氣動潛孔錘技術在礦山事故鉆孔救援中的應用

趙江鵬，郝世俊

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

礦山安全具有長期性、復雜性和反復性特點[1]。礦井透水、頂板坍塌等安全事故時有發生，需要科學高效地組織營救被困人員、減少經濟損失和挽回社會不良影響[2-3]。我國十分重視應急救援工作，構建了以政府為主導的國家(區域)、地方和礦山企業三級應急力量礦山應急救援體制[4]。鉆孔救援是以拯救生命為目的，綜合運用工程技術、物探技術、視頻通信、醫療救治、心理干預，以及航空航天的環境、生命支持等技術，通過鉆孔工程構建外界與目標災區的聯系通道，開展人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源、人員提升等搶險營救工作[5-6]。鉆孔救援在我國于2004 年河南超化煤礦透水事故救援中首次開展演練應用，現已發展成為一種有效礦山事故處置手段，而被廣泛用于礦山事故救援實踐?！翱焖佟⒕珳?、安全”構建救援鉆孔是鉆孔救援的關鍵。為實現救援鉆孔的快速鉆進目標，氣動潛孔錘鉆進技術成為相關研究和救援實踐的首選方案。

氣動潛孔錘是實現氣動潛孔錘鉆進的重要井下破巖工具，所需轉速低、轉矩小、鉆壓小。最早主要用于采礦爆破孔，至20 世紀50 年代末，由于其很好地解決了牙輪鉆頭硬巖大鉆壓難題，且可以提高鉆進效率，降低鉆進成本，克服漏失地層難鉆進問題，因而，迅速拓展應用至其它鉆井工程領域[7]。在基樁工程領域，氣動潛孔錘孔徑已達2 000 mm 以上，針對排渣難題，發展形成大直徑潛孔錘螺旋排渣、大直徑潛孔錘濕式反循環排渣等技術[8-9]。在油氣井、水文水井、地熱井和固體礦產鉆探等工程領域，孔徑大多處于80～450 mm，普遍采用氣動潛孔錘正循環排渣方式，鉆深已達3 000 m以上[10-16]。氣動潛孔錘在礦山事故鉆孔救援中多次發揮重要作用。作為最為典型兩類救援鉆孔，搜救孔和救援孔的孔徑相差很大，在應用氣動潛孔錘的技術難度和具體工藝方法有著顯著的差異[17-21]。

然而，目前仍未見相關研究者就氣動潛孔錘在礦山事故鉆孔救援中發展現狀進行全面梳理。因此，有必要開展此項調查研究工作，并分析氣動潛孔錘技術存在問題與發展前景，以期為相關領域研究人員提供有益參考。

1 氣動潛孔錘鉆井技術

1.1 破巖機理

氣動潛孔錘是以沖擊載荷為主，慢速回轉切削為輔的方式破巖，且具有低頻率、大沖擊功特點。沖擊載荷產生的沖擊力以應力波作用于巖石，接觸應力瞬間可達到極高值，應力比較集中，所以盡管巖石的動硬度要比靜硬度大，但仍易產生裂紋，而且沖擊速度越大，巖石脆性增大，越有利于裂隙發育，因此，在數十焦耳的較小沖擊能條件下，可以破碎極堅硬的巖石。鉆頭刃具軸向靜壓力主要用來克服鉆具的反彈力，改善沖擊能的傳遞?；剞D力矩主要是使刃具沿孔底剪切兩次沖擊間殘留的巖石脊峰。所以，氣動潛孔錘鉆進具有沖擊破巖和回轉破巖兩者的特征，互為補充，發揮各自優點，對于脆性巖石來說，利用這種沖擊壓碎和回轉剪切作用，造成大顆粒巖體的剝離作用，隨著巖石的脆性與硬度增大，產生裂紋、體積破碎巖石的效果愈加顯著[12，22]。

1.2 氣動潛孔錘類型

隨著技術革新的不斷深入和應用領域的持續拓展，國內外氣動潛孔錘生產廠家所推出的產品種類較多、規格系列齊全，可滿足高壓、中壓、低壓等不同氣體條件需求，鉆孔深度可達3 000 m 以上，成孔直徑可達2 m以上。結構型式多種多樣，既有一次性成孔的全斷面氣動潛孔錘，也有擴孔用氣動潛孔錘，既有單體式氣動潛孔錘，也有集束式氣動潛孔錘(圖1)，既有用于正循環的氣動潛孔錘，也有用于反循環的氣動潛孔錘，還有反井用氣動潛孔錘和跟管用氣動潛孔錘。

圖1 氣動潛孔錘實物Fig.1 Pneumatic down the hole hammer

已用于礦山事故鉆孔救援的氣動潛孔錘產品類型也較多，鉆頭規格多處于?200～?850 mm，基于不同用途的救援鉆孔和鉆井方法，主要有單體式、集束式、正循環、反循環等多種不同的結構型式。

1.3 鉆井方法

高壓氣體是氣動潛孔錘工作介質，同時也是孔內排渣、冷卻刃具的沖洗介質。根據高壓氣體循環方向和排渣方式的不同，氣動潛孔錘鉆井可區分為正循環、下排渣、反循環等幾種方法。

1)正循環鉆進

正循環鉆進是氣動潛孔錘最為常用的一種鉆進方法。所謂正循環是指高壓氣體在孔內的循環方式，具體為：壓縮機組產生的高壓氣體沿鉆桿柱中心流道進入孔底，驅動潛孔錘工作后從鉆頭底部噴出，攜帶破碎巖屑經由鉆桿與孔壁形成的環狀空間上返至孔外[23-24]。

氣動潛孔錘正循環鉆進配套鉆具主要包括：常規單壁鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、轉換接頭、穩定器和止回閥鉆具等。

2)下排渣鉆進

下排渣鉆進是指在擴孔鉆進過程中，巖粉(屑)在重力作用下沿底部鉆孔掉落至井下巷道的一種鉆進方法[25-28]。在擴孔鉆進時由于孔底新鮮巖石面處于自由狀態，被破碎的巖粉、屑容易揭離孔底并掉落井下巷道，因此，采用該方法擴孔鉆進時巖屑顆粒大，孔底無重復破碎現象，鉆進效率高。

下排渣鉆進主要有正向下排渣擴孔鉆進、反向下排渣擴孔鉆進兩種類型(圖2)。兩者的主要區別是加接鉆頭方式不同，正向下排渣擴孔鉆進方法加接鉆頭在地面完成，然后，將鉆具下至孔底進行擴孔鉆進；反向下排渣擴孔鉆進需先將鉆具下至孔底，在井下巷道將事先運輸至孔底的鉆頭與鉆具連接在一起，然后，邊提拉鉆具邊擴孔鉆進。

圖2 下排渣擴孔鉆進Fig.2 Gravity slag discharge reaming drilling

3)反循環鉆進

氣動潛孔錘反循環鉆進需要配套雙壁鉆具系統，高壓氣體在孔內的循環方向具體為：壓縮機組產生的高壓氣體沿雙壁鉆具內外管環狀間隙下行至孔底，驅動潛孔錘工作后從鉆頭底部噴出，攜帶破碎巖屑進入雙壁鉆具中心流道，返出孔外[28-29]。由于孔底高壓氣體上返時面臨兩條通道，一條是鉆頭與孔壁、鉆桿與孔壁形成的環狀間隙形成的正循環通道，另一條是鉆頭內通道、雙壁鉆具內管中心通道構成的反循環通道。因此，如何驅使孔底高壓氣體順利進入指定的反循環通道，是實現反循環鉆井的關鍵所在。目前主要有射流負壓式和機械結構直接封隔式兩種方法[22]。

射流負壓式方法有導流罩式和引射器式兩種結構型式[30-31]。導流罩式反循環是利用噴射負壓和導流原理進行鉆頭設計，通過導流罩與鉆頭之間的凹槽噴射進入鉆頭底面的進渣口，同時，導流罩外徑與孔徑相匹配，密封外環間隙通道，增大正循環通道的阻力，實現反循環目的。引射器原理是指高壓流體從鉆頭底部噴嘴高速噴出后產生強烈的卷吸作用，將周圍低壓流體卷吸進入混合室內，并逐漸形成均勻的混合流體，進入反循環通道。典型引射器式反循環鉆頭如圖3 所示。

圖3 引射器式反循環鉆頭結構原理Fig.3 Structural principle of ejector reverse circulation bit

無論導流罩式還是引射器式密封方法均是在孔底利用高速氣流形成“負壓”促進反循環的建立。然而，由于“負壓”抽吸能力有限，單獨依靠此密封方法無法實現深孔反循環鉆進.因此，在工程實踐中，會向鉆孔環空注入一定量清水或利用孔內地層水增大正循環通道阻力，以改善深孔反循環效果[16，22，30]。

機械結構封隔是將外環狀間隙的正循環通道完全阻斷，迫使循環介質進入鉆具的反循環通道，從而建立、維持反循環效果。按照安裝位置區分，主要有孔底密封、孔口密封等兩種型式。多層橡膠片式密封方法(圖4)是最常見的孔底密封型式，其特點是橡膠片外徑大于鉆孔孔徑，利用橡膠片封堵環狀間隙上返流道，促使孔底高壓氣體由正反循環轉換接頭的側部斜孔進入雙壁鉆具內管中心通道。我國重點建設的7 支國家礦山應急救援隊所配套的氣動潛孔錘反循環鉆具系統正是此結構原理，適合于孔壁無坍塌掉塊的穩定地層鉆進。

圖4 多層橡膠密封式反循環鉆進原理Fig.4 Multi-layer rubber seal principle of reverse circulation drilling

孔口安裝防噴裝置是孔口密封最常見型式(圖5)，孔口防噴裝置與套管、鉆孔、雙壁鉆具構成一密閉有限空間，當此空間氣體壓力達到一定程度時，迫使孔底高壓氣體進入鉆頭排渣通道沿雙壁鉆具內管中心通道[32]。

圖5 孔口密封式反循環鉆進原理Fig.5 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole

另外，為改善機械結構封隔的應用效果[33-34]，還研究了孔底孔口聯合密封、孔底水柱密封等綜合密封為特征的氣動潛孔錘反循環鉆井方法，并進行了實際應用。

1.4 鉆進規程參數

氣動潛孔錘鉆進規程主要包括注氣壓力、注氣量、沖擊頻率、鉆壓和轉速等參數。

1)注氣壓力

氣動潛孔錘的沖擊頻率、沖擊功均與注氣壓力有關。雖然從氣動潛孔錘工作實質來講，影響沖擊頻率和沖擊功的主要因素是注氣量，通過注氣量變化來控制注氣壓力大小。然而，注氣壓力參數的獲取比較方便、準確，所以常常將注氣壓力作為規程參數的重要指標之一[12，22]。

從氣動潛孔錘工作要求來看，當注氣壓力大于上、下配氣室的壓差時，沖擊活塞開始上下往復運動。這種壓差取決于氣動潛孔錘本身結構設計。在氣動潛孔錘鉆進時，壓力表顯示的注氣壓力，除了反映出氣動潛孔錘正常工作所需的壓差外，還累加了隨著孔深變化帶來的沿程壓降與克服孔底水位產生的水柱壓力。

2)注氣量

高壓氣體既是驅動孔底潛孔錘沖擊破巖的動力，也是輸運孔內巖屑上返的動力。氣動潛孔錘正常工作需要有一定的額定注氣量，巖屑從孔底排至孔外也需要一定的注氣量，實際注氣量不能低于兩者所需氣量的較大者。

注氣量決定著排渣能力，至少須滿足氣體攜帶巖渣最低安全流速要求[35]。由于氣體介質的可壓縮性，注氣量這一重要技術參數需充分考慮鉆孔直徑、鉆孔深度、地層富水性等影響因素。目前主要有最小動能法和最小速度法兩種計算方法確定最小注氣量。

從以往的研究與實踐來看，無論氣力正循環排渣還是氣力反循環排渣，要達到良好的氣動潛孔錘鉆進效果，所需注氣量要滿足上返風速大于15.24 m/s 的攜帶巖屑的要求，而當上返風速小于10 m/s 時，孔內巖屑較多，加重了孔底重復破碎，影響鉆進效率。

下排渣鉆井則只需考慮滿足氣動潛孔錘正常工作的額定注氣量即可。

3)沖擊頻率

對于一種設計優良的氣動潛孔錘產品，當達到其額定注氣量和額定注氣壓力時，都能達到額定沖擊頻率。氣動潛孔錘的額定沖擊頻率一般為12～25 Hz。

4)鉆壓

鉆壓能使巖石內部形成預加應力，同時改善沖擊能量的傳遞條件。但是，隨著鉆壓的增加，鉆頭球齒的單位進尺磨損量也增加，故為了減少鉆頭球齒的磨損，鉆壓不能過大，只需克服沖擊器的反彈力即可。

氣動潛孔錘鉆頭所需鉆壓比牙輪鉆頭要低很多。對某一確定規格的氣動潛孔錘來說，鉆壓有一個合理范圍。當鉆壓過大，不僅不會增加鉆進速度，反而會加快鉆頭球齒的磨損，降低鉆頭使用壽命。

5)轉速

回轉可使鉆頭球齒在每次沖擊時都處于新的巖面上，對氣動潛孔錘順利鉆進和延長鉆頭壽命起著決定性的作用。鉆頭外緣球齒對回轉特別敏感，若轉速過慢，鉆頭上的球齒仍未完全脫離前次沖擊過的坑穴中，會引起鉆頭回轉受阻，鉆效下降；若轉速過快，鉆頭球齒承受過多摩擦引起過早磨損，鉆速亦不會增加，所以合適轉速將延長鉆頭壽命。合理轉速的選擇，主要與沖擊功大小、沖擊頻率高低、鉆頭類型以及所鉆巖石物性有關。氣動潛孔錘鉆進時孔底體積破碎產生的巖屑呈塊狀，僅需較小的轉速。美國水井學會(National Water Well Association，NWWA)康伯爾認為：氣動潛孔錘轉速存在著最優轉角，其值為11°。最優轉角與轉速、沖擊頻率之間的關系為：

式中：A為最優轉角，(°)；n為鉆具轉速，r/min；f為沖擊頻率，Hz。按照最優轉角，推薦轉速范圍為15～35 r/min。

此經驗公式考慮了沖擊頻率的影響，工程實踐表明，對于?600 mm 以上氣動潛孔錘，需要考慮鉆頭規格、結構類型對轉速的影響，折算系數0.6～0.9，規格越大，折算系數取值越小。

2 在礦山事故救援小直徑鉆孔中應用

在礦山事故救援中，人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源等救援通道均為小直徑鉆孔。為了快速開孔和提高鉆效，多采用氣動潛孔錘正循環鉆進方法。目前已形成氣動潛孔錘正循環鉆進、氣動潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進，以及氣動潛孔錘隨鉆測量鉆進等技術。

在井下巷道埋深較小時，采用氣動潛孔錘保直效果可直接命中井下巷道靶區。2010 年山西王家嶺煤礦透水事故救援中，布置了2 個地面鉆孔，均為二開孔身結構，1 號鉆孔作為排水鉆孔，2 號鉆孔作為人員搜救、物資輸送鉆孔。一開鉆具組合：?311.2 mm 氣動潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿；二開鉆具組合：?215.9 mm 氣動潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿。鉆進時將少量潤滑油噴入高壓氣體中，保持氣動潛孔錘內部潤滑。鉆遇含水地層時，將泡沫劑噴入高壓氣體，提高氣動潛孔錘地層適應能力。1 號鉆孔實際孔深406.8 m，孔底偏移 1.2 m，耗時59 h。2 號鉆孔實際孔深251.8 m，孔底偏移0.8 m，耗時16 h。2 個鉆孔均命中了4 m 寬的巷道，達到了精準透巷的目的[22，36]。

2015 年山東平邑石膏礦坍塌事故救援中，布置完成5 口(1 號、2 號、3 號、6 號和7 號)孔深210 m 左右鉆孔。采用氣動潛孔錘鉆進，鉆具組合為：?215.9 mm氣動潛孔錘+?158.8 mm 鉆鋌+?114 mm 鉆桿。其中，在2 號搜救孔發現了4 名被困人員，同時作為食物、水和生活用品等的物資輸送鉆孔；由于井下巷道繼續坍塌，井下被困人員被迫轉移，后期利用7 號鉆孔作為物資輸送鉆孔[22，31]。

然而，當井下巷道埋深較大時，需要采用氣動潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進技術，確保精準命中井下巷道。2021 年在山東棲霞笏山金礦坍塌事故救援中，氣動潛孔錘鉆至孔深521 m，偏斜7.3 m，采用泥漿螺桿定向鉆進實施糾偏，完成剩余60 m 孔段施工，抵達井下巷道靶區[37]。

目前，氣動潛孔錘鉆進軌跡監測采用單點或多點測斜儀器進行測量，停鉆測量輔助時間較長。將 EMMWD 測斜儀器和氣動潛孔錘結合，研究形成氣動潛孔錘隨鉆測量技術，既可提高鉆速，又可實時監測鉆孔軌跡，縮短了測斜輔助時間，提高整體施工效率。該技術的關鍵是解決了測斜儀器減震防護難題，主要從儀器結構設計與孔底鉆具組合兩方面考慮，采取儀器外管增設扶正翼、設計鎖緊裝置和加接雙向減震器等3 項減震措施，實現了EM-MWD 測斜儀器和氣動潛孔錘的匹配使用要求，所采用的鉆具組合為：氣動潛孔錘+雙向減震器+抗震型 EM-MWD 電磁波隨鉆測斜儀(安裝在無磁鉆鋌內) +普通鉆鋌+常規鉆桿[38]。

3 在礦山事故救援大直徑鉆孔中應用

通過地面大直徑鉆孔營救井下被困人員，國內外目前已有3 起成功救援案例。在構建救援孔過程中，無一例外均選用氣動潛孔錘來提高施工效率，鑒于事故巷道埋深、上覆地層結構、水文地質條件的不同，采用了正循環、下排渣、反循環等鉆進方法，下面分別闡述氣動潛孔錘在這3 次成功救援案例的應用情況。同時，總結了氣動潛孔錘在多個代表性的礦山大直徑工程鉆孔施工中應用情況。

3.1 氣動潛孔錘正循環鉆進技術應用

如何達到上返風速不低于15.24 m/s 的安全排渣需求，是實施大直徑鉆孔氣動潛孔錘正循環鉆進的關鍵。通常從兩方面考慮：一是增加空壓機數量，加大注氣量；二是設法減少上返排渣通道的尺寸。同時，正循環排渣注氣量遠高于氣動潛孔錘額定工作氣量，加接氣體分流短節可避免氣動潛孔錘各部件的損壞。

1)在礦山事故救援中的應用

2002 年7 月24 日，美國賓夕法尼亞州奎溪煤礦在巷道掘進過程中，臨近關閉廢棄礦井沙克斯曼煤礦的老空水突入掘進巷道，造成9 名礦工被困于深度73 m的井下巷道。在地面救援過程中，利用阿特拉科普柯RD20 車載鉆機施工完成1 口大直徑救援孔，為了快速鉆穿巖層，配套?146 mm 鉆具、QL200S 潛孔錘、?760、?660 mm 鉆頭，以及6 臺空壓機進行氣動潛孔錘正循環工藝的施工。于2002 年7 月28 日，將9 名被困礦工全部營救至地面[5，22]。

2)在礦山大直徑工程鉆孔的應用

為了排除關閉礦井山西王臺鋪煤礦積水對臨近煤礦的安全隱患，設計了3 口終孔直徑650 mm、孔深205 m 的地面排水鉆孔[23]。

在二開鉆進過程中，采用了氣動潛孔錘正循環鉆進工藝。由于?650 mm 孔徑大，正循環通道截面積過大，安全排渣需要300 m3/min 以上注氣量。為降低正循環通道截面積，減少所需排渣注氣量，采取了以下技術措施：在加接鉆桿時，同時套裝下入較大外徑的套管；高壓氣體由鉆桿中心通道注入，進入氣動潛孔錘內部，工作后的廢氣由底部鉆頭排氣孔噴出，攜帶鉆頭破碎下的巖屑由環空上行，通過底部特殊裝置進入鉆桿-套管的環狀間隙返回孔外；在孔口設置密封裝置，防止純氣體沿套管-孔壁的大環狀間隙上返；采用鉆具組合：?650 mm 氣動潛孔錘+接頭+?203 mm 鉆挺+扶正器+?203 mm 鉆鋌+?127 mm 鉆桿+方鉆桿，同時采用跟管鉆進組合：?473 mm 伸縮管(外管直徑473 mm，內管直徑406 mm) +?406 mm 套管。

通過以上技術措施，在氣體潛孔錘正循環鉆進過程中，所需排渣注氣量得到極大降低，注氣量120～180 m3/ min，轉速 25～35 r/min，鉆壓 50～100 kN，注氣壓力2～4 MPa，既滿足氣動潛孔錘額定工作注氣量，也實現了良好的排渣效果。

3.2 氣動潛孔錘下排渣鉆進技術應用

1)在礦山事故救援中的應用

在2010 年8 月5 日，智利圣何塞銅礦地下300 m處發生塌方，33 名礦工被困井下。在救援方案B 中，利用雪姆T130XD 車載鉆機，在事先打通的一個直徑為140 mm 的搜救孔基礎上，采用?660 mm 集束式氣動潛孔錘以正向下排渣擴孔鉆進工藝施工大直徑救援孔，鉆具組合為：?660 mm 集束式氣動潛孔錘+?175 mm雙壁鉆桿，主要鉆進規程參數注氣量64 m3/min。應用效果：完成孔深688 m 的大直徑救援孔施工，成功將井下被困人員營救至地面[2，22]。

2)在礦山大直徑工程鉆孔的應用

陜西省煤田地質局在內蒙古黃玉礦施工了1 口孔深335 m、終孔直徑690 mm 的地面大直徑排水孔[25]。

在二開巖石段導向孔施工完成后，利用反向下排渣擴孔鉆進工藝進行施工。事先將?690/254 mm 集束式氣動潛孔錘運輸至孔底，利用鉆機將?127 mm 鉆桿下至孔底與集束式氣動潛孔錘連接，然后上提鉆具進行反向擴孔鉆進。鉆具組合為：?690/254 mm 集束式氣動潛孔錘+?250 mm 扶正器+?127 mm 鉆桿。主要鉆進規程參數為：鉆壓20～40 kN，平均轉速8 r/min，注氣壓力1.2 MPa，注氣量64 m3/min。應用效果：完成大地面大直徑排水孔的二開擴孔鉆進，擴孔鉆進效率10 m/h。

3.3 氣動潛孔錘反循環鉆進技術應用

1)在礦山事故救援中的應用

2015 年12 月25 日，山東平邑縣某石膏礦井下巷道發生坍塌事故，造成井下25 名人員被困。經過多方合力救援，最終11 人獲救，其中4 人通過地面大直徑鉆孔獲救[3]。救援孔二開基巖段鉆進使用寶峨RB T90 車 載鉆機，配套?710 mm 單體式氣動潛孔錘、?219/150 mm 雙壁鉆具等，采用氣動潛孔錘反循環鉆進工藝施工。鉆進至170 m 發生埋鉆事故，處理后下入?610 mm 鋼管。氣動潛孔錘反循環鉆進采用的鉆具組合為：?710 mm 氣動潛孔錘+正反循環轉換接頭+多層橡膠密封器+雙壁扶正器+?219/150 mm 雙壁鉆桿。為了提高保直效果，在密封器上連接4 個?680 mm雙壁扶正器，長度6 m 左右。

鉆進時，控制注氣量50～65 m3/min、轉速10～15 r/min、注氣壓力1.5～1.6 MPa，同時通過注氣管路注入清水及潤滑油，注入量60 L/min 左右。在實鉆過程中，反循環排渣效果良好，機械鉆速2.0～5.0 m/h。

2)在礦山大直徑工程鉆孔現場試驗

依托皖北煤電任樓礦地面注氮孔工程項目，配套TSJ2000 水源鉆機和2 臺空壓機，在二開擴孔階段實施氣動潛孔錘反循環鉆進試驗。鉆遇地層巖性為以泥巖、砂巖和煤巖為主，含水層主要為二疊系煤系砂巖裂隙水。擴孔鉆頭采用?580/216 mm 集束式氣動潛孔錘，從?216 mm 導眼一次性擴至?580 mm。鉆具組合為：?580/216 mm 集束式氣動潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿。主要鉆進參數為：轉速20～35 r/min，鉆壓10～30 kN，供氣量35～70 m3/min，供氣壓力2.1～2.8 MPa，孔口環空氣柱壓力調節范圍0～1.8 MPa，間歇式向孔內補給清水。

試驗結果顯示，通過孔口節流控制環空氣體排放量，孔口環空氣柱壓力處于0.4～0.8 MPa 范圍時擴孔鉆進效率較高，雙壁鉆具中心通道反循環氣力排水、排渣效果良好。從孔深304 m 擴至孔深480 m，累計擴孔進尺176 m，按單根鉆桿統計的機械鉆速1.13～8.85 m/h，平均機械鉆速2.56 m/h。其中，304～368 m孔段的地層出水量較小，平均機械鉆速5.82 m/h，368～480 m 孔段的地層出水量逐漸增大，平均機械鉆速1.92 m/h。

3)在梅花井礦地面救援鉆孔示范項目中應用

依托寧煤集團梅花井礦地面救援鉆孔示范項目，配套ZMK5550TZJF50/120 型車載鉆機和4 臺空壓機，在二開擴孔階段和透巷階段實施完成氣動潛孔錘反循環鉆進試驗。鉆遇地層為侏羅系的安定組、直羅組地層，巖性以砂巖、泥巖為主，粉砂巖具有崩解性，孔深57 m 以下地層滲水。

該氣動潛孔錘反循環鉆井系統(圖6)由注氣管線、排渣管線、補水管線、氣體節流壓控管線、雙壁鉆具組合，以及孔口裝置等組成。該鉆井系統與以往氣動潛孔錘反循環鉆井系統相比，功能區別主要體現在兩方面，一是在孔口增設了氣體節流壓控管線，二是在雙壁鉆具組合上加接了雙壁止回閥短節。

圖6 孔底孔口聯合密封式反循環鉆井系統Fig.6 Double sealing method at bottom and entrance of drilling hole

氣體節流壓控管線由壓力儀表、截止閥門、氣體節流閥、氣體流量儀表、高壓氣管組成，連接順序從孔口裝置近端至遠端依次為：壓力儀表、截止閥門、氣體節流閥、氣體流量儀表，以及高壓氣管；在孔口設置壓力監測儀表、氣體流量監測和節流調控裝置，實現了地面監測、切入干預、控制孔底多流道壓力平衡轉換的功能，且可實現遠程監測壓力、流量等實時數據，遠程控制氣體節流裝置，使現場工作人員遠離孔口噪音源區，更具安全便捷性。

雙壁止回閥短節(圖7)主要由內管、外管、以及處于內外管環隙的單向流動機構組成。設有多個雙壁止回閥短節的雙壁鉆具，可產生的有益效果主要有：在加接雙壁鉆桿期間，可使雙壁止回閥短接通下部的注氣流道內，亦即雙壁鉆桿環狀間隙和氣動潛孔錘腔體內，穩定可靠地保有多段高壓氣柱，有效防止含懸浮細巖粉的孔底渾水倒灌入注氣流道，從而避免細巖粉損傷氣動潛孔錘內部活塞、活塞桿等部件表面，避免細巖粉堵塞雙壁鉆桿環狀間隙，杜絕了非生產起鉆現象，提高了氣動潛孔錘在含水復雜地層條件下的使用壽命。

圖7 雙壁止回閥短節結構Fig.7 Double wall check valve structure

在二開擴孔時采用?830/345 mm 集束式氣動潛孔錘，擴孔鉆具組合為：?830/345 mm 集束式氣動潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm 雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿；在透巷時采用?580 mm 單體式潛孔錘，透巷鉆具組合為?580 mm 單體式潛孔錘+?254/113 mm 雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿+?254/113 mm 雙壁止回閥短節+?178/113 mm 雙壁鉆桿。

主要鉆進參數為：轉速20～35 r/min，鉆壓10～30 kN，供氣量65～90 m3/min，供氣壓力2.1～2.9 MPa，孔口環空氣柱壓力調節范圍0～1.8 MPa，在57～181 m孔段利用BW 320 型泥漿泵向孔內連續補給清水，補水量最大達到13.8 m3/h，其它試驗孔段地層出水量較大，無需補給清水。

試驗結果顯示，通過孔口節流排放環空氣體使氣柱壓力處于0.4～0.8 MPa，反循環氣力排水、排渣效果良好。單米統計機械鉆速0.94～9.98 m/h，平均機械鉆速3.1 m/h。

4 研究前景及發展趨勢

4.1 技術優勢

氣動潛孔錘鉆進技術之所以是礦山事故救援鉆孔施工首要考慮技術方案，這是因為與PDC 鉆頭或牙輪鉆頭這兩種常用類型鉆頭相比，氣動潛孔錘是以高能沖擊破巖代替了切削破巖，以動載沖擊代替了靜載研磨，以巖石體積破碎代替了研磨剪切破碎，應用于鉆孔救援具有以下突出優勢：

一是氣動潛孔錘對救援鉆機能力要求相對要小。氣動潛孔錘轉矩主要用于剪切相鄰沖擊坑間殘留的巖石脊峰，鉆壓只需克服沖擊器反彈力，如?800/216 mm集束式氣動潛孔錘正常擴孔鉆進時，所需轉矩8 kN·m，鉆壓15 kN。牙輪鉆頭和PDC 鉆頭這2 種常用類型鉆頭，若用于大直徑救援鉆孔巖層段擴孔，從孔徑216 mm一次性擴孔至孔徑800 mm，至少需要100 kN·m 以上極大轉矩和幾百千牛的極大鉆壓，現有車載式救援鉆機難以提供。

二是氣動潛孔錘可顯著提高救援鉆孔硬巖段鉆進效率。氣動潛孔錘施工小直徑搜救孔，機械鉆速可達30 m/h 以上。氣動潛孔錘施工大直徑救援孔和大直徑工程孔，正循環鉆進機械鉆速可達5 m/h，下排渣擴孔鉆進機械鉆速可達10 m/h，反循環鉆進機械鉆速3 m/h 以上。牙輪鉆頭和PDC 鉆頭施工大直徑工程孔，硬巖擴孔平均機械鉆速0.8 m/h。

三是氣動潛孔錘可減少大直徑救援鉆孔硬巖擴孔次數。施工?800 mm 鉆孔的巖層孔段，氣動潛孔錘可一次性擴孔完成，牙輪鉆頭至少需要擴孔2 次，PDC鉆頭至少需要擴孔4 次才能完成。

4.2 存在問題

將氣動潛孔錘推廣應用于礦山事故救援鉆孔、礦山地面工程鉆孔提升施工效率，經過不斷深入研究與大量實踐已獲得顯著成效，然而也發現存在明顯技術短板。

以搜救孔為代表的小直徑鉆孔為例，當目標巷道埋深增加，鉆孔深度增加，鉆得快、鉆得準兩者矛盾愈加突出，此時僅僅依靠調整鉆具組合和鉆規參數等保直鉆進手段，很難直接命中靶區，但氣動潛孔錘鉆進與泥漿螺桿糾斜交替使用，起下鉆換鉆具時間長，影響成孔效率，因此，研究氣動潛孔錘定向糾斜鉆進是最優技術路徑和最佳選擇。然而，由于氣動潛孔錘活塞向上運動時具有很大的沖擊加速度，沖擊能量以應力波形式沿鉆具向上傳遞，鉆具會產生強烈的周期性振動，螺桿鉆具和測斜儀器因振動沖擊引起的交變應力很容易導致損壞，嚴重制約了氣動潛孔錘定向鉆進技術的發展。

成功用于大直徑救援鉆孔的氣動潛孔錘正循環、下排渣、反循環等高效鉆進技術，均需滿足嚴苛的適用條件。寧煤環安公司試驗氣動潛孔錘正循環鉆進工藝，配備了10 臺空壓機，采用?450、?660 mm 兩種規格集束式氣動潛孔錘，最高機械鉆速達9 m/h，當鉆至孔深27.3 m 時，地層出水，排渣困難，通過不斷增加空壓機增大注氣量，注入泡沫液提高攜屑能力，?450 mm集束式氣動潛孔錘鉆至孔深39.59 m 出現錘頭斷裂現象，?660 mm 集束式氣動潛孔錘累計鉆深152.59 m[39]?？梢?，氣動潛孔錘正循環在地面大直徑鉆孔中，所需排渣注氣量過大，尤其鉆遇富含水地層時進尺困難，施工成本高，鉆井事故風險大。

氣動潛孔錘下排渣擴孔鉆進的機械鉆速很高。然而，采用下排渣擴孔需具備的前提條件有：井下巷道已形成，有完善的裝運渣石和排水系統；地層結構較完整穩定，地層富水性弱，保證導向孔與井下巷道貫通后，進入巷道的地層水量不能大于排水系統排水能力；如若無法滿足此條件，必須對所鉆地層實施帷幕灌漿或冷凍法進行改性，達到下排渣擴孔方法對地層條件的施工要求[40]。

氣動潛孔錘反循環鉆進技術經過不斷實踐研究獲得極大進展，最大孔深達到654.1 m。然而，多層橡膠片式孔底密封法氣動潛孔錘反循環工藝，因其密封橡膠外徑略大于孔徑，在上部地層孔壁發生掉塊、縮徑時極易發生孔內事故，2015 年山東平邑石膏礦坍塌救援的埋鉆事故正是此原因所導致[41]。孔口孔底聯合密封式氣動潛孔錘反循環工藝，優點在于孔底密封結構小于鉆孔孔徑，上部地層掉塊可以直接落至孔底被鉆頭再次破碎，安全性高，且可適用于出水量較小的含水層，提高了氣動潛孔錘的地層適應性[41]。但在任樓礦和梅花井礦的現場試驗過程中，發現穿過含水層后，隨著孔底水柱高度的不斷增大，孔底背壓不斷增大，顯著降低了氣動潛孔錘破巖效率，且孔底水柱高度會在加接雙壁鉆桿或停待期間不斷升高，再次啟動空壓機注入高壓氣體時，在鉆前需先行反循環排水以降低孔底動水位，此排水輔助時間隨著孔深的增加而明顯增長，同時，孔內排出大量地層水，使井場清運成本明顯增加。

由此可見，現有氣動潛孔錘技術優缺點十分明顯，在孔壁穩定、漏失地層、水敏性地層等情形下，可以獲取良好鉆效；在孔壁坍塌掉塊、流砂等力學不穩定地層、高壓氣侵地層、大涌水量深孔時，難以獲取預期提速效果，必須轉換成泥漿護壁的常規鉆進工藝。究其原因，現有氣動潛孔錘鉆井技術，無論是氣動潛孔錘正循環、反循環、導眼下排渣、亦或跟管法，均屬于欠平衡鉆井技術范疇，無法平衡地層應力，均屬于欠平衡鉆井技術范疇，還未能突破其自身技術局限性，在大多礦區深孔救援中難以應用。

4.3 發展趨勢

截至2020 年底，我國地下煤礦4 600 余座，至2025年末井工煤礦數量將控制在4 000 座以內；地下非煤礦山8 800 余座，占比非煤礦山總數量的23.4%[1，42-43]。數量龐大的井下礦山分布散、區域廣，地質類型多、差異大，平均開采深度逐年向深部發展。深孔救援施工鉆遇流砂、砂礫松散、破碎裂隙等力學不穩定地層，以及含水層、含高壓氣體的概率大增，礦井上覆地層含有上述各類復雜地層達到80%以上。加強礦山救援裝備現代化，提升應急救援處置能力，仍將是我國礦山安全生產一項長期的重要工作任務。

因此，面向深孔救援需求，針對現有氣動潛孔錘技術存在問題，進一步研究氣動潛孔錘定向鉆進技術，實現小直徑搜救孔氣動潛孔錘的隨鉆測量與糾斜；開發大直徑救援鉆孔氣液雙循環鉆進技術，研制氣閉式循環潛孔錘及三壁鉆具系統，實現高壓氣體獨立驅動潛孔錘破巖，泥漿清排孔內巖屑并保持孔壁穩定，提高含水層深孔鉆進能力，拓展氣動潛孔錘鉆進技術適用范圍，可極大提升我國礦山事故救援處置能力，尤其是地面鉆孔救援技術水平。

5 結 論

a.小直徑鉆孔在鉆探領域應用廣泛，成孔技術相對成熟，在礦山事故救援時主要用于人員搜尋、物資輸送、積水抽排、封堵水源等，為實現快速開孔和提高硬巖鉆效，通過不斷研究與實踐形成了氣動潛孔錘正循環鉆進、氣動潛孔錘與泥漿螺桿糾偏組合鉆進、以及氣動潛孔錘隨鉆測量鉆進等高效鉆進技術。同時，結合一趟鉆PDC 鉆頭泥漿螺桿定向鉆進，基本滿足深度600 m 以內礦山事故救援小直徑鉆孔高效施工需要。

b.氣動潛孔錘應用于大直徑救援孔巖層段提高鉆效是目前普遍采用的技術思路，在研究實踐中也取得長足進步，形成了氣動潛孔錘正循環、氣動潛孔錘反循環、氣動潛孔錘下排渣等多種高效鉆進方法，在智利圣何塞無涌水地層中最大孔深達到688 m，在寧煤梅花井礦弱涌水地層(孔位靠近豎井井筒)最大孔深達到654 m。

c.就目前氣動潛孔錘鉆井技術發展來看，無論是正循環、反循環、導眼下排渣、亦或跟管法，均屬于欠平衡鉆井范疇，在孔壁穩定、漏失地層、水敏性地層等情形下提速明顯，具有顯著優勢，但無法適應孔壁不穩、流砂地層、深孔涌水、高壓氣侵等情形，因此建議開展大直徑鉆孔氣液雙循環的氣動潛孔錘鉆井方法，實現氣動潛孔錘平衡鉆井，突破此類地層對氣動潛孔錘技術推廣應用的局限性，提高礦山深孔救援技術水平。