炸及冲击地压等矿山灾害会导致人员被困井下ꎬ通过快速构建生命保障和救援通道能够有效地减少人员伤亡ꎬ降低社会影响[１－３]ꎮ一旦发生矿难ꎬ在最短时间内将被困人员救援至地面是挽救矿工生命的最有效手段ꎬ除了传统的井下疏通巷道救援外ꎬ近年来通过地面施工钻孔进行救援的方式取得了较大成功ꎬ对挽救被困人员生命提供了坚实保障ꎬ每次成功的９２２０１９年第５期煤炭科学技术第４７卷营救都会引起较大的社会反响ꎬ也体现了国家的形象和科技实力[４－５]ꎮ地面钻孔救援首先在地面快速施工小直径生命保障孔ꎬ与被困人员建立通信ꎬ提供给养ꎬ维持生命ꎻ然后施工地面大直径救援井ꎬ通过安全提升装备将被困人员救援至地面ꎮ此外ꎬ在具备条件的矿井中对井下大断面救援通道构建进行有效尝试ꎬ可为矿山灾害救援提供双重保障[６－８]ꎮ但是地面钻孔救援存在许多亟待解决的问题:复杂地层快速破岩成孔机理研究尚不充分ꎻ复杂地层中快速钻进精准定向难度大ꎻ常规泥浆正循环工艺在大直径硬岩孔段钻进效率低[９]ꎬ透巷的安全隐患大ꎻ现有车载钻机控制理论研究基础薄弱ꎬ工艺适应性差ꎬ能力及效率偏低ꎻ井下大直径救援通道构建技术与装备不成熟等ꎮ为解决上述问题ꎬ国家重点研发计划项目“矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备”突破矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术与国产装备瓶颈ꎬ研发优快碎岩、可靠钻进工艺与钻具组合ꎬ研制专用救援车载钻机、提升装备、井下顶管钻进装备ꎬ解决复杂地层钻进能力弱、效率低、适应性不足的难题ꎬ为生命保障救援通道快速、安全构建提供技术与装备支撑ꎮ１　国内外研究现状２１世纪以来ꎬ世界范围内已有３例利用地面钻进通道成功营救井下被困人员的案例:２００２年美国魁溪煤矿透水事故、２０１０年智利圣何塞铜矿坍塌事故和２０１５年我国平邑石膏矿坍塌事故ꎮ但是目前国内外钻进救援的研究尚处于探索起步阶段ꎬ缺乏以救生为核心的钻进技术与装备系统性研究ꎬ在地面救援时只能采用常规钻进技术和装备ꎬ在井下适用于坍塌岩体条件下的顶管钻进技术及装备尚未形成[１０]ꎮ１)地面精准定向快速钻进技术方面ꎮ国内外３例成功的矿山灾害钻孔救援中ꎬ由于上覆地层结构较简单或钻孔深度较浅ꎬ均采用常规保直钻进工艺ꎬ通过投放测斜仪器监测实钻轨迹ꎬ实现中靶ꎮ２)地面大直径井钻进技术方面ꎮ智利圣何塞铜矿事故救援采用集束式潜孔锤ꎬ以冲击回转钻进、下排渣工艺钻成深度６８８ｍ大直径救援井ꎻ工程井施工领域ꎬ采用ø６６０ｍｍ大直径潜孔锤、正循环工艺ꎬ最大钻深２７０ｍꎮ山东平邑石膏矿事故救援综合运用旋挖钻进、大直径潜孔锤反循环钻进等工艺ꎬ完成深度２２５ｍ的大直径救援井ꎻ中煤科工集团西安研究院、吉林大学等研究了大直径潜孔锤反循环钻进工艺与配套反循环潜孔锤ꎬ最大钻深２９５ｍꎬ神华宁煤集团等研究了大直径潜孔锤正循环、大直径潜孔锤下排渣等工艺技术ꎬ最大钻深３３５ｍꎮ３)地面钻机方面ꎮ美国魁溪煤矿事故救援采用的ＡｔｌａｓＲＤ２０钻机最大转矩１０８４８Ｎ􀅰ｍꎬ最大提升力４９９ｋＮꎻ智利圣何塞铜矿事故救援采用的ＳｃｈｒａｍｍＴ１３０钻机最大转矩１２０４５Ｎ􀅰ｍꎬ最大提升力５９１ｋＮꎮ山东平邑石膏矿事故救援采用的ＢａｕｅｒＲＢ－Ｔ９０钻机最大转矩３６０００Ｎ􀅰ｍꎬ最大提升力９００ｋＮꎮ国内开展了车载钻机的研制ꎬ能力与国外钻机相当ꎮ４)地面救援提升装备方面ꎮ智利圣何塞铜矿救援采用了“凤凰号”提升舱ꎻ德国开发了将数字化提升绞车和提升舱集成在汽车底盘上的车载式提升装备[１１]ꎮ中煤科工集团西安研究院有限公司和三一重工均研制了起重车加提升舱结构形式的救援提升装备[１２－１３]ꎮ５)井下大直径通道构建技术及装备方面ꎮ针对井下坍塌岩体条件下顶管钻进技术与装备的研究ꎬ国内外均属空白ꎻ国外用于井下完整岩体的顶管钻进技术装备成熟ꎬ国内煤科集团沈阳研究院有限公司在淮南矿区开展了应用试验ꎬ顶管钻进直径１.５ｍ、长４６ｍ的通道ꎮ２　关键科学技术问题及主要研究内容２.１　地面应急救援通道高效构建技术与装备１)小直径钻孔快速钻进及精准定向技术ꎮ针对复杂地层中冲击快速破岩适应性和精准定向控制的科学问题ꎬ开展复杂地层冲击载荷快速破岩及孔壁失稳机理研究ꎬ探索影响复杂地层冲击钻进效率和碎岩不均衡的关键因素ꎬ揭示冲击钻进碎岩动力与复杂地层的作用机制ꎻ研究松散覆盖层、强富水含水层、裂隙发育等复杂地层特征ꎬ进行多钻进工艺地层适应性分析研究ꎻ研究冲击钻进对随钻精准控制的影响规律ꎬ探究随钻精准控制冲击钻进失效原因ꎻ开发轨迹精准控制的快速定向钻进、仿生耦合双钻头自平衡钻具系统、重点进行基于随钻测量的空气潜孔锤快速钻进技术研究ꎬ解决高频冲击碎岩条件下随钻测量仪器抗冲击扰动问题[１４－１５]ꎮ２)适应大直径深井多工艺快速钻进的高效碎岩、排渣及安全透巷技术ꎮ针对复杂地质条件下矿山地面大直径救援井施工面临中靶精度差、钻进效０３田宏亮等:矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备２０１９年第５期率低以及透巷时存在安全隐患等实际问题ꎬ开展大直径潜孔锤反循环、气举反循环以及泥浆正循环等多种钻进工艺ꎬ对软硬交互、裂隙发育、富水性强等复杂多变地层的适应性研究ꎬ形成坍塌掉块、漏失、涌水等井内复杂问题预防与处理的一体化整体解决方案ꎻ研究集束式潜孔锤反循环排渣高效钻进及精确中靶技术ꎬ研制大直径空气反循环钻井配套机具ꎬ研究空气钻进岩屑溃入、透巷过程对顶板稳定性影响等问题ꎬ形成大直径组合动力低密度介质反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷关键技术ꎮ３)地面救援通道构建高效钻进装备研制及多工艺自适应控制技术研究ꎮ针对地面救援通道快速、精准、安全构建过程中的钻机－钻具－地层交互式控制科学问题及钻机的多工艺适应性关键技术问题ꎬ突破大直径反循环成井过程中井壁不稳定、车载钻机动力