地下鉆孔科學技術和設備與資源能源、地質災害、基礎工程及可持續發展

【摘要】資源、能源、環境、可持續發展、上天、入地、下海、登極的宏偉計劃，是人類社會關注并奮斗的永恒主題。人類社會在上述活動中，都必不可少地采用“地下鉆孔”的工程手段。目前，資源的緊缺、能源的耗竭、環境的污染、地質災害的頻發、大規模的基礎工程建設等等，對鉆孔科學技術和設備提出了新的要求。先進的鉆孔機械設備，領先的鉆孔工藝技術，應成為當前較長時期內急需研究和發展的對象。

【關鍵詞】鉆孔設備和技術；能源；資源；地質災害；基礎工程；科學鉆探

Resource， energy sources， circumstance， geologic hazards， foundation engineering， sustainable development， and the science and technology and facilities of underground drilling

Yin Qi-lei， Fan Li-ming

(College of Construction Engineering，Jilin UniversityChangchunJilin130061)

【Abstract】Great projects of resource， energy sources， circumstance， sustainable development， spaceflight， underground engineering， submarine engineering and polar region works are the aims cared by the whole human society. During those activities， the “Underground Drilling”， is used as a kind of engineering technique inevitably. At the present time， a new requirement is put forward due to the shortage of resource， exhausted energy sources， pollution of circumstance， frequent occurrence of geologic hazards， large scale of foundation engineering and so on. And， advanced drilling machines and techniques should become the objects which need to be researched and developed not only for the moment but also for a long period.

【Key words】Drilling facilities and techniques；Energy sources；Resource；Geologic hazards；Foundation engineering；Scientific drilling project

地球是我們人類可愛的家園。她的地下資源是人類賴以生存和發展的物質基礎。我們在充分利用地下資源的同時，也必須科學地開發資源，保護資源。這個步入中年，已有47億歲的地球，在人類僅有5000多年文明史中特別是近百年來的時間里，受到了嚴重的破壞，其資源的消耗，能源的枯竭，環境的污染，氣候的惡化，地質災害頻發等，使人類的可持續發展面臨嚴重的挑戰。

資源、環境、可持續發展，上天、入地、下海、登極的宏偉計劃，是人類社會關注并奮斗的永恒主題。人類社會在圍繞上述活動中，都必不可少地采用“地下鉆孔？”的工程手段，即通過機械設備和工具，在地球的表面包括陸地、南北極地，也包括占地球表面積70％以上的海洋，以及在外星球上進行鉆孔作業，從而實現勘探資源，獲取資源，開發利用能源，保護和治理環境，預防、監測和治理地質災害等目的，同時更深入地了解和感知地球內部的信息，科學地利用并保護地球，實現人類社會的可持續發展。

1. 地下鉆孔技術與資源和能源

礦產資源包括固體礦產資源和流體礦產資源。地球內部蘊藏的資源總量是恒定的，不可再生。人類社會高速發展，對資源量的需求和依賴也越來越大。當今世界資源緊缺，價格大幅上漲，現已有45種礦產資源供給不足，亟待資源的進一步勘探和開發。前幾十年，對易進入地區和淺表層資源勘探開發的程度較高，資源已近枯竭；而對邊遠、高原、復雜條件及深部地層資源勘探不足，有待于更大的投入和開發。礦產資源的不足，帶來了地質勘探的第二個春天?，F今世界高度重視資源的勘探與開發，我國政府也做出了加強地質工作的決定，礦業領域的改革和開放，極大地激發了人們開發礦業地熱情。投資礦業，加速勘探和開發，已成為世界（包括中國）的經濟熱點。先進的鉆孔設備，領先的鉆孔技術，應是當前較長時期內急需研究和發展的對象。發明和創造先進的鉆孔工藝方法，集成和綜合多種鉆孔工藝方法于一體，大幅度提高鉆孔速度，降低鉆孔成本，研究和開發全液壓動力頭式勘探鉆機，深孔勘探鉆機，大功率鉆機，多功能智能化鉆機等，將對人類社會的進步和可持續發展作出大的貢獻。

以石油、天然氣、煤炭、煤層氣為表征的能源勘探開發工作量劇增。圍繞能源勘探開發所需的鉆孔技術需不斷創新，鉆孔設備需求量大，國內外的鉆孔工程界都在積極努力工作，我國也在積極引進、吸收和再創新，研制開發適合國情的能源勘探開發設備，以滿足當前能源勘探開發的需求。

天然氣水合物（也稱可燃冰）的勘探和研究，又為人類獲取新能源開辟了更廣大的領域。賦存于深海海底和永凍地層中的天然氣水合物，其總量是已探明的能源——石油、天然氣、煤炭等能源總量的2倍以上，世界各國均在競相研究。隨著天然氣水合物勘探開發技術的進步和成熟，將需要大量的天然氣水合物鉆孔勘探與開采的機械裝備。

上述能源均屬于不可再生的且存在污染的傳統能源。眾所周知，地球由三個圈層組成，地球的中心既地核直徑達幾千公里，熔融狀態的物質溫度高達數萬度。由地表向下鉆孔，每公里深的溫度梯度平均為30℃，幾公里深處的地下鉆孔內的溫度可達一百多度，可直接用于發電。有資料報道，德國2006年曾施工二口用于試驗研究的地下貫通井，井深6.2公里，二口井的水平距離為12公里。由一口井向下注水，另一口井則排出近200 ℃多度高溫的蒸汽，直接用于發電。地球內部的地心熱能，潔凈無污染，是不會枯竭的永恒能源。充分利用地心熱能，是解決人類能源不足的未來希望所在。深孔、大功率的鉆孔機械加之先進的鉆孔工藝技術，取得快速的鉆井效率，實現低的施工成本和較短的施工周期，是開發地下熱能的前提條件。

水井和地熱井的鉆鑿，旨在解決我國大部分城市供水不足和利用地熱異常尋找地熱資源作為能源的地下鉆孔工程。地下賦存著豐富的水資源，即便是干旱的沙漠地區，其地下水也往往豐富異常。我國西部地區，地域廣袤，沙漠侵襲的面積大，因而人煙荒蕪。地下水的開發和利用，可使沙漠變為綠洲。多數經濟欠發達或落后的地區，其主要根源就是干旱缺水。充分開發和合理利用地下水資源，是使我國經濟和社會快速發展的一個重要前提。水井鉆機和地熱井鉆機，伴隨著鉆孔工藝技術的進步與發展，如潛孔錘反循環鉆進技術，氣舉反循環鉆進技術，噴射鉆進技術及沖洗液技術的發展，其鉆井速度將大幅提高，鉆井成本大幅降低，成井質量優，完井速度快，將會有很大的發展空間。目前國內水井、地熱井鉆鑿領域技術方法落后，鉆進效率不高，施工周期很長。國外，例如非洲干旱地區的水井工程在世界各國的支持下，水井鉆鑿均已實現了潛孔錘鉆進，鉆井速度快，一天一口井，迅速改變著非洲干旱地區的面貌。先進的水井鉆機，必須與先進的鉆孔工藝方法相結合，方能顯示出水井鉆孔機械的施工能力。在該領域要做的工作和待研發的機械裝備數量很大，工作任務重，隨著我國經濟的增長和社會的快速發展，其需求量將會迅速凸顯出來。

生態建筑、環保建筑和智能化建筑的理念已在全球興起。人類生產生活用房，既要節約能源，又要滿足環保要求。淺層地熱和地源熱泵技術的成熟和發展，已為今后將其廣泛用于房舍空調和供暖奠定了基礎。每棟房屋，利用地溫來調節室內溫度，通過地源熱泵與數十至數百個地下鉆孔進行能量交換，使房間內永遠保持理想適宜的溫度，同時又大幅度減少能源消耗，對周邊環境更是沒有污染。該項技術的重點還是大量地下淺層（100米左右）鉆孔的施工問題。對鉆孔施工機械的要求仍然是快、好、廉的原則。國內已經開始并且有計劃地對淺層地熱進行開發利用，從而使建筑物節能環保，溫暖舒適。此類鉆孔的地下施工機械，應適應城區施工作業的條件，應滿足成孔、下管（U形管）、灌注等工序的要求。截至目前，還沒有形成專門化的鉆孔工藝技術，還沒有研發出專門的機械設備施工此類鉆孔。

2. 地下鉆孔機械與環境和災害防治

人類的生產和生活活動已嚴重污染并破壞了環境。地球數十億年形成的能源被人類僅用數百年的時間將消耗殆盡，由此而形成的廢棄物質飄逸在大氣層，深入到地球表面，污染河流和海洋，使地球的氣候災害增多，地質災害頻發。地殼自身運動（板塊漂移、隆升、擠壓和褶皺等）、氣候變暖加之人類生產生活對地球的破壞，使地球環境受到嚴重威脅，已經和嚴重影響了人類的生活。對地球環境的保護，除了充分利用太陽能、風能、水能外，還要大力開發利用地熱能源。地熱能、風能、太陽能等新能源是永恒、潔凈、無污染的能源，可以與人類與時俱進，相依發展，滿足人類可持續發展的需求。地熱能源開發利用的程度如何，依賴于地下鉆孔科學技術的發展和地下鉆孔機械設備的研發水平。因此，我們應加大投入，快速研發，推向市場，勢必會改變人類的生存條件，同時也保護了地球——我們的家園。

地震、滑坡、泥石流、高邊坡塌落等地質災害頻繁發生，感知、預測、監控和治理地質災害，是人類與自然界的挑戰和較量。施工地震觀測孔、沉降測量孔、擋土樁孔、錨索孔等，以預防和治理地質災害，將地質災害的損失減到最小，是我們的奮斗目標。深入研究鉆孔科學技術，研制用于地質災害防治的地下鉆孔機械是人類社會發展所需，是人類挑戰自然界的有力武器。

3. 鉆孔機械與基礎工程

改革開放以來，我國的基礎設施和建筑工程如雨后春筍，蓬勃發展。各類基礎工程量劇增：鉆孔灌注樁、地下連續墻、深基坑支護、防滲墻、帷幕灌漿孔、非開挖管線鋪設等地下鉆孔工程量巨大，全國煞然是一個大的建設市場。

80年代鉆孔灌注樁技術日漸成熟。90年代初，江西地勘局在上海首先應用了鉆孔灌注樁技術，原上海探礦機械廠適時研發了GPS型系列工程鉆機和配套設備，其產品一舉占領全國市場的半壁江山。近些年伴隨環保對泥漿排放的高標準要求和鉆孔灌注樁干式作業法的誕生，以及為滿足快速施工作業的要求，旋挖鉆機、連續墻鉆機大批量進口，同時我國也開始了研發。從設備的全部進口到設備國產化程度的提高，我們國家走過了一個引進、消化、吸收、再創造的創新過程。我國多家大型工程機械制造企業順應時代要求，堅持自主創新，研發出多種旋挖鉆機和連續墻鉆機，其銷售遍布全國，迎來了我國地下工程施工的第二次騰飛，同時也提升了我國基礎工程施工的實力和形象，使其與國際接軌，步入了國際先進行列。上海金泰公司又瞄準了大直徑硬巖鉆孔施工設備的研發，產、學、研相結合，有機組合旋挖鉆機與大直徑潛孔錘技術，走上自主創新的研發之路，將從根本上解決大直徑樁孔嵌巖的工程難題，趕超世界先進水平。

為滿足非開挖管線鋪設的需求，近些年各類非開挖設備發展迅速：沖擊矛、夯管錘、導向鉆機等隨之出現，適應了管線鋪設工程的需求?？煽貨_擊矛、油壓夯管錘、硬巖導向鉆進技術等新設備和新技術仍在不斷發展中。

4. 鉆孔機械與科學鉆探

人類要探知星球，就需要能夠潛入到星球內部進行觀察的望遠鏡——科學鉆探。目前，地下鉆孔工程的發展遠落后于航天工程。陸地上最深的科學鉆孔是前蘇聯位于科拉半島的超深鉆，孔深達12.66公里，與地球的直徑相比宛如蚊蟲的叮咬；南極冰鉆孔深記錄也是前蘇聯創下的3600米，至今仍未穿透冰層。我國2000～2005年實施的亞洲第一口科學鉆探井——江蘇東?？茖W鉆探工程，完全利用國產鉆孔設備、機具和鉆探技術，勝利完成了預期鉆進孔深5332米的任務，同時也實現了預期的科學目標，解讀了大陸漂移和地殼板塊碰撞理論，發現了新的礦產資源及其形成機制，通過鉆孔通道提前捕捉到了地震和海嘯的信息，為人類提前獲取地下信息、預防地質災害提供了手段。

國際大洋鉆探計劃已有十幾個國家參加，我國是成員國之一。該計劃將在全球五大洋遍布科學鉆孔，預計最大孔深超過萬米，其中海水深6000米，海底鉆孔深6000米。為探索海洋資源和相關科學信息，經濟發達國家已投巨資建造鉆探船，創新研發海上作業的鉆孔設備，研究新的鉆孔技術方法，以適應大洋鉆探的需求。隨著陸地資源的日益匱乏，開發海洋資源是必然趨勢。研究海洋鉆孔科學技術，超前進入研發階段，是搶占市場先機的有識之舉。

世界大國的星球探測計劃和我國已經開始實施的嫦娥探月計劃，最終目標都是要實現在外星球上鉆孔取心，了解外星球的內部信息，勘探外星球的資源，為人類獲取外星球的資源、建設人類的第二個家園而努力，而星球鉆孔工藝技術和機械是實現人類夢想的必不可少的工具和手段。

讓我們的地下鉆孔科學技術在人類發展史上做出更多、更大的貢獻！

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［基金項目］教育部“國家級創新人才實驗計劃項目”

［文章編號］1619-2737（2011）03-20-005

［作者簡介］殷其雷（1984-），男，吉林長春，吉林大學在讀本科生，勘查技術與工程專業。