礦山災(zāi)害生命保障救援通道快速安全構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)與裝備

田宏亮，鄒祖杰，郝世俊，曹 明，周光華，黃 勇，顧海榮，王 雷

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；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.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040；5.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；6.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 113122)

我國(guó)煤炭資源90%以上為地下開(kāi)采，瓦斯、水害、頂板以及其他隱蔽致災(zāi)因素為煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)煤礦事故統(tǒng)計(jì)和救援經(jīng)驗(yàn)，在礦井發(fā)生事故第一現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)阻斷等原因，無(wú)法及時(shí)撤離到安全區(qū)域或升井而遇難。為最大限度減少礦井事故傷亡，在大力推進(jìn)煤炭安全開(kāi)采地質(zhì)保障技術(shù)的同時(shí)，更應(yīng)防患于未然，積極開(kāi)展應(yīng)急救援體系建設(shè)，深入研究應(yīng)急救援先進(jìn)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[1-3]。

目前，世界范圍內(nèi)已有多個(gè)地面鉆孔救援的成功案例。2002 年7 月，美國(guó)賓夕法尼亞州魁溪煤礦透水，9 名礦工通過(guò)地面大直徑救援井從78 m 井下獲救；2010 年8 月，智利圣何塞銅礦坍塌，33 名礦工通過(guò)地面大直徑救援井從688 m 井下獲救；2015 年12 月，山東平邑石膏礦坍塌，4 名礦工通過(guò)地面大直徑救援井升井獲救，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)利用地面大直徑救援井成功救人的先例[4]。

國(guó)內(nèi)外典型礦山事故地面鉆孔救援成功案例鉆遇地層單一或井深較淺，現(xiàn)有礦山應(yīng)急鉆孔救援技術(shù)多來(lái)自于石油鉆井、煤田勘查鉆井等，對(duì)松散覆蓋層、強(qiáng)含水層、裂隙發(fā)育等復(fù)雜地層深孔施工中，存在中靶精度低、安全和地層適應(yīng)性差、施工效率低等諸多方面的局限，難以普遍推廣。我國(guó)煤礦區(qū)地層條件復(fù)雜，松軟破碎、強(qiáng)富水含水以及裂隙發(fā)育等地層分布廣泛，復(fù)雜地層條件下救援鉆孔施工技術(shù)與裝備需深入研究，實(shí)現(xiàn)礦山井下事故高效成功救援，保障安全生產(chǎn)。同時(shí)，適用于井下坍塌巖體條件下的頂管鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研究尚屬空白[5-6]。

依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“礦山災(zāi)害生命保障救援通道快速安全構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)與裝備”，開(kāi)展井上井下救援通道構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究，在地面鉆孔成套裝備，救援提升裝備，生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)，大直徑救援井精準(zhǔn)安全高效鉆進(jìn)及透巷技術(shù)，大直徑頂管技術(shù)及裝備5 個(gè)方面取得了突破。

1 ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具

車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具是地面鉆孔救援施工的主要裝備。如圖1 所示，ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具主要包括鉆機(jī)、鉆具加卸系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)3 個(gè)部分。

圖1 ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具Fig.1 ZMK5550TZJF50/120 rescue truck-mounted drilling rig and supporting tools

救援井開(kāi)孔直徑一般大于800 mm，施工工藝復(fù)雜，在泥漿正循環(huán)、空氣正循環(huán)等常規(guī)工藝基礎(chǔ)上還可能用到泥漿反循環(huán)、空氣反循環(huán)、氣舉反循環(huán)、孔底密封局部反循環(huán)等工藝；時(shí)效要求嚴(yán)格，救援井鉆進(jìn)過(guò)程中需要對(duì)鉆具進(jìn)行大量的移動(dòng)、排放、上卸絲扣作業(yè)；鉆壓、轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)速度要求快，鉆機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電液控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性提出了較高要求[7-8]，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ZMK5550TZJF50/120 救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具參數(shù)Table 1 Parameters of ZMK5550TZJF50/120 rescue truckmounted drilling rig and supporting tools

1.1 適應(yīng)多工藝的大能力地面救援車(chē)載鉆機(jī)

救援車(chē)載鉆機(jī)(圖2)包括動(dòng)力頭、給進(jìn)裝置、專(zhuān)用車(chē)輛底盤(pán)3 部分，動(dòng)力泵站為鉆機(jī)提供動(dòng)力和控制源。

圖2 救援車(chē)載鉆機(jī)Fig.2 Rescue truck-mounted drilling rig

其中，動(dòng)力頭采用大直徑高壓旋轉(zhuǎn)密封、大通孔主軸、大通徑?jīng)_管、氣舉反循環(huán)氣管安設(shè)接口等設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍寬，可滿(mǎn)足多種鉆進(jìn)工藝，實(shí)測(cè)最大轉(zhuǎn)矩51 350 N·m，具備施工大直徑鉆孔和處理事故能力。給進(jìn)裝置采用鋼絲繩倍速伸縮桅桿式機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)工作行程14 m，短運(yùn)輸尺寸13.6 m，實(shí)測(cè)最大起拔力1 205 kN，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力解卡等事故的處理。專(zhuān)用車(chē)輛底盤(pán)采用10×8 前、后各2 橋的驅(qū)動(dòng)形式，帶有高、低兩檔速比分動(dòng)箱，分動(dòng)箱與驅(qū)動(dòng)車(chē)橋均有差速器和差速鎖，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)車(chē)對(duì)多種路面的全時(shí)越野行駛，充分適應(yīng)鉆機(jī)車(chē)在礦區(qū)及公路的行駛、搶險(xiǎn)、救援等多種緊急作業(yè)需求；配備發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)系統(tǒng)，能有效改善下長(zhǎng)坡時(shí)車(chē)輪過(guò)熱、輪轂老化過(guò)快等現(xiàn)象，顯著提高行駛安全性；輪廓尺寸和質(zhì)量符合GB 1589-2016《汽車(chē)、掛車(chē)及汽車(chē)列車(chē)外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的要求，形成國(guó)內(nèi)首款合規(guī)救援車(chē)載鉆機(jī)。

1.2 一體化鉆具自動(dòng)加卸系統(tǒng)

鉆具自動(dòng)加卸系統(tǒng)集HG2-01 型換桿裝置、ZMK135/920PT 型井口平臺(tái)、液壓提引裝置為一體(圖3)，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過(guò)程自動(dòng)、高效、安全起下鉆具。液壓提引裝置適用于?72～254 mm 鉆具，具有監(jiān)測(cè)扣合狀態(tài)功能，實(shí)測(cè)提引力達(dá)到2 025 kN，同時(shí)配備扣合監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提引裝置扣合狀態(tài)，自鎖式電液控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提引裝置夾緊和松開(kāi)鉆桿動(dòng)作的多重安全保障，平均起下鉆效率小于3 min/根。井口平臺(tái)最大開(kāi)口直徑920 mm，可實(shí)現(xiàn)大直徑集束式潛孔錘的通過(guò)要求，自動(dòng)擰卸裝置最大上扣轉(zhuǎn)矩80 kN·m，最大卸扣轉(zhuǎn)矩100 kN·m。鉆具自動(dòng)加卸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了起下鉆作業(yè)由人力參與向機(jī)械化的轉(zhuǎn)變，提高了起下鉆效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高安全操作水平，為救援孔快速施工提供了保障。

圖3 一體化鉆具自動(dòng)加卸系統(tǒng)Fig.3 Integrated drilling tool automatic loading and unloading system

1.3 基于鉆壓自適應(yīng)控制的電液控制系統(tǒng)

研究救援車(chē)載鉆機(jī)的鉆進(jìn)狀態(tài)判識(shí)方法和自適應(yīng)控制策略，構(gòu)建基于粒子群優(yōu)化支持向量機(jī)的鉆進(jìn)狀態(tài)判識(shí)系統(tǒng)及鉆機(jī)Petri 網(wǎng)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回轉(zhuǎn)與給進(jìn)裝置的協(xié)同自適應(yīng)控制模型，可準(zhǔn)確快速適應(yīng)地層變化。提出多目標(biāo)、多層次模糊自適應(yīng)控制算法，選取鉆頭直徑、泥漿排量、鉆孔深度、轉(zhuǎn)矩等7 個(gè)參數(shù)作為控制系統(tǒng)輸入，經(jīng)分析和處理，輸出給進(jìn)力、起拔力的控制信號(hào)，獲取預(yù)期的鉆壓。

基于此，開(kāi)發(fā)救援車(chē)載鉆機(jī)電液控制系統(tǒng)，采用分布設(shè)計(jì)、集中控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)及配套機(jī)具的一體化集成控制[9-11](圖4)。各機(jī)構(gòu)之間，采用CAN 總線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制，司鉆可實(shí)現(xiàn)鉆場(chǎng)的全方位掌控。操縱室控制箱內(nèi)部的數(shù)據(jù)記錄儀可實(shí)時(shí)記錄并傳送鉆機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，不間斷存儲(chǔ)3 個(gè)月。

圖4 集中控制的電液系統(tǒng)Fig.4 Centralized control of electro-hydraulic system

2 生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進(jìn)及人員探尋技術(shù)

生命保障孔是地面鉆孔救援的第一步，往往根據(jù)井下災(zāi)害情況分析結(jié)果、被困人員位置推斷等進(jìn)行布設(shè)，核心內(nèi)容包括3 點(diǎn)：一是精準(zhǔn)定向，確保與井下構(gòu)筑物連通；二是快速成孔，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)被困人員；三是人員探尋，在保障孔內(nèi)搜尋人員方位和生命狀態(tài)，生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)，如圖5 所示。

圖5 生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)Fig.5 Fast and precise drilling technology for life-support holes

2.1 復(fù)雜地層生命保障孔快速成孔技術(shù)

快速成孔技術(shù)方面，從鉆頭結(jié)構(gòu)和水力參數(shù)優(yōu)化兩方面重點(diǎn)加強(qiáng)，首先建立PDC 鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)體系，針對(duì)示范點(diǎn)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)適合于中軟-涌水復(fù)雜地層的高效PDC 鉆頭，作為“一趟鉆”提速增效的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)針對(duì)松散層，開(kāi)發(fā)了射流快速鉆進(jìn)技術(shù)，平均機(jī)械鉆速30 m/h 以上。開(kāi)發(fā)了松散覆蓋層等復(fù)雜條件下空氣潛孔錘跟管快速鉆進(jìn)技術(shù)組合，進(jìn)行了空氣鉆進(jìn)工藝與地層適應(yīng)性分析，在山東棲霞救援施工中進(jìn)行了應(yīng)用，68 h 鉆進(jìn)583 m，鉆速8.57 m/h，取得了顯著效果。對(duì)前述幾種鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，形成針對(duì)地層特征推薦鉆進(jìn)技術(shù)組合的評(píng)價(jià)體系，見(jiàn)表2[12-15]。鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)選體系(表3)。

表2 鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)選評(píng)價(jià)體系Table 2 Drilling technology preferential evaluation system

表3 鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)選體系Table 3 Priuing technology preferential system

2.2 超短距離螺旋糾偏技術(shù)

精準(zhǔn)定向方面，采用超短距離螺旋糾偏技術(shù)對(duì)生命保障孔軌跡控制、管柱屈曲、摩阻扭矩等進(jìn)行分析，在增、降井斜同時(shí)，圍繞垂直井眼軸線(xiàn)，進(jìn)行扭方位作業(yè)，延長(zhǎng)糾偏距離，降低糾斜段井眼曲率變化，減小井眼內(nèi)鉆柱摩阻扭矩和鉆柱軸向壓力，以達(dá)到井眼平滑、鉆柱安全的目的。該技術(shù)在山東棲霞笏山金礦救援中進(jìn)行了應(yīng)用，60 m 超短距離內(nèi)成功糾偏7.41 m，貫通第一條生命救援通道(圖6)。

圖6 超短距離螺旋糾偏技術(shù)Fig.6 Ultra-short distance spiral guiding technology

2.3 長(zhǎng)距離孔內(nèi)超寬帶雷達(dá)生命信息探測(cè)技術(shù)

提出了音視頻、雷達(dá)、氣體等多源信息動(dòng)態(tài)感知與融合的關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)與方法，基于超寬帶雷達(dá)生命信息探測(cè)識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建了400 MHz 超寬帶雷達(dá)穿透探測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，獲得了煤種、穿透厚度、探測(cè)距離等多因素對(duì)探測(cè)的影響規(guī)律，生命信息識(shí)別效果與煤的變質(zhì)程度呈正相關(guān)關(guān)系，變質(zhì)程度越高，生命信息識(shí)別范圍越大，識(shí)別效果越好[16-17]?；诖?，研制了生命信息探測(cè)的成套儀器(圖7)，雷達(dá)穿透距離8 m 以上，無(wú)線(xiàn)傳輸距離550 m，連續(xù)工作10 h 以上。

圖7 生命信息探測(cè)儀器Fig.7 Life information detection instrument

3 大直徑救援井精準(zhǔn)安全高效鉆進(jìn)及透巷技術(shù)

地面大直徑救援井能夠?qū)崿F(xiàn)救援逃生目的基于兩方面條件：一是快速成孔，減少人員井下被困時(shí)間；二是精準(zhǔn)安全透巷，精確鉆透被困人員所在巷道或避難硐室。同時(shí)盡量減少鉆井介質(zhì)潰入數(shù)量，避免對(duì)人員產(chǎn)生傷害。從快速鉆進(jìn)技術(shù)、大直徑鉆具及透巷方法3 方面保證大直徑救援井的精準(zhǔn)快速安全貫通，為救援提升設(shè)備提供通道[18-20]，如圖8 所示。

圖8 大直徑救援井精準(zhǔn)安全高效鉆進(jìn)及透巷技術(shù)Fig.8 Precise，safe and efficient drilling and tunneling technology for large diameter rescue

3.1 大直徑反循環(huán)快速鉆進(jìn)技術(shù)

大直徑反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，以井底水柱密封為主、井口硬密封為輔進(jìn)行聯(lián)合密封，井底軟密封通過(guò)地層水柱自然形成，潛孔錘設(shè)計(jì)采用雙通道排氣，解決了含水地層雙壁鉆具中心流道輸排能力與循環(huán)氣量不匹配的難題，保證沖擊器高效碎巖效果[21-22]，如圖9 所示。

圖9 大直徑反循環(huán)快速鉆進(jìn)技術(shù)Fig.9 Large diameter reverse cycle rapid drilling technology

3.2 大直徑集束式潛孔錘及配套鉆具

研制的?580、?680、?830 mm 系列集束式潛孔錘及配套鉆具(圖10)，設(shè)計(jì)了近三角異形及平底鉆頭結(jié)構(gòu)，增加多邊齒數(shù)量，提高碎巖效率和錘頭壽命。采用彈簧預(yù)壓式PDC 切削鉆頭，替換氣動(dòng)單錘，形成孔底沖擊體積碎巖與切削碎巖于一體的混合碎巖模式，在中硬巖段最大機(jī)械鉆速可達(dá)4 m/h。

圖10 ?830 mm 集束式潛孔錘Fig.10 ?830 mm cluster type DTH hammer

3.3 大直徑救援井精準(zhǔn)安全透巷技術(shù)

采用超聲成孔檢測(cè)儀和高精度MWD 減震探管，在井口設(shè)定儀器的初始方位角，磁干擾條件下測(cè)量不同井深套管與垂線(xiàn)距離，計(jì)算覆蓋層底部井眼中心坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了工程試驗(yàn)的精準(zhǔn)透巷。提出了先導(dǎo)孔軌跡精確動(dòng)態(tài)控制方法，確保?346 mm 先導(dǎo)孔軌跡平滑?；跀?shù)值模擬分析和工程實(shí)踐驗(yàn)證，結(jié)合巷道頂板地層特性，分析透巷過(guò)程中頂板塑性破壞及位移情況，為確定安全透巷距離提供設(shè)計(jì)依據(jù)[23-24]。透巷采用空氣欠平衡鉆進(jìn)方法，可控制介質(zhì)潰入量10 m3以?xún)?nèi)。

4 XZJ5240JQZ30 型救援提升車(chē)

救援提升車(chē)(圖11)是地面鉆孔救援裝備的重要組成部分，大直徑救援井成井后，通過(guò)提升艙將被困人員從井下提升至地面。主要有3 個(gè)方面的功能要求：一是具備優(yōu)異的通過(guò)能力且操作平順，可以快速安全地實(shí)施救援提升工作；二是提升艙應(yīng)具備二次逃生、輔助支撐等保護(hù)功能，為被困人員提供安全防護(hù)；三是地面操作人員能夠與艙內(nèi)人員實(shí)時(shí)互動(dòng)通信，了解被困人員狀態(tài)，在救援提升過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集井下環(huán)境參數(shù)、井筒結(jié)構(gòu)及狀態(tài)參數(shù)等，并將獲得的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行重構(gòu)和顯示，實(shí)現(xiàn)救援過(guò)程的精準(zhǔn)操作和科學(xué)決策[25-26]。

圖11 XZJ5240JQZ30 型救援提升車(chē)Fig.11 XZJ5240JQZ30 rescue lifter

4.1 高可靠性救援提升系統(tǒng)

具備通信功能的大容繩量穩(wěn)定提升系統(tǒng)(圖12)針對(duì)大直徑鉆孔救援通信的特殊需求，基于鋼絲繩內(nèi)嵌電纜和ADSL2 技術(shù)，將井下信號(hào)經(jīng)過(guò)848 m 鋼絲繩穩(wěn)定可靠地傳輸至地面，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)長(zhǎng)距離、高速率、低功耗傳輸。一方面，通過(guò)多因子繩長(zhǎng)算法和液壓控制技術(shù)提高繩長(zhǎng)計(jì)算精度，解決了起升換層速度平順性控制的難題。另一方面，開(kāi)發(fā)了臂架撓曲預(yù)測(cè)算法、起重機(jī)作業(yè)幅度自動(dòng)補(bǔ)償控制算法，實(shí)現(xiàn)多因素影響吊臂變形預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)消除吊臂幅度偏移量，解決機(jī)電液系統(tǒng)響應(yīng)慢的難題。

圖12 救援提升系統(tǒng)Fig.12 Rescue lifting system

4.2 多功能柔性救援提升艙

提升艙(圖13)上下艙體彎曲角度2.2°以?xún)?nèi)柔性可調(diào)節(jié)，具有更好的通道適應(yīng)性。人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的載人艙體參數(shù)和輔助結(jié)構(gòu)符合人體體型正態(tài)分布。救援提升艙作為被困人員、通信系統(tǒng)、信息重構(gòu)系統(tǒng)的載體，同時(shí)可通過(guò)緩降機(jī)、底部脫開(kāi)裝置協(xié)作實(shí)現(xiàn)二次逃生[27-28]。

圖13 救援提升艙Fig.13 Rescue lift cabin

4.3 提升救援井重構(gòu)方法與通信監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

基于最小二乘圓法確定井筒中心線(xiàn)、基于最大內(nèi)接圓法確定井筒通過(guò)直徑，基于OPGL 軟件重構(gòu)救援井筒三維模型[29-31]。同時(shí)，搭建了多傳感器信息融合的通信監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)不同類(lèi)型傳感器及通信儀器，實(shí)現(xiàn)提升力、提升速度、提升艙位置、主屏顯示、分屏顯示、場(chǎng)景錄制與回放等多種信息融合，現(xiàn)場(chǎng)可及時(shí)了解人員升井過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類(lèi)狀況，指導(dǎo)提升救援[32]，如圖14 所示。

圖14 通信監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)Fig.14 Communication monitoring and control system

5 井下大斷面頂管救援技術(shù)及裝備

井下坍塌巷道救援時(shí)效要求緊迫，在快速、高效地破碎、清理坍塌體內(nèi)巖石的同時(shí)，需對(duì)開(kāi)挖空間的圍巖進(jìn)行有效控制，以保證救援隊(duì)伍和裝備的安全，避免被困人員受到二次傷害[33-34]。

5.1 井下大斷面頂管救援裝備

ZDG1500 型井下頂管機(jī)(圖15)管體直徑1 630 mm，頂推力8 541.2 kN，大開(kāi)口刀盤(pán)可在破碎巖石的同時(shí)為被困人員提供逃生通道，從刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、支撐強(qiáng)度、開(kāi)口率等技術(shù)要求出發(fā)，確定刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，共配備10 把滾刀、10 把切刀、2 把刮刀。大流量排渣技術(shù)和大角度糾偏技術(shù)實(shí)現(xiàn)了破排一體的無(wú)間斷作業(yè)及松散、非穩(wěn)定地質(zhì)條件的定向，可輸送渣石最大粒徑300 mm，運(yùn)渣量10 m3/h；模塊化、自支撐主頂快速組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)頂管救援裝備快速組裝和施工支護(hù)，提高施工效率[35-36]。

圖15 井下大直徑頂管機(jī)刀盤(pán)系統(tǒng)Fig.15 The knife dish system for downhole large diameter pipe jacking machine

5.2 干式頂管施工技術(shù)

坍塌巷道為未知性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高的工作環(huán)境，通過(guò)開(kāi)發(fā)基于多目標(biāo)規(guī)劃的坍塌性巷道頂管快速施工技術(shù)和異常工況識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建了井下快速運(yùn)輸與預(yù)施工技術(shù)體系，如圖16 所示。采用有限元-離散元耦合的方法獲得較好的掘進(jìn)參數(shù)組合，優(yōu)化結(jié)果為在轉(zhuǎn)速3 r/min，頂進(jìn)速度0.12～0.18 m/min 時(shí)，頂管作業(yè)頂進(jìn)效果最佳[37-39]。

圖16 干式頂管施工工藝流程Fig.16 Dry pipe jacking construction process

6 工程試驗(yàn)及應(yīng)用

分別在2 個(gè)示范點(diǎn)進(jìn)行了工程試驗(yàn)，在寧夏寧煤梅花井礦開(kāi)展地面鉆孔救援集成工程試驗(yàn)，在廣東省基礎(chǔ)資源有限公司碎石場(chǎng)開(kāi)展了頂管鉆進(jìn)工程模擬坍塌條件下的試驗(yàn)。

6.1 地面鉆孔救援集成工程試驗(yàn)

地面鉆孔救援集成工程試驗(yàn)包括生命保障孔鉆進(jìn)、大直徑救援井鉆進(jìn)、救援提升3 方面，同時(shí)對(duì)救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)孔位設(shè)置于梅花井礦副立井工業(yè)廣場(chǎng)，位于+697 m 水平車(chē)場(chǎng)上方，地層為大傾角、造斜能力強(qiáng)不易控制井斜，巖層偏軟、含水，該地區(qū)的鉆孔施工常因出現(xiàn)涌水、漏失、縮徑、坍塌等造成鉆孔事故。其中，梅花井礦有4 個(gè)含水層，對(duì)本次工程試驗(yàn)影響較大的是侏羅系直羅組，每小時(shí)涌水量達(dá)50 m3。

(1)生命保障孔工程試驗(yàn)，采用“一趟鉆”提速增效關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)鉆進(jìn)，完成井徑215.9 mm、井深670.5 m 的鉆孔，用時(shí)46.83 h，平均鉆速14.32 m/h，井底水平位移0.27 m，滿(mǎn)足72 h 黃金救援時(shí)間內(nèi)成孔要求，井身結(jié)構(gòu)如圖17 所示。

圖17 生命保障孔井身結(jié)構(gòu)Fig.17 Life support hole well structure

(2)大直徑救援井工程試驗(yàn)，采用井底軟密封方式建立反循環(huán)，利用集束式潛孔錘鉆進(jìn)，解決了大直徑井高效碎巖與排渣難題，實(shí)現(xiàn)了大直徑救援井精準(zhǔn)、安全、快速鉆進(jìn)。完成井徑830 mm、深度624.1 m 鉆孔，平均機(jī)械鉆速3.1 m/h，透巷井深654.1 m，偏移距0.19 m，介質(zhì)潰入井下數(shù)量約7.5 m3，滿(mǎn)足鉆孔救援需求，井身結(jié)構(gòu)如圖18 所示。

圖18 大直徑救援井井身結(jié)構(gòu)Fig.18 Large diameter rescue well shaft structure

(3)救援井成井后，進(jìn)行了地面救援提升技術(shù)與裝備試驗(yàn)。井徑、氣體濃度測(cè)量和音視頻通信功能正常，完成了傳感器信息融合和救援井信息重構(gòu)，可為科學(xué)操作與決策提供依據(jù)，圖19 為救援提升試驗(yàn)中信息融合和重構(gòu)系統(tǒng)顯示界面。

圖19 信息融合和重構(gòu)系統(tǒng)顯示界面Fig.19 Information fusion and reconfiguration system display interface

(4)施工過(guò)程中克服了施工條件惡劣、地層情況復(fù)雜等困難，使用了泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)、集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)、PDC 鉆頭多級(jí)擴(kuò)孔、單體式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)等多種鉆進(jìn)工藝，充分驗(yàn)證了鉆機(jī)多工藝適應(yīng)性。救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具一體化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了司鉆對(duì)鉆場(chǎng)的全方位掌控，鉆具加卸系統(tǒng)效率3 min/根以?xún)?nèi)，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)精度和安全性，實(shí)現(xiàn)了起下鉆作業(yè)由人力向機(jī)械化的轉(zhuǎn)變，圖20 為救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具工業(yè)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖20 救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具工業(yè)性試驗(yàn)Fig.20 Industrial testingo f rescue truck-mounted drilling rig and supporting tools

6.2 大直徑頂管模擬試驗(yàn)

在廣東省基礎(chǔ)資源有限公司廠(chǎng)房?jī)?nèi)施工碎石坑，并堆積碎石，從巖石特征、形成原因、施工環(huán)境特征3個(gè)方面對(duì)碎石場(chǎng)和坍塌巷道進(jìn)行了對(duì)比分析(圖21)，碎石場(chǎng)圍巖特征、施工環(huán)境等方面與坍塌巷道相似度較高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下大斷面頂管救援技術(shù)及裝備的驗(yàn)證。

圖21 模擬坍塌體構(gòu)建分析Fig.21 Simulate collapse construction analysis

耗時(shí)10 d，完成碎石坑施工、坍塌巷道實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建；耗時(shí)15 d，完成主頂機(jī)構(gòu)安裝、設(shè)備調(diào)試、試頂進(jìn)等相關(guān)工作，試運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)局部排渣不暢等問(wèn)題，完成刀盤(pán)拆卸及整改。救援頂管機(jī)的頂進(jìn)模擬試驗(yàn)耗時(shí)20 d，施工長(zhǎng)度102.5 m，日進(jìn)尺43.92 m，頂進(jìn)誤差0.35 m，圖22 為模擬試驗(yàn)透巷現(xiàn)場(chǎng)。

圖22 井下大直徑頂管機(jī)模擬試驗(yàn)Fig.22 Simulation test of downhole large diameter pipe jacking machine

6.3 典型應(yīng)用

研究成果在山西茂華萬(wàn)通源煤業(yè)透水、湖南源江山煤礦透水、山東棲霞笏山金礦爆炸、新疆昌吉豐源煤礦透水、寧夏寧煤清水營(yíng)礦冒頂事故5 次礦山災(zāi)害應(yīng)急救援中進(jìn)行了應(yīng)用。其中，復(fù)雜地層生命保障孔快速、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)成果參與了山東棲霞救援，前期其他救援隊(duì)伍在施工3 號(hào)孔鉆至521 m 后發(fā)現(xiàn)已偏差7.41 m，面臨無(wú)法透巷即將報(bào)廢的難題，采用超短距離螺旋糾偏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)60 m 超短距離成功糾偏，貫通3 號(hào)孔，為挽救11 名被困礦工生命做出突出貢獻(xiàn)；同時(shí)，利用多源信息智能探測(cè)器，在井深586 m 處“連線(xiàn)”被困礦工，探測(cè)了井下巷道空間、積水情況，為技術(shù)專(zhuān)家、醫(yī)療專(zhuān)家制定后續(xù)救援技術(shù)方案提供了可靠的一手資料，圖23 為救援現(xiàn)場(chǎng)。

圖23 山東棲霞金礦鉆孔救援現(xiàn)場(chǎng)Fig.23 Qixia Gold Mine drilling rescue site in Shandong Province

7 技術(shù)對(duì)比分析

對(duì)照上述研究?jī)?nèi)容，將礦山災(zāi)害生命保障救援通道快速安全構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)與裝備進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表4。

表4 技術(shù)與裝備對(duì)比分析Table 4 Comparison and analysis of technology and equipment

對(duì)比分析可知，ZMK5550TZJF50/120 型專(zhuān)用救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具能力大、自動(dòng)化程度高、協(xié)同性好，整體優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)裝備。生命保障孔鉆進(jìn)技術(shù)和大直徑救援井鉆進(jìn)及透巷技術(shù)的集成試驗(yàn)示范，是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展此類(lèi)技術(shù)集成研究及示范，達(dá)到了600 m深度鉆孔救援的要求。救援提升裝備的功能及能力得到了驗(yàn)證，性能較以往產(chǎn)品更加完善，優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品。

8 結(jié) 論

a.ZMK5550TZJF50/120 型救援車(chē)載鉆機(jī)及配套機(jī)具對(duì)救援工況的工藝適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加卸鉆桿，通過(guò)一體化集中控制系統(tǒng)，司鉆人員可以在鉆進(jìn)過(guò)程中精確控制鉆進(jìn)參數(shù)，全方位掌控鉆場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種異常狀況，徹底消除了司鉆人員的視覺(jué)盲區(qū)，可有效預(yù)防鉆場(chǎng)及孔內(nèi)事故發(fā)生。

b.生命保障孔采用“一趟鉆”提速增效關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)，采用基于軌跡控制、管柱屈曲、摩阻扭矩的超短距離螺旋糾偏技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成孔，可以滿(mǎn)足黃金救援時(shí)間內(nèi)成孔要求。

c.大直徑救援井采用先導(dǎo)孔井眼軌跡精確控制技術(shù)和集束式潛孔錘反循環(huán)擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)，解決了大直徑井高效碎巖與排渣難題，兼顧高效鉆進(jìn)與大直徑套管安全下放。結(jié)合巷道頂板地層特性，分析透巷過(guò)程中頂板塑性破壞及位移情況，優(yōu)選安全透巷距離，確保透巷時(shí)頂板穩(wěn)定。

d.XZJ5240JQZ30 型救援提升裝備集救援提升車(chē)、柔性救援提升艙和救援通信監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)于一體，結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎半徑小，提升艙通道適應(yīng)性好，最大救援深度848 m，可實(shí)現(xiàn)救援井模型重構(gòu)和救援信息有效傳輸。

e.大直徑頂管技術(shù)與裝備解決了大流量排渣、模塊化自支撐主頂快速組裝及被困人員逃生通道形成的難題，可以實(shí)現(xiàn)井下適當(dāng)條件下的快速救援，是對(duì)地面鉆孔救援的有效補(bǔ)充。

f.形成的3 項(xiàng)救援通道施工技術(shù)及3 套救援裝備，構(gòu)成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的礦山井上井下聯(lián)合救援技術(shù)與裝備體系，可滿(mǎn)足600 m 深度的礦山應(yīng)急救援需求，為我國(guó)礦山災(zāi)害救援提供技術(shù)裝備支撐。

g.相關(guān)成果參與了山西萬(wàn)通源煤礦、湖南源江山煤礦、山東棲霞金礦、新疆豐源煤礦以及寧夏清水營(yíng)煤礦等5 次礦山災(zāi)害應(yīng)急救援工作，社會(huì)效益顯著。除礦山應(yīng)急救援外，相關(guān)成果還可應(yīng)用于礦山電纜井、通風(fēng)井、輸料井、排水孔、瓦斯強(qiáng)排井等工程的施工，具備較好的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益。