地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析

郝世俊，莫海涛

地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析

郝世俊1,2，莫海涛1,2

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

地面大直径钻孔可作为井下被困人员的逃生通道，是矿山事故造成人员被困井下时重要的应急救援方案之一。而常规大直径工程孔以泥浆正循环、多级扩孔工艺为主成孔，无法满足救援要求。着眼于大直径孔救援逃生目的，阐明包括精准透巷、优化孔身结构、高效成孔和安全透巷等四项成孔工艺设计原则；以此为指导，针对覆盖层钻进、二开基岩层钻进、下套管及固井具体施工情况，分析了全套管钻进、导向孔下导管钻进及集束式潜孔锤扩孔钻进、浮力法下套管及内插法固井等技术；借用巷道围岩松动圈及塑性区成熟理论，视透巷钻进所破坏的塑性区岩体为潜在垮落体，进行顶板稳定校核，提出了安全透巷距离及位置等关键参数设计选取方法，为地面大直径应急救援钻孔施工提供技术支持。

大直径钻孔；应急救援；成孔工艺；安全；透巷

我国煤炭覆存条件普遍复杂，约90%的煤炭资源适合井工方式开采[1-2]，瓦斯、水害、顶板以及其他隐蔽致灾因素为煤矿安全生产带来严峻挑战。在现有条件下，单纯从管理及技术层面，无法完全避免煤矿事故的发生[3]。根据煤矿事故统计和救援经验，在矿井发生事故第一现场遇难的人员占事故总死亡人数的30%左右，大多数是在事故发生后由于缺氧、有毒有害气体、逃生路线阻断等原因无法及时撤离到安全区域或升井而遇难[4-5]。因此，为最大限度减少矿井事故伤亡，在大力推进煤炭安全开采地质保障技术的同时，更应防患于未然，积极开展应急救援体系建设，深入研究应急救援先进技术，在事故发生后能够快速将受困人员撤离至安全区域或者升井。

开展煤矿应急救援先进技术研究，涉及诸多方面，其中地面大直径救援钻孔成孔工艺是重要内容之一。煤矿区地面大直径钻孔能够实现地面与井下直接连通，作为连接通道除了可用于瓦斯排放、电缆铺设、排水、通风、溜渣等方面以外，也可作为煤矿井下应急救援的重要逃生通道，实现井下被困人员快速升井的救援目的[6-7]。2015年12月25日，山东省平邑县某石膏矿发生坍塌，在事故救援过程中，有4名矿工通过地面大直径钻孔升井获救，开创了国内利用地面大直径应急救援钻孔成功救人的先例[8]。据黄军利[9]调研，国际类似的救援案例分别有：1955年德国Dahl Busch矿，3名矿工通过深42 m的大直径钻孔升井获救；1963年德国Lengede Mathilde矿，11名矿工通过孔径480 mm、深56 m的大直径钻孔升井获救；1998年奥地利Lassing矿，救援钻孔孔径660 mm、深60 m，1名矿工获救；2002年7月美国宾夕法尼亚州魁溪煤矿，9名矿工通过地面大直径钻孔从78 m井下获救；2010年8月智利圣何塞铜矿发生井筒坍塌事故后，利用地面大直径钻孔作为逃生通道，将被困井下700多m的33名矿工救出。

近年来，地面大直径钻孔作为应急救援的通道，已受到矿山安全领域的广泛关注。大直径钻孔传统的以泥浆正循环为主的多级扩孔成孔工艺施工效率低，无法满足救援要求。依托国家重点研发计划项目课题“复杂地层地面大直径救援井高效钻进及安全透巷技术”，开展了基于地面大直径钻孔的应急救援先进技术研究，重点对矿山大直径钻孔高效、安全施工工艺开展了相关研究工作，并取得了阶段性成果。

笔者作为项目研究的参与者，结合多年的实践经验，对地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计进行总结分析，优化关键成孔工艺及参数设计选取方法，为地面大直径应急救援钻孔施工提供技术支持。

1 大直径救援钻孔设计原则

地面大直径钻孔能够实现救援逃生目的基于两方面条件：一是精准透巷，钻孔精确钻透被困人员所在巷道或避难硐室；二是钻孔直径足够大，能够满足人员或救生舱通过要求。在此基础上，按照“以人为本、安全优先”的事故救援要求，作为应急救援的技术手段，钻孔施工还必须遵循“高效、安全”的原则。所谓高效，是指从大直径救援钻孔整个成孔周期考虑，以最短的时间、最快的施工效率完成钻孔施工，不能局限于局部孔段的快速钻进；而安全则要求在救援钻孔施工过程中，特别是透巷瞬间，不对井下有限空间内的被困人员造成二次伤害。因此，大直径救援钻孔设计应着眼于成孔目的和施工原则，为优快成孔提供指导。

1.1 精准透巷

被困人员所在巷道或避难硐室在平面尺寸上具有一定长度和宽度，以平面中心为目标靶点，精准透巷的基本要求是：宽度方向偏移量b≤/2，长度方向偏移量L≤/2。

1.2 优化孔身结构

在精准透巷的基础上，为确保大直径救援钻孔通道稳定，孔内应下套管固井。兼顾透巷与固井要求，大直径救援钻孔一般采用三开孔身结构设计，示意图如图1所示。地面开孔点一般选择在井下巷道正上方，一开封固表土层，二开钻进至巷道顶部，预留一定厚度岩层作为套管下放及固井支撑，三开裸眼钻进与巷道连通。

图1 大直径钻孔三开孔身结构设计

结合救生舱结构参数[10]，满足径向通过尺寸要求的大直径救援钻孔终孔孔径不宜小于580 mm。孔径过大，钻孔施工难度高，成孔效率低，因此，选定透巷时的钻孔孔径为580 mm。按照“由内而外、从下至上”的顺序，分别设计上部孔段的套管规格和孔径。

套管规格选取上，虽然丝扣连接套管下放快捷、可靠性高，但目前API石油套管的最大外径为508 mm[11]，不能满足逃生通道的要求。大直径救援钻孔套管主要使用无缝管、螺旋管或直缝管，采用焊接方式连接下放。根据现有常规大直径套管规格型号，可得孔身结构参数(表1)。

表1 大直径钻孔三开孔身结构设计参数

1.3 高效成孔

优快钻进是高效成孔的重要技术手段。大直径钻孔碎岩面积大、环空间隙大，钻遇地层包括厚度不等且松散破碎的覆盖层及多类型、较坚硬的基岩层，地层特征复杂多变，以正向钻进为主的地面大直径救援钻孔，须结合实际情况选择合适的钻进工艺。针对覆盖层钻进，应根据层厚、含水性等条件，结合大直径桩基工程的先进经验，优选钻进工艺；针对基岩层钻进，大直径集束式潜孔锤反循环钻进工艺是优快钻进的首选方案。

提高下套管、固井等作业效率也是高效成孔的重要组成部分。大直径套管采用焊接连接方式，传统的人工焊接劳动强度大、效率低，引进自动化焊接技术，采用大直径套管焊接机器人可提高焊接效率和质量；大直径套管尺寸大、质量大，提吊浮力法下套管和内插法固井是大直径钻孔套管下放及固井的特有技术，利于套管安全下放并提高固井质量[12]。

1.4 安全透巷

大直径救援钻孔施工过程及透巷瞬间，可能对井下被困人员造成二次伤害的主要危险源有：孔内液体介质(泥浆、水、水泥浆等)渗入或溃入、顶板破坏甚至冒顶。结合钻孔施工工艺、巷道或避难硐室顶部支护及围岩特征，为实现三开安全透巷，必须优选安全透巷距离、透巷位置及透巷工艺。

①安全透巷距离 根据大直径救援钻孔孔身结构设计，三开钻进为裸眼透巷；以逃生通道的安全性分析，透巷段裸眼长度越短越好。但透巷段长度越短，意味着二开底部与巷顶间的层厚越小，受扰动发生破坏的风险越高，漏失可能性增加，二开固井水泥浆上返对孔底岩层施加的激动压力可能压漏地层进入井下巷道或避难硐室，同时导致固井失败，透巷后上部含水层水源不断流入井下形成威胁。因此，在二开底部与巷顶之间，须预留一定厚度的岩层作为防漏安全支撑距离，以实现大直径救援钻孔施工安全。

② 安全透巷位置 从理论上讲，大直径救援钻孔透巷瞬间，会造成顶板破坏甚至冒顶。根据巷道或避难硐室尺寸及顶部岩性特征，首选巷顶中心作为透巷点，校核大直径孔透巷钻进引起的顶板破坏情况；若从巷顶中心透巷引发顶板大面积垮塌，则透巷点向侧帮偏移，优选最佳透巷点，最大化降低顶板破坏程度及冒顶风险。以此为目标，兼顾透巷与顶板安全，须进一步提高轨迹控制精度，透巷点终孔靶心距1m。

③ 安全透巷工艺 三开透巷段钻进施工前，将孔内液体排出孔外；选择气体作为透巷钻进循环介质，整个透巷段采用空气潜孔锤钻进工艺，确保透巷瞬间，孔内溃入井下液体介质不致灾。

2 覆盖层优快钻进

覆盖层主要指第四系、第三系松散土层、强风化层等，胶结性差、易破碎，局部或含砾石层。针对覆盖层地质特征，其优快钻进的要点在于一次性钻进成大直径孔，与桩基工程有类似之处[13-14]。桩基工程施工方法用于大直径救援钻孔覆盖层施工的适用性分析见表2。

表2 桩工施工法适用性分析

2.1 工艺优选

大直径救援钻孔覆盖层施工主要选择旋挖施工法和全套管钻进工艺。

1) 挖施工法

旋挖施工法具有钻进速度高、技术成熟等优点。旋挖法施工准备较为简单，主要流程为：平整场地→测量定位→制作、埋设护筒→钻机就位、安装。选用大功率旋挖钻机，可以较快的速度实现一次性大孔径旋挖钻进成孔，机械钻速可达10.0 m/h。根据孔内是否出水，旋挖施工法可分为干式旋挖和湿式旋挖。干式旋挖基于较好的施工条件可实现更高的施工效率，成孔性好。但大部分情况下，由于孔内出水或者地表渗水，覆盖层旋挖施工过程是湿式旋挖，需合理配置泥浆护壁。

在山东省平邑县某石膏矿坍塌事故救援钻孔施工中，采用旋挖法顺利完成大直径救援孔的开孔和覆盖层孔段施工任务，为基岩层孔段钻进创造了有利条件。覆盖层孔段孔径1 250 mm，孔深54 m，钻孔垂直度满足设计要求[15]。

2) 全套管钻进工艺

全套管钻进利用套管钻机(全回转钻机或搓管机)对孔内套管施加扭矩和垂直载荷，同时利用钻掘机具(冲抓斗或旋挖钻机)在套管内部进行钻掘取土，可实现一次性钻进、下管、护孔，对卵砾石层、松散填土层乃至流沙层等各类复杂地层适应性强，是覆盖层大直径救援钻孔施工的首选方案。钻进主要流程为：全套管钻机就位→回转、下压套管，进入地层→将套管内土体挖出地面→重复上述工序，直至套管下入设计孔深。全套管钻进工艺优点在于：不使用泥浆，环保性好；不会产生塌孔现象，成孔质量高；施工中可直观判别地层及岩石特性，钻进速度快，在一般土层中，施工效率可达14 m/h；成孔垂直度高，孔底位移与孔深比可达到1︰500。

在某大直径桩基施工中，采用全套管钻进工艺，完成直径1.5 m、深38.5 m的灌注桩，耗时3 h，施工效率12.8 m/h[16]。

2.2 轨迹测量

当覆盖层较厚、一开钻孔较深时，为了确保精准透巷，必须精确测量钻孔轨迹。而覆盖层为了实现快速钻进，其要点在于利用其松散破碎的地层特性，一次性钻进大直径孔并下套管封固，因此，钻孔轨迹测量是在磁干扰环境下的钻后测量，与常规小孔径钻孔随钻测量方法不同。

选用光纤陀螺测斜仪，在底部钻具安装外径略小于套管内径的扶正器，可实现覆盖层下套管后钻孔轨迹测量。常用的光纤陀螺测斜仪主要参数见表3。

表3 光纤陀螺仪主要参数

3 二开基岩层钻进

二开基岩层钻进是大直径救援钻孔施工的重要阶段，是关系成孔效率的主要因素。绝大多数情况下，二开孔段首先施工导向孔，再通过扩孔达到终孔孔径。导向孔为大直径救援孔精准透巷提供引导，扩孔达到救援通道通过尺寸要求。

3.1 导向孔下导管钻进

导向孔钻进的基本要求是精确定向和快速钻进。在施工导向孔之前，大直径救援钻孔已完成一开覆盖层孔段施工，因此，二开导向孔在基岩层的钻进过程中，基于正循环的一开套管段排渣通道尺寸数倍大于导向孔段，导致上返流速骤降，极易造成沉砂卡钻。反循环钻进工艺可有效解决上述排渣问题，但该技术不能配套螺杆钻具及随钻仪器进行精确定向钻进，无法满足精准透巷要求。采用下导管钻进技术[17]，可有效解决导向孔循环通道不一致的问题。其技术原理示意图如图2所示。

图2 导向孔下导管钻进技术

首先在一开底部居中钻进1~2 m导管底座并下入导管，简易坐封后通过导管下钻施工完成导向孔，提钻并拔出导管，进行后续扩孔钻进。

下导管钻进具有快捷、经济、适用性强的特点。在下导管的基础上，导向孔可选择的精确快速钻进方案主要有：“PDC钻头+螺杆马达”复合钻进技术；“空气潜孔锤+E-MWD”钻进技术。复合钻进技术成熟、钻效高；空气潜孔锤可大幅提高机械钻速，当孔深较浅、或钻孔偏斜在可控范围内时可适用于救援钻孔施工。

在彬长矿区相邻3.6 km施工的两个大直径钻孔，二开导向孔均采用“PDC钻头+螺杆马达”复合钻进技术，其中辅助实施下导管钻进技术的导向孔平均机械钻速比另一孔(未下导管)提高213%[17]。

3.2 集束式潜孔锤反循环扩孔钻进

气动潜孔锤钻进利用压缩空气作为驱动介质，以较大的冲击功和高频冲击潜孔锤钻头，在钻机回转的带动下，钻头低速回转切削岩石，是一种高效钻进工艺，在钻进中硬–硬岩层时，效率更高。集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺将潜孔锤快速钻进技术和反循环高效排渣技术结合，从根本上解决了钻进和排渣的两个难题，是大直径救援钻孔快速钻进的首选方案。集束式气动潜孔锤反循环钻进示意图如图3所示。在导向头的引导下，扩孔钻进时由双壁钻杆环空压入的空气，通过配气室后进入正循环单锤驱动钻头工作，岩屑通过排渣管进入双壁钻杆内管上返[18]。

图3 集束式气动潜孔锤反循环钻进

在山西某矿大直径救援孔施工过程中，采用ø711/311 mm集束式气动反循环潜孔锤及配套机具，在二开上石盒子组基岩段钻进时，孔内注气量35~70 m3/min，转速13~24 r/min，注气压力1.0~ 2.0 MPa，正常钻进期间，形成了良好的反循环排渣效果，机械钻速1.0~4.0 m/h，平均机械钻速2.1 m/h。与同等条件下的泥浆正循环牙轮扩孔钻进相比，钻速提高1.6倍[19]。

4 下套管及固井

4.1 套管焊接与下放

1) 套管自动化焊接

传统的人工焊接方式效率低、焊缝质量参差不齐，不能满足救援钻孔的施工要求，采用大直径套管焊接机器人，可提高套管焊接效率和质量。

自动化焊接机器人在我国管道输送行业中应用广泛，技术成熟。可根据大直径救援钻孔套管规格，改造匹配的焊接轨道，采用双焊枪机器人自动焊接，单个焊缝焊接时间不超过10 min，且焊接过程稳定，焊接质量可靠[20]。焊接完成后，采用手持超声波焊缝检测仪测试焊缝质量，不足之处补焊。

2) 提吊浮力法下套管

根据大直径救援钻孔孔身结构设计参数，以二开ø630 mm×15 mm为例，若下入深度为500 m，则套管总质量为113.5 t，超出或接近钻机的提升能力，直接提吊下套管法不可取。为了确保大直径套管安全下放，采用提吊浮力法下套管[21]。技术原理如图4所示。

T—提升力；F—浮力；GW—回灌泥浆重量；Gp—套管自重

由提吊浮力法原理可简单计算得出，下入孔内的ø630 mm×15 mm套管所受浮力总是大于自重p，需向套管内实时回灌一定量的泥浆(自重W)。套管下放过程中在铅锤方向主要受4个力的作用：钻机提升力、上浮力、套管自重p、回灌泥浆重力W。上浮力和自重p随着套管下入长度(深度)增加而加大，回灌泥浆重力W可从井口调整，钻机提升力不能高于其额定提升力max，且须保留一定的事故处理余量。

套管下放过程中的主要受力的关系为：

pW–≤max(1)

综上，通过实时调整回灌泥浆量，可实现钻机以较小的提升力下放套管。某大直径电缆孔二开套管质量81.1 t，超出钻机额定提升力(60 t)，采用提吊浮力法下套管，通过合理控制回灌量，整个下放过程钻机提升力≤270 kN，浮箍受压≤3.65 MPa(额定抗压20 MPa)，顺利完成套管下放。

4.2 内插法固井

提吊浮力法下套管中所使用的浮力塞结构示意图如图5所示。

套管下放后，在钻杆底部安装匹配接头居中下钻并与内插接头密封连接，注水泥固井。为了提高大直径救援钻孔成孔效率，应缩短固井水泥凝固时间，可在水泥浆中添加2%~4% CaCl2。

图5 浮箍、浮鞋结构

5 透巷钻进

5.1 安全透巷距离

井下巷道或避难硐室开凿后，围岩受到破坏，地层应力重新分布，在一定范围内存在围岩松动圈和裂隙[22-23]；二开固井水泥浆上返过程中，激动压力可能造成孔壁及孔底地层裂隙延展[24-25]。根据巷道围岩松动圈理论、塑性区理论，采用理论分析、数值模拟等方法，可得巷道顶板裂隙发育高度1；根据地层破裂与压裂增透相关理论，可预测在固井过程中，二开底部岩层裂隙可能延展的深度2；同时预留安全岩层厚度0(图6)。

图6 安全透巷距离分析

可得二开固井安全层厚：

5.2 安全透巷位置

井下巷道或避难硐室存在围岩塑性区，塑性区的形成与扩展是巷道围岩变形破坏的根本原因，其范围直接决定了围岩变形破坏程度[26-27]。在实际应用中，通常视塑性区为破坏区来研究地下工程中围岩的稳定性，揭示巷道冒顶机理必须掌握巷道围岩的塑性区分布规律[28-29]。根据Mohr-Coulomb准则：

设最大围压与竖直方向夹角(顺时针为正)为，最小与最大围压的比值为。通过数值模拟，可得巷道围岩在原始地应力场、采掘应力场、支护应力场的复合应力场作用下围岩塑性区分布范围[30-31](图7)。

图7 圆形孔围岩塑性区分布范围

气动潜孔锤透巷钻进过程中，在临近透巷和透巷瞬间，破坏了巷道围岩塑性区支护作用，同时钻进振动以及对岩体的钻掘可能引起顶板破坏甚至冒顶。依据顶板稳定的准则判别公式[32]：

根据图7和式(4)可知：钻孔从顶板不同位置透巷，所穿透破坏的塑性区岩体(潜在垮落体)体积和高度等均存在差别，由此引发的冒顶风险高低不一；同时，在临近透巷过程中，孔壁受到钻柱旋转碰撞的径向作用力，孔底受到潜孔锤一定冲击频率的轴向钻压，处于深部巷道围岩特别是顶板的受力及变形发生变化，塑性区边界也随之改变。

因此，须根据顶板在原复合应力场作用下，大直径孔从顶部不同位置透巷对顶板造成的新的应力及位移变化规律，综合考虑划定顶板塑性区边界；将透巷钻进所破坏的塑性区岩体视为潜在垮落体，校核顶板冒顶稳定性及垮落风险，以确保顶板稳定作为透巷位置的选取依据。

5.3 安全透巷钻进工艺

三开钻进前，一般采用泥浆循环方式扫掉二开套管底部浮箍、浮鞋，随后采用气举法排掉孔内泥浆，再使用ø580 mm大直径空气潜孔锤反循环钻进直接透巷。透巷钻进工艺参数为：转速20~30 r/min，钻压10~15 kN；空压机额定风量≥30 m3/min，压力3.0 MPa。

根据上述安全透巷位置的分析结果，当使用ø580 mm空气潜孔锤在不同位置透巷均存在垮落风险时，需考虑多级扩孔工艺，以降低顶板破坏风险。

6 结论

a．地面大直径应急救援钻孔作为事故发生后井下被困人员的逃生通道，是煤矿区应急救援体系建设的重要组成部分，钻孔设计与施工应遵循“精准透巷、优化孔身结构、高效成孔、安全透巷”等4个原则。

b．针对覆盖层松散破碎的地层特征，以一次性钻进成大直径孔并下管封固为目标，分析了旋挖施工法和全套管钻进工艺的优势，可快速完成覆盖层孔段施工。

c．集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺将高效碎岩与排渣技术结合，从根本上解决了硬岩层大直径孔钻进和排渣的两个难题，是大直径钻孔快速钻进的关键技术。

d．精准、安全透巷要求应贯穿于地面大直径应急救援钻孔施工全过程，精准透巷是基础，安全透巷则提出更高要求；论文分析了安全透巷的设计方法，为实现安全透巷钻进提供理论依据。

e．满足应急救援要求的地面大直径钻孔成孔技术要求高、难度大，是目前大直径钻孔钻进的先进技术，还需在理论上不断提高认识，在实践中继续完善工艺，通过大力推广应用，带动煤矿区地面大直径钻孔成孔技术与装备发展。

[1] 谢和平，王金华，申宝宏，等. 煤炭开采新理念：科学开采与科学产能[J]. 煤炭学报，2012，37(7)：1069–1079. XIE Heping，WANG Jinhua，SHEN Baohong，et al. New idea of coal mining：Scientific mining and sustainable mining capacity[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(7)：1069–1079.

[2] 钱鸣高. 煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报，2010，35(4)：529–534. QIAN Minggao. On sustainable coal mining in China[J]. Journal of China Coal Society，2010，35(4)：529–534.

[3] 解学才，宫伟东，林辰，等. 我国煤矿应急救援现状分析研究[J]. 煤矿安全，2017，48(11)：229–232. XIE Xuecai，GONG Weidong，LIN Chen，et al. Analysis study on present situation of emergency rescue in China’s coal mines[J]. Safety Coal in Mines，2017，48(11)：229–232.

[4] 孙继平，钱晓红. 煤矿事故与应急救援技术装备[J]. 工矿自动化，2016，42(10)：1–5. SUN Jiping，QIAN Xiaohong. Coal mine accident and emergency rescue technology equipment[J]. Industrial and Mining Automation，2016，42(10)：1–5.

[5] 张洋洋，马汉鹏，刘凯，等. 我国矿山应急救援队伍监管存在的问题与对策[J]. 华北科技学院学报，2018，15(6)：103–111. ZHANG Yangyang，MA hanpeng，LIU Kai，et al. Problems and countermeasures of the supervision of mine emergency rescue team in China[J]. Journal of North China Institute of Science and Technology，2018，15(6)：103–111.

[6] 田宏亮，张阳，郝世俊，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，2019，47(5)：29–33. TIAN Hongliang，ZHANG Yang，HAO Shijun，et al. Technology and equipment for rapid safety construction of emergency rescue channel after mine disaster[J]. Coal Science and Technology，2019，47(5)：29–33.

[7] 石智军，赵江鹏，陆鸿涛，等. 煤矿区大直径垂直定向孔快速钻进关键技术与装备[J]. 煤炭科学技术，2016，44(9)：13–18. SHI Zhijun，ZHAO Jiangpeng，LU Hongtao，et al. Key technology and equipment of rapid drilling for large diameter vertical directional borehole in mine area[J]. Coal Science and Technology，2016，44(9)：13–18.

[8] 杨涛，杜兵建. 山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2017，44(5)：19–23. YANG Tao，DU Bingjian. Construction technology of large diameter rescue borehole in Pingyi gypsum mine disaster of Shandong Province[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2017，44(5)：19–23.

[9] 黄军利. 国外煤矿应急救援技术装备综述[J]. 煤矿安全，2016，47(9)：233–236. HUANG Junli. A review of foreign technical equipment on coal mine emergency rescue[J]. Safety in Coal Mines，2016，47(9)：233–236.

[10] 邹祖杰，凡东，刘庆修，等. 矿山地面大直径钻孔救援提升装备研制[J]. 煤炭科学技术，2017，45(12)：160–165. ZOU Zujie，FAN Dong，LIU Qingxiu，et al. Research and development on rescue lifting equipment of large diameter borehole at mine ground[J]. Coal Science and Technology，2017，45(12)：160–165.

[11] 张桂林. 钻井工程技术手册(第三版)[M]. 北京：中国石化出版社，2017：951. ZHANG Guilin. Technical of drilling engineering manual(Third Edition)[M]. Beijing：China Petrochemical Press，2017：951.

[12] 莫海涛. 煤矿区地面大口径定向井成井工艺研究[D]. 北京：煤炭科学研究总院，2014：32–35. MO Haitao. Research of construction technology on large diameter directional borehole in coal mining area[D]. Beijing：China Coal Research Institute，2014：32–35.

[13] 杨联锋，彭志平，孙智杰. 汾河特大桥大直径超深旋挖钻孔灌注桩施工技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2019，46(7)：89–93. YANG Lianfeng，PENG Zhiping，SUN Zhijie. Construction technology of large diameter ultra-deep rotary bored piles at Fenhe Bridge[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2019，46(7)：89–93.

[14] 宋志斌，冯起赠，许本冲，等. 全套管钻进机理和全回转套管钻机的研究[J]. 建筑机械，2013，23(12)：87–91. SONG Zhibin，FENG Qizeng，XU Benchong，et al. Mechanism of full casing foundation drilling and research on casing rotator[J]. Construction Machinery，2013，23(12)：87–91.

[15] 李亮. 旋挖钻机在平邑石膏矿坍塌事故大直径救生孔钻进中的应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2016，43(5)：17–21. LI Liang. Application of rotary drilling rig in large diameter rescue hole drilling in the collapse accident in Pingyi gypsum mine[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2016，43(5)：17–21.

[16] 朱芝同，张化民. 西成高铁卵漂石地层全套管跟管钻进施工技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2015，42(5)：50–52. ZHU Zhitong，ZHANG Huamin. Application of drilling with full casing(benote method) in cobble-boulder stratum in Xi’an-Chengdu highspeed rail[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2015，42(5)：50–52.

[17] 莫海涛，郝世俊，叶根飞. 煤矿区大口径井二开先导孔下导管钻进技术[J]. 煤田地质与勘探，2014，42(4)：106–108. MO Haitao，HAO Shijun，YE Genfei. Drilling technology with guide pipe in the second section pilot hole of large-diameter well in coal mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(4)：106–108.

[18] 赵江鹏，王四一. 扩孔用集束式反循环潜孔锤的改进设计[J].煤矿安全，2016，47(8)：133–135. ZHAO Jiangpeng，WANG Siyi. Improved design of cluster-type reverse circulation DTH hammer for reaming[J]. Safety in Coal Mines，2016，47(8)：133–135.

[19] 赵江鹏. 扩孔用集束式反循环潜孔锤设计与试验[J]. 煤矿安全，2016，47(1)：106–109. ZHAO Jiangpeng. Design and test of cluster reverse circulation DTH hammer for reaming[J]. Safety in Coal Mines，2016，47(1)：106–109.

[20] 黄龙鹏. 长输管道全位置自动焊接工艺研究[J]. 装备制造技术，2020(4)：25–30. HUANG Longpeng. Research on full-position automatic welding technology for long distance pipelines[J]. Equipment Manufacturing Technology，2020(4)：25–30.

[21] 杜贵亭. 超大口径瓦斯抽排放井施工技术[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(12)：46–50. DU Guiting. Construction technology of super large diameter gas pumping exhaust well[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling)，2010，37(12)：46–50.

[22] 黄锋，朱合华，李秋实，等. 隧道围岩松动圈的现场测试与理论分析[J]. 岩土力学，2016，37(增刊1)：145–150. HUANG Feng，ZHU Hehua，LI Qiushi，et al. Field detection and theoretic analysis of loose circle of rock mass tunnel surrounding tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics，2016，37(Sup.1)：145–150.

[23] 李政林，吴瑞祥，李龙剑，等. 基于损伤理论的隧道围岩松动圈确定方法[J]. 地下空间与工程学报，2011，7(6)：1060–1064. LI Zhenglin，WU Ruixiang，LI Longjian，et al. Method for defining the loose zone of tunnel surrounding rock based on damage theory[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(6)：1060–1064.

[24] 李浩哲，姜在炳，舒建生，等. 水力裂缝在煤岩界面处穿层扩展规律的数值模拟[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：106–113. LI Haozhe，JIANG Zaibing，SHU Jiansheng，et al. Numerical simulation of layer-crossing propagation behavior of hydraulic fractures at coal-rock interface[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：106–113.

[25] 许耀波. 应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(4)：11–18. XU Yaobo. Layer-penetrating staged fracturing law of horizontal wells within roof of coal seams under stress interference[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(4)：11–18.

[26] 袁超，王卫军，赵延林，等. 考虑岩体塑性硬化与软化特性的巷道围岩变形理论分析[J]. 煤炭学报，2015，40(增刊2)：311–319. YUAN Chao，WANG Weijun，ZHAO Yanlin，et al. Theoretical analysis on roadway surrounding rock deformation based on the properties of rock plastic hardening and softening[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(Sup. 2)：311–319.

[27] 潘继良，高召宁，任奋华. 考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应[J]. 煤炭学报，2018，43(12)：3293–3301. PAN Jiliang，GAO Zhaoning，REN Fenhua. Effect of strength criteria on surrounding rock of circular roadway considering strain softening and dilatancy[J]. Journal of China Coal Society，2018，43(12)：3293–3301.

[28] 贾后省，马念杰，朱乾坤. 巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法[J]. 煤炭学报 2016，41(6)：1384–1392. JIA Housheng，MA Nianjie，ZHU Qiankun. Mechanism and control method of roof fall resulting from butterfly plastic zone penetration[J]. Journal of China Coal Society，2016，41(6)：1384–1392.

[29] 马念杰，李季，赵志强. 圆形巷道围岩偏应力场及塑性区分布规律研究[J]. 中国矿业大学学报，2015，44(2)：206–213. MA Nianjie，LI Ji，ZHAO Zhiqiang. Distribution of the deviatoric stress field and plastic zone in circular roadway surrounding rock[J]. Journal of China University of Mining & Technology，2015，44(2)：206–213.

[30] 马念杰，赵希栋，赵志强，等. 深部采动巷道顶板稳定性分析与控制[J]. 煤炭学报，2015，40(10)：2287–2295. MA Nianjie，ZHAO Xidong，ZHAO Zhiqiang，et al. Stability analysis and control technology of mine roadway roof in deep mining[J]. Journal of China Coal Society，2015，40(10)：2287–2295.

[31] 郭晓菲. 巷道围岩塑性区形态判定准则及其应用[D]. 北京：中国矿业大学(北京)，2019：35–49. GUO Xiaofei. Criterion of plastic zone shapes of roadway surrounding rock and its application[D]. Beijing：China University of Mining & Technology(Beijing)，2019：35–49.

[32] 侯朝炯，郭励生，勾攀峰. 煤巷锚杆支护[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1999：36. HOU Chaojiong，GUO Lisheng，GOU Panfeng. Bolt support in coal roadway[M]. Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1999：36.

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

移动阅读

语音讲解

TD231

A

1001-1986(2021)01-0277-08

2020-11-22；

2021-01-11

国家重点研发计划课题(2018YFC0808202)

郝世俊，1970年生，男，内蒙古凉城人，博士，研究员，博士生导师，从事煤矿区钻探工艺开发研究与推广应用工作. E-mail：haoshijun@cctegxian.com

郝世俊，莫海涛. 地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析[J]. 煤田地质与勘探，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

(责任编辑 聂爱兰)