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第 49 卷第 5 期煤 炭 科 学 技 术Vol. 49 No. 5 2021 年5 月Coal Science and Technology May2021 煤矿机电与智能化 移动扫码阅读 莫海涛，郝世俊，赵江鹏.煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备［J］.煤炭科学技术，2021，49（5）190－ 197. doi10. 13199／ j. cnki. cst. 2021. 05. 024 MO Haitao，HAO Shijun，ZHAO Jiangpeng.Key technology and equipment of hole－ing for surface large diameter borehole in coal mine area ［ J］. Coal Science and Technology， 2021， 49 （ 5） 190 － 197. doi 10. 13199／ j. cnki. cst. 2021. 05. 024 煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备 莫海涛1，2，郝世俊1，2，赵江鹏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） 摘 要根据井下巷道的布设情况，以及地面大直径钻孔与巷道的不同连通方式，提出 2 种孔身结构 设计方法。 在此基础上，为提高成孔效率，结合煤矿区地面大直径钻孔主要成孔工序，采用理论分析 及工程总结的方法，分别对导向孔钻进、扩孔钻进、下套管及固井等成孔关键技术进行论述，并介绍了 典型施工案例，总结了配套装备技术现状，重点分析了集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺及配套机 具，提出了大直径钻孔成孔技术与装备发展趋势。 实践表明空气潜孔锤钻进工艺和下导管钻进工艺 能够提高导向孔钻进效率，气举反循环钻进工艺及集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺可提高扩孔钻 速，提吊浮力法下套管及内插法固井工艺能够满足套管安全下放及固井质量要求；上述成孔关键技术 及配套装备可为煤矿区地面大直径钻孔快速成孔提供技术支持。 随着工艺技术的持续改进和配套装 备的不断完善，在国家重点研发计划的支持下，集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺有望成为煤矿区地 面大直径钻孔核心钻进技术，最终发展成为应对矿山应急抢险救援的可靠技术体系。 关键词煤矿区；大直径钻孔；成孔技术；集束式潜孔锤；反循环 中图分类号TD41 文献标志码A 文章编号0253－2336（2021）05－0190－08 Key technology and equipment of hole－ing for surface large diameter borehole in coal mine area MO Haitao1，2， HAO Shijun1，2，ZHAO Jiangpeng2 （1.China Coal Research Institute，Beijing 100013， China； 2. Xi’an Research Institute Co.，Ltd.， China Coal Technology ＆ Engineering Group， Xi’an 710077， China） 收稿日期2020－10－02；责任编辑李金松 基金项目国家重点研发计划资助项目（2018YFC0808202） 作者简介莫海涛（1984），男，湖北十堰人，助理研究员，博士研究生。 E－mailmohaitao＠ 通讯作者郝世俊（1970），男，内蒙古凉城人，研究员，博士。 E－mailhaoshijun＠ AbstractAccording to the layout of underground roadways， two design s are proposed for borehole structure based on the different connection modes between large diameter boreholes and underground roadways in mine area. On this basis， in order to improve hole－- ing efficiency， combined with the main hole ation process of large－diameter surface drilling in coal mining areas， the theory and engi- neering summary analysis s are used to conduct pilot hole drilling， reaming drilling， casing running， and cementing. The key tech- nologies of drilling wells are discussed， typical construction cases were introduced， the status quo of supporting equipment technology was summarized， and the cluster－type pneumatic down－the－hole hammer reverse circulation drilling technology and supporting equipment were analyzed， and the development trend of large－diameter drilling technology and equipment was proposed. The results show that the down－the－hole hammer drilling technology and guide－pipe drilling technology can improve the drilling efficiency of pilot hole， and the air－ lift reverse circulation drilling technology and the cluster－type pneumatic down－the－hole hammer reverse circulation drilling technology can increase reaming rate. Casing running by lifting buoyancy and cementing by interpolation can meet the requirements for safe casing and cementing quality， the complete set of key technologies and the matching equipment could provide technical support for the rapid hole ing of large－diameter ground drilling in coal mining areas. With the continuous improvement of the technologies and equip- ment， and the support from National Key Research and Development Program， the air reverse circulation drilling with cluster down－the－ hole hammer is expected to become the key drilling technology for surface large diameter borehole in the mine area， and it will ultimately 091 莫海涛等煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备2021 年第 5 期 become the reliable technical system for emergency rescue in mine. Key wordscoal mine area； large diameter borehole； hole－ing technology； cluster down－the－hole hammer； reverse circulation 0 引 言 随着地下煤矿横向采掘面积的扩展和纵向开采 深度的增加，井下与地面间的管线连接、物资运送等 工作量随之增大。 单依靠传统的井工巷道作为输送 通道，加重了巷道负担，迫使巷道掘进断面扩大、掘 进长度增加，由此带来的成本投入及安全风险也随 之增加［1－2］。 矿区地面大直径钻孔可实现地面与井 下直接连通，其主要用途包括①抽排水、抽采瓦斯； ②通风；③下料，如用于采空区沉陷治理的填充物 料，可通过大直径钻孔直接投放到治理区域附近； ④布设缆线；⑤抢险救援，当井下发生事故人员被困 时，可通过地面大直径精确透巷钻孔作为逃生通道， 将被困人员救出［3－5］。 因此，地面大直径钻孔可弥 补或替代部分井下掘进巷道的功能，经济效益和安 全效益显著，应用前景广阔。 地面大直径钻孔作为井下与地面的连接通道， 孔深一般不超过 1 000 m，终孔孔径为 400 ～ 1 500 mm。 区别于岩心钻探工艺涉及的小口径钻孔（直 径 30～ 150 mm） 和煤矿区井筒（一般直径 5 m 以 上），矿区地面大直径钻孔通常采用正向钻进工艺 成孔后下套管固井、完井，其成孔工艺具有独特 性［6］。 随着科技的发展和不断的实践探索，矿区地 面大直径钻孔成孔技术及装备不断完善。 在实际应 用中，根据钻孔的不同用途，各类型的转盘钻机与车 载钻机并举，传统的泥浆正循环钻进工艺与先进的 气动潜孔锤钻进工艺共存。 但任何大直径钻孔施工 必须以安全、高效成孔为中心，通过技术的创新和配 套装备的改进提高钻进效率，增强市场竞争力，特别 是当应用于煤矿抢险救援时，能够提供坚实可靠的 技术保障。 笔者基于多年的科研成果和实践经验， 总结了矿区地面大直径钻孔成孔的关键技术，并介 绍了典型施工案例，分析了配套装备现状及应用特 点，提出了大直径钻孔成孔技术与装备的发展方向。 1 地面大直径钻孔与巷道连通方式 根据井下生产情况和巷道布设条件，地面大直 径钻孔与井下的连通方式主要分为以下 2 种情况。 1）钻孔直接连通巷道，如图 1a 所示。 地面开孔 点一般选择在井下巷道正上方，钻孔采用三开孔身 结构设计。 一开封固表土层；二开钻进至巷道顶部， 预留 20～35 m 厚度岩层作为支撑［7］，完成二开固 井；三开裸眼钻进与巷道连通。 2）成孔后从井下掘硐室与钻孔连通，如图 1b 所示。 当井下巷道尚未形成时，钻孔采用二开孔身 结构设计，一开封固表土层，二开钻进至目标巷道侧 帮 3～5 m 距离后下套管固井、完井，井下巷道形成 后从侧帮掘硐室与钻孔连通。 图 1 地面大直径钻孔与井下巷道连通方式示意 Fig.1 Sketch of connection mode between surface large diameter borehole and underground roadway 无论采取何种方式将钻孔与井下巷道连通，矿 区地面大直径钻孔的成孔过程均主要包括以下施工 工序导向孔精确定向钻进、扩孔钻进、下套管、固 井。 现实中也有无需钻进导向孔而直接使用大直径 钻头一次性钻进成孔的案例，如美国魁溪矿难事故 救援，采用单体式大直径气动潜孔锤直接钻进 660 191 2021 年第 5 期煤 炭 科 学 技 术第 49 卷 mm 钻孔至 73 m 透巷，最终救援成功［8］。 但此方法 无法定向，只能依靠较浅的孔深来保障钻孔精度，在 国内煤矿普遍采深较大的情况下，应用需求不多。 由大直径钻孔成孔工序可知，在确保精确中靶 的基础上，大直径钻孔孔径和套管尺寸较大，由此带 来的钻进碎岩面积大、扩孔钻进效率低、钻具承受载 荷高、套管自重大等一系列问题，对其钻进装备及工 艺技术提出了特殊要求。 2 地面大直径钻孔成孔关键技术 2.1 导向孔钻进技术 地面大直径钻孔一般经过多级扩孔达到终孔孔 径，因此，首先实施的导向孔钻进尤为关键，基本要 求是精确定向和快速钻进。 参照石油钻井的相关技 术，结合大直径钻孔成孔工艺特点，导向孔精确快速 钻进技术主要有以下 3 种方案。 1）“PDC 钻头＋螺杆马达“复合钻井技术。 利用 钻机转盘（或动力头）带动钻具回转，加上螺杆马达 自身转子回转，共同驱动 PDC 钻头高速切削岩层， 是钻井领域广泛应用的快速钻井技术［9］；配套无线 随钻测量系统，能够满足导向孔精确快速钻进的要 求。 在焦作某矿区地面大直径排水孔导向孔钻进过 程中，采用“215.9 mmPDC 钻头＋165 mm 螺杆钻 具＋泥浆脉冲式 MWD 系统”及配套钻具组合，匹配 F－800 泥浆泵，平均机械钻速达到 15.6 m／ h。 2）空气潜孔锤钻进技术。 为进一步提高坚硬 基岩层导向孔的钻进效率，采用空气潜孔锤钻进工 艺，配套电磁波无线随钻测量系统，在孔深较浅、或 钻孔偏斜在可控范围内的情况下钻进，可大幅提高 机械钻速。 晋城某矿区煤层气钻井工程项目进行的 空气潜孔锤随钻测量钻进试验，采用“311 mm 空气 潜孔锤＋抗震型 EM－MWD 系统”及配套钻具组合， 供风量 60 ～ 70 m3／ h，平均机械钻速超过 28 m／ h。 空气潜孔锤用于导向孔钻进时需要注意 2 点①目 前尚无法实施随钻定向，只能通过电磁波随钻测量 系统监控钻孔轨迹，若偏斜过大，需更换螺杆马达纠 斜；②孔内涌水不利于钻进、排渣，甚至有卡钻风险。 3）下导管钻进技术。 大直径钻孔一般须下一 开套管封固表土层后再进行二开施工，因此二开导 向孔在基岩层的钻进过程中，基于正循环的排渣通 道口径上下不一致，即携带岩屑的循环介质在基岩 层通过孔壁和钻具环空上返，到一开底部后，变为通 过一开套管内壁与钻具环空上返。 上返通道截面积 的骤然增大，必然导致上返流速骤降，极易造成沉砂 卡钻。 气举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实施定 向钻进，且操作成本相对较高，从技术、经济角度均 不能满足常规口径的导向孔钻进要求。 下导管钻进 技术具有快捷、经济、适用性强的特点，其技术原理 如图 2 所示。 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，然后进行后续扩孔钻 进。 在彬长矿区相邻 3.6 km 施工的 2 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，其中一孔实施下导管钻进技术，导向孔平 均机械钻速比另一孔提高 213％［10］。 图 2 导向孔下导管钻进技术原理 Fig.2 Technical principle of guide hole down pipe drilling 2.2 扩孔钻进技术 扩孔钻进是大直径钻孔成孔的关键工序。 在导 向孔的基础上，大直径钻孔经过多级序扩孔，达到终 孔孔径。 扩孔钻进主要解决 2 个问题一是大截面 岩层的高效破碎，二是排渣。 目前，国内大直径钻孔 扩孔钻进主要采用泥浆正循环、气举反循环和集束 式气动潜孔锤反循环 3 种工艺方式。 每种工艺有各 自的特点和适用范围，但都聚焦于提高碎岩和排渣 效率问题，力求实现快速扩孔钻进。 2.2.1 泥浆正循环钻进工艺 泥浆正循环钻进工艺是最早采用的扩孔技术， 以其设备机具配套简便、工艺技术成熟而被广泛应 用。 通过优化扩孔级序、优选钻头、增大泵排量等手 段，泥浆正循环扩孔钻速不断提高。 比如在某大直 径排水孔二开扩孔钻进过程中，结合当地石盒子组 砂泥岩互层的特点，在完成 215.9 mm 导向孔的基 础上，分别采用直径 380、500、680 mm 的 PDC 扩孔 钻头，并以不低于 25 L／ s 的排量循环，与同类型临 291 莫海涛等煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备2021 年第 5 期 井直接扩至 680 mm 孔径相比，虽然增加了扩孔次 数，但二开循环钻速比临井提高了 1.3 倍。 泥浆正循环扩孔钻进中，由于孔径大，钻柱与孔 壁之间的环空较大，钻柱在孔内呈现较大自由度的 不规则弯曲变化形态，极易发生屈曲［11］。 根据临界 正弦屈曲公式［12］可知为避免发生屈曲，须选配大 尺寸、高强度钻具，才能增大在很大范围内与钻速近 似成线性关系的钻压，以提高钻速。 但此方法较为 笨拙，且泥浆正循环工艺无法从根本上解决扩孔排 渣效率低的问题。 因此泥浆正循环扩孔工艺虽然应 用早、较为普遍，但无法满足高效扩孔钻进要求。 Fcr＝ 2.55 （EI q2） 1／ 3 （1） 式中 Fcr为底部轴线临界正弦屈曲载荷，N；E 为钻柱 弹性模量，MPa；I 为惯性矩，mm4； q 为钻柱线重，N／ m。 2.2.2 气举反循环钻进工艺 气举反循环钻进工艺是利用压缩空气与钻杆内 的冲洗液混合形成低比例的气水混合物，从而钻杆 内外液柱具有一定压力差，在该压力差的作用下促 使形成反循环［13］。 气举反循环具体形成过程（图 3）为压缩空气由空压机传输到气盒子，经双壁钻 杆输送至气水混合器，压缩空气在混合器中与泥浆 混合形成气泡，气泡在上升过程中由于围压减小而 不断膨胀，使得钻具内外产生压差，泥浆在压差的作 用下从孔径环状间隙流向钻具内通道，当转盘（或 动力头）驱动整个钻具钻进时，泥浆便可携带孔底 产生的岩屑沿钻具内通道向上运行，最终以固、气、 液三相流的形式排出孔外。 岩屑在沉淀池中沉淀， 图 3 气举反循环钻进示意 Fig.3 Sketch of air－lift reverse circulation drilling 泥浆以自流（或灌注）方式沿孔径环状间隙流向孔 底，继续冲洗钻头并携带岩屑。 根据气举反循环工作原理，当循环液下行方向 产生的压强大于上行方向的压强时，即可形成反循 环，且压差越大，反循环效果越强烈。 因此，空气混 合器沉没深度、沉没比、送往双壁钻杆内的空气压力 和送风量，是影响气举反循环钻进能力和钻进效率 的重要控制参数。 其中，沉没比为 α ＝ H h ＋ H （2） 式中 α 为沉没比； h 为孔内液面与排渣出口的距 离，m；H 为混合器的没入深度，m。 在实际施工中，α≥0.5 时才可建立有效的反 循环。 气举反循环钻进工艺通过改变排渣方式，提高 了大直径钻孔排渣效率，有利于一次性钻进较大直 径孔，配合以高效的反循环钻头和合理的供风及钻 进参数，扩孔钻效提升明显。 某矿大直径瓦斯抽排 孔工程采用气举反循环钻进工艺在基岩段扩孔钻进 时，选用 OGFD－10／15 型空压机（额定风量 10 m3／ min， 额定压力 1.5 MPa）、219.1 mm 双壁钻杆及配套钻 具，钻进 444.5 mm 孔径，最大岩块直径达 84.5 mm， 排渣口流量16.6～38.8 L／ s，平均钻速0.68 m／ h［14］。 2.2.3 集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺 集束式气动潜孔锤钻进工艺利用压缩空气作为 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 种高效钻井工艺，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 2 个难题，是大直径钻孔快速钻进的关键 技术。 应用于救援钻孔施工，在透巷前可以提前将孔 内浆液排出，透巷时因其采用空气循环介质，能够最 大程度地减少对井下被困人员的伤害。 集束式气动 潜孔锤反循环钻进如图 4 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 入中心管后由双壁钻杆内管上返［15］。 在山西某矿大直径救援孔施工过程中，采用研 制的 711／311 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 391 2021 年第 5 期煤 炭 科 学 技 术第 49 卷 速提高了 1.6 倍［16］。 图 4 集束式气动潜孔锤反循环钻进示意 Fig.4 Sketch－map of air reverse circulation drilling with cluster down－the－hole hammer 2.3 下套管及固井技术 与石油固井用套管不同，大直径钻孔主要使用 无缝管、螺旋管或直缝管，采用焊接方式连接下放。 由于终孔孔径大，下入的套管外径大、总质量大、套 管外壁与孔壁环空间隙大等因素，为确保套管安全 下放并提高固井质量，宜采用提吊浮力法下套管和 内插法固井。 借用石油行业常规尺寸的浮箍、浮鞋 原理［17］，加工与下放套管尺寸匹配大直径焊接式浮 箍、浮鞋（图 5），提高浮力球额定抗压值，满足套管 下放及固井要求。 图 5 浮箍、浮鞋结构示意 Fig.5 Sketch of floating collar and floating shoe 套管下放过程中，孔内泥浆无法进入套管内部， 而环空泥浆对套管外壁产生压强，随着下深增加，套 管有被挤毁的风险；同时浮力球受压也越来越大，有 失效风险。 2 种风险都可能造成严重的下套管事 故，必须适时向管内回灌泥浆，确保套管既不被挤 毁、又能使钻机以较小提升力下放，同时确保浮力球 受压在额定范围内。 套管下放完成后，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，固 井。 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（600 kN），采用提吊浮力法下套管过 程中，随时核查套管强度，不断向套管内注入适量清 水，使钻机提升力在不超过 270 kN 的情况下顺利下 放套管，套管下放过程中浮力球承受最大压强 3.65 MPa（额定抗压 20 MPa），采用内插法顺利完成固井 并满足检测要求。 3 地面大直径钻孔施工装备 结合矿区地面大直径钻孔成孔工艺技术特点，通 过相关科研项目的支持和实践创新，大直径钻孔施工 装备不断完善。 从起初直接使用水源钻探装备，到引 入浅层油气井装备、引进国外车载钻机装备，再到国产 车载钻机研制成功并投入使用，形成了能够满足不同 孔深、孔径、钻进工艺等要求的配套装备体系。 3.1 钻井装备 1）钻机。 由于大直径钻孔碎岩面积大，孔内复 杂情况多，对钻机选型的基本要求是转矩大，一般不 低于12 kNm，相应提升力不低于600 kN。 同时为 方便大直径钻头起下钻，其转盘或工作台通过空间 应较大。 施工中常见的转盘式钻机主要以水源钻机 为主， 浅层油气井钻机为辅， 钻机型号主要 有 TSJ2600、TSJ3000、ZJ20 型等，主要参数见表 1；车载 钻机主要有美国雪姆 T130XD、T200XD 型和德国宝 峨 RB50、RBT90 型，以及国产 ZMK5530TZJ60（A）型 等，主要参数见表 2。 表 1 常用转盘钻机主要参数 Table 1 Main parameters of common rotary drilling rig 型号 最大提升 力／ kN 最大转 矩／ （kNm） 转盘通 径／ mm TSJ26001 00025.0445 TSJ30001 15034.0445 ZJ201 35013.7445 国产 ZMK5530TZJ60（A）型车载钻机采用柴油 机为动力源，钻机主机、控制系统、动力泵站和冷却 系统集成安装在车载底盘上；最大夹持的钻具直径 为 245 mm，最大排渣管汇内径为 150 mm；可满足泥 浆钻进、空气潜孔锤钻进、泡沫钻进、定向钻进等多 种常规工艺方法的施工要求，还可满足大直径牙轮 钻头扩孔钻进、大直径潜孔锤反循环钻进等工艺的 施工要求［18］。 491 莫海涛等煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备2021 年第 5 期 表 2 常用车载钻机主要参数 Table 2 Main parameters of common truck－mounted drilling rig 型号 最大提升力 （下压力） ／ kN 最大转矩／ （kNm） 最大开孔 直径／ mm T130XD591（145）12.00711 T200XD907（145）24.00711 RB50500（80）31.58900 RB T90900（200）36.001 500 ZMK5530TZJ60（A）1 000（150）30.00720 2）泥浆泵。 泥浆正循环扩孔钻进工艺对泥浆 泵排量要求较大，通常使用石油钻井用 3NB 系列和 F 系列泥浆泵。 3NB 系列泥浆泵主要有 3NB1000 和 3NB1300 型等，F 系列泥浆泵主要有 F800、F1000 型等。 为提高循环流速，施工中也有将 2 台泵组并 联同时工作的情况。 随着反循环钻进工艺的普及推 广，正循环扩孔工艺的市场竞争力逐渐减弱。 3）固控系统。 扩孔钻进揭露的孔壁面积大，需 要采取专门的措施维护孔壁稳定性。 选用振动筛、 除砂器、除泥器三级固控系统，通过合理调配泥浆性 能，可满足护壁要求。 该系统相对简化，运输方便， 满足快速搬迁的要求。 4）空压机。 采用空气正／ 反循环钻进工艺，需 使用空压机将高压空气注入孔内，驱动潜孔锤工作 并作为循环介质将岩屑携带至地面。 大直径钻孔施 工中所用的空压机一般为中风压空压机，排气量 20～35 m3／ min，排气压力 2.0～3.5 MPa，主要有阿特 拉 斯 XRXS1275、 XRXS1350 型， 及 美 国 寿 力 1250XH、 1350XH 型 和 英 格 索 兰 （ 韩 国 斗 山） XHP1070、XHP1170 型等系列产品（表 3）。 采用集 束式气动潜孔锤反循环扩孔钻进时，为应对孔内复 杂情况，可同时配备 2 台或多台空压机（及增压机） 工作。 表 3 常用空压机主要参数 Table 3 Main parameters of common air compressor 品牌型号 功率／ kW 排气量／ （m3min －1 ） 排气压 力／ MPa 阿特 拉斯 XRXS127542935.93.00 XRXS135042937.82.50 寿力 1250XH40335.42.41 1350XH39136.82.41 英格 索兰 XHP107034630.32.41 XHP117040333.12.41 3.2 钻具 在普遍采用石油行业标准系列的钻杆、钻铤、螺 杆马达等钻具基础上，为满足集束式气动潜孔锤反 循环钻进工艺要求，研制了集束式气动反循环潜孔 锤（外形如图 4 所示，基本技术参数见表 4），并根据 钻进要求配套 178 mm 双壁钻杆、气盒子、气水混 合器、双壁保护接头等。 集束式气动反循环潜孔锤 由 3 个常规正循环潜孔锤均布在同一圆周面上组合 而成，单锤尺寸为 203.2 mm，配 215.9 mm 冲击 器，主要结构包括双壁接头、配气室、单锤、排渣管、 密封盘以及导向头等［19］。 178 mm 双壁钻杆外管 内径 152.4 mm，内管外径 127 mm、内径 114.3 mm， 能够满足循环通道的尺寸要求。 表 4 集束式气动反循环潜孔锤基本技术参数 Table 4 Basic technical parameters of reverse circulation cluster down－the－hole hammer 型号质量／ kg长度／ mm 耗气量／ （m3min －1 ） 工作压 力／ MPa 711／311mm1 8503 100 580／311mm1 7703 900 25～1021.03～2.41 3.3 随钻测量系统 在随钻测量系统监测钻孔轨迹的基础上，通过 定向调控技术，确保大直径钻孔精确中靶。 随着无 线随钻测量技术的发展，测量方式不断丰富，测量精 度越来越高，有力推动了大直径钻孔的普及应用。 常见的随钻测量系统主要包括泥浆脉冲式和电磁 波式。 1）泥浆脉冲式无线随钻测量系统（MWD）。 该 测量系统起步较早，应用广泛，井下仪器串由脉冲发 生器、电磁阀、测量探管、电池筒及坐键短节组成，地 面系统由压力传感器、地面机、司钻显示器等组成， 优点是技术成熟、价格较低，缺点是受钻井液含砂 量、含气量影响较大，信号传输速度较慢［20］。 国内 泥浆脉冲式无线随钻测量系统测量误差一般为井 斜角0.1，方位角1，工具面1。 近年来，国内 泥浆脉冲发生器设计、制造取得进展，脉冲信号稳定 性有所提高。 2）电磁波无线随钻测量系统（EM－MWD）。 井 下仪器串由电池短节、发射天线及各传感器构成，需 装入专用无磁钻铤中，地面系统由接收天线、司钻显 示器、地面机及信号传输系统组成，优点是信号传输 效率较高，对循环介质要求低，可在充气钻井、气体 钻井中使用，特别适用于救援钻孔施工，缺点是信号 易受地面设备运转、目的层含金属矿物等因素影响。 目前使用较多的电磁波无线随钻测量仪器为美国 NOV 公司的 BlackStar EM－MWD 仪器，其误差为井 斜角0.2，方位角1，工具面1.5。 在彬长矿区 591 2021 年第 5 期煤 炭 科 学 技 术第 49 卷 某矿大直径电缆孔施工过程中，利用电磁波无线随 钻测量系统，指导钻进至孔深 669.8 m 透巷时，实际 透巷点与设计靶点偏移 0.58 m。 中煤科工集团西安研究院有限公司将抗震型 EM－MWD 与空气钻进技术相结合，在空气潜孔锤 高钻速和高频振动工作条件下实时监测钻孔轨迹， 保障了空气钻进的成孔质量和中靶精度［21］。 4 大直径钻孔成孔技术装备发展趋势 以现有的技术储备和实践经验为基础，依托于 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”的支持，以现实 需求为导向，煤矿区地面大直径钻孔成孔技术与装 备的发展将始终围绕并不断攻克安全和快速钻进成 孔两大技术难题，主要发展趋势归结为以下 3 点。 1）快速扩孔技术完善与推广。 煤矿区地面大 直径钻孔钻进无法回避含煤岩系地层复杂的客观条 件，需在现有的集束式气动潜孔锤反循环钻进技术 积累基础上，加深对反循环形成机理及过程的理论 研究，特别是当孔内出水或积水的情况下，如何保证 实现连续、高效的反循环过程，当钻遇复杂地层时， 如何确保孔壁稳定；进一步优化集束式锤体结构设 计，探索更大直径集束式气动反循环潜孔锤应用的 可行性［22］，完善双壁钻具配套；研究安全的透巷技 术，最大限度降低透巷时对井下空间的破坏和对人 员的伤害；完善保障措施，加强对大直径钻孔事故预 防及处理技术的研究，降低钻井成本与风险。 2）轻量化、高性能车载钻机及配套救援装备研 制。 在现有车载钻机基础上进一步开发低成本、轻 便型车载钻机，满足公路运输相关规定，发挥其快速 移动的优势；完善车载钻机及配套救援装备性能，提 高设备在复杂条件下运行的稳定性。 3）提高下套管及固井作业效率。 改变现有的 施工经验常识，探索新的技术方法，提高下套管及固 井作业效率，缩短大直径钻孔成孔周期。 以提吊浮 力法下放单根长 10 m、外径 540 mm 套管为例，现有 的施工经验显示，每下放 1 根套管，焊接耗时 30～40 min，若以孔深 360 m 计算，下套管及固井候凝总耗 时 72 h，远达不到抢险救援的钻孔施工要求。 5 结 语 随着煤矿安全生产要求的加大，煤矿区地面大 直径钻孔以其独特的作用而逐渐被推广应用，并在 业内人士的共同努力下，渐步形成了区别于煤炭地 质钻探和常规油气井钻探的技术与装备体系。 煤炭 作为我国主要基础能源的地位短时期内不会改变， 煤炭资源的持续开采使其生产条件不断发生变化， 对安全生产的要求也更加严苛，对煤矿区地面大直 径钻孔成孔技术及装备提出了新的挑战和要求。 在 国家政策支持和带动下，以服务煤矿安全生产为宗 旨，煤矿区地面大直径钻孔快速钻进技术不断创新 发展，相关配套装备不断更新进步，最终发展成为应 对矿山应急抢险救援的可靠技术体系。 参考文献（References） ［1］ 何满朝，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究［J］.岩石 力学与工程学报，2005，24 （16）2803－2813. 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