《煤田地质与勘探》“矿山灾害生命保障应急救援”

《煤田地质与勘探》“矿山灾害生命保障应急救援” | 专题

来源：煤田地质与勘探

矿山发生重大灾害事故时，会导致井筒、巷道破坏，人员被困井下。目前，应急救援主要有井下和地面两种方式：井下具备施工条件时，构建穿过坍塌段的大直径救援通道，是最直接的救援方式。被困人员距离安全出口较远或有二次灾害发生的危险，短时间内难以形成井下救援通道时，地面钻孔应急救援成为解救更多生命的有效手段，通过构建小直径生命保障孔进行人员搜寻、信息联络、给养输送，通过构建大直径钻孔实现人员升井脱困。开展上述救援通道所需的技术与装备研发是时下的热点和难点。现整理出“矿山灾害生命保障应急救援”相关成果，供大家参考学习。

行业视野: 安全
类别; 70个
关键词; 61位
专家; 15篇
论文; 2246IP
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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

作者(Author)：田宏亮, 邹祖杰, 郝世俊, 曹明, 周光华, 黄勇, 顾海荣, 王雷

摘要：矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏，人员被困井下时，通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式，井下具备施工条件时，构建穿过坍塌段的大直径救援通道，是最直接的方式；井下不具备施工条件或易发生次生灾害时，则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔，确定井下被困人员位置及身体状况，并及时输送给养，再构建大直径救援井，采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域，将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合，以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线，开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备，ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1 200 kN、最大转矩50 000 N·m，开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统，单根起下钻效率小于3 min/根；XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统，提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1 630 mm，最大顶推力8 541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术，地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术，井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范，完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔，用时46.83 h，井底水平位移偏移0.27 m，满足72 h黄金救援时间内成孔要求；完成井径830 mm、井深654.1 m救援井，井底水平位移0.19 m，介质溃入井下约7.5 m~3，并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验，施工长度102.5 m，日进尺43.92 m，顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备，构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系，可满足600 m深度的矿山应急救援需求，为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

238

130
矿山救援地面生命保障孔高效成孔关键技术

作者(Author)：张彪, 康玉国, 黄勇, 张明, 周光, 任英举, 刘建林, 高科, 赵研

摘要：地面生命保障孔作为井下被困人员的保障通道，是矿山事故造成人员被困井下时重要的地面应急救援方案之一，面对救援区易坍塌、易漏失、涌水大、易斜地层等复杂条件，单一成孔工艺存在地层适应性匹配差、综合钻进效率低、透巷难度大等问题，无法满足救援要求。为形成生命保障孔高效成孔工艺技术体系，提高应急救援响应速度，从解决钻效低、透巷难等科学问题和关键技术入手，快速安全钻进和精准透巷是高效成孔的两个核心任务：围绕快速安全钻进，针对深厚覆盖层、复杂基岩层，开展高压射流、空气潜孔锤跟管、复合钻进、空气潜孔锤、双钻头自平衡等钻进工艺研究，形成了深厚覆盖层安全高效钻进、基岩层复合“一趟钻”提速增效、基岩层空气潜孔锤“一趟钻”提速增效等安全快速钻进技术组合；围绕精准透巷，依据不同钻进工艺孔身轨迹控制机理，阐述了复合钻进轨迹监测控制与空气钻进轨迹监测关键技术方法，针对应急救援现场大偏移井无法透巷难题，提出了超短距离螺旋纠偏技术。成果应用于宁夏梅花井矿生命保障孔工程试验，钻孔深度670.50 m，成孔孔径215.9 mm，用时46.83 h，平均钻速14.32 m/h，孔底水平偏移0.27 m，从开钻至下套管高效成孔总用时55 h，证明该工艺技术体系能确保生命保障孔在72 h黄金救援时间内高效成孔，为地面应急救援钻孔的施工提供技术支持。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

171

89
气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

作者(Author)：赵江鹏, 郝世俊

摘要：气动潜孔锤作为一种高效冲击破岩工具，在国内外矿山事故钻孔救援中发挥了重要作用。笔者从破岩机理、结构型式、钻井方法与规程等方面阐述了气动潜孔锤的技术特点，着重分析了气动潜孔锤反循环类型及其特征。结合山西王家岭煤矿透水事故、山东平邑石膏矿坍塌事故、山东笏山金矿坍塌事故等成功救援案例，阐述了气动潜孔锤正循环钻进、气动潜孔锤与泥浆螺杆组合纠偏钻进在小直径钻孔中应用情况，以及气动潜孔锤随钻测量技术的研究进展。对于较浅小直径钻孔，气动潜孔锤采用保直钻进工艺可直接命中井下巷道；对于较深小直径钻孔，采用气动潜孔锤与泥浆螺杆纠偏组合钻进，方可命中井下巷道。结合国内外地面大直径救援钻孔成功案例，以及矿山大直径工程钻孔典型案例，介绍了气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等推广应用情况，气动潜孔锤下排渣最大钻深达688 m，气动潜孔锤反循环最大钻深达654.1 m。针对我国矿山开采逐渐向深部发展，矿山分布散、区域广，地质类型多、差异大的特点，面向复杂地层深孔救援，分析了小直径钻孔气动潜孔锤技术存在的不足之处，重点分析了大直径救援孔气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等技术面临的主要问题，明确其复杂地层钻进时技术缺陷实质，建议进一步开展气动冲击定向钻进技术、大直径钻孔气液双循环钻进技术的研究。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

120

69
地面救援车载钻机的研制

作者(Author)：凡东, 邹祖杰, 王瑞泽, 鲁飞飞, 刘祺, 王贺剑

摘要：矿山发生事故导致人员被困井下时，通过地面钻孔进行救援是一种有效的手段。救援车载钻机可适应多种钻进工艺，具有地层适应性广、机动性高、事故处理能力强等优点，是矿山事故救援的理想机型。鉴于国产车载钻机在生命保障孔及大直径救援井施工中存在的不足，研制了ZMK5550TZJF50/120型车载钻机，开发了适应多种工艺的大能力动力头，采用大通孔主轴、大通径冲管、气举反循环气管安设接口等设计，转速转矩调节范围宽，可满足多种钻进工艺，实测最大转矩51 350 N·m，具备施工大直径钻孔和处理事故能力；设计了油缸-钢丝绳伸缩式桅杆给进装置，实现长工作行程14 m，短运输尺寸13.6 m，实测最大起拔力1 205 kN，具备孔内事故强力解卡的能力。将动力及电液控制系统集成至动力泵站，为车载钻机、钻杆输送系统、井口平台提供动力源和控制源，分体式布局解决了钻进能力提升与整机质量尺寸间的矛盾，满足道路运输要求，能充分发挥钻机的高机动性。为提高起下钻效率、机械化程度，减少工人数量并降低劳动强度，研制了钻具自动加卸系统，通过HG2-01型换杆装置、液压提引装置、自动拧卸装置协同作业，实现起下钻具效率小于3 min/根。钻机在宁夏梅花井矿完成了直径830 mm、深度624.1 m救援井的施工，平均机械钻速3.1 m/h，透巷井深654.1 m，具备600 m深度的钻孔救援能力，为我国矿山灾害救援提供了装备保障。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

149

97
大直径钻孔救援提升装备研究进展

作者(Author)：顾海荣, 单增海, 王龙鹏, 邵涛, 邹祖杰, 高子渝

摘要：大直径钻孔救援是一种高效的矿井应急救援方法，大直径钻孔救援提升装备的作用是将被困人员通过大直径救援井安全可靠地提升至地面，是大直径钻孔救援体系的关键设备之一。随着大直径钻孔救援技术逐渐被行业认可，大直径钻孔救援提升装备也取得了长足发展，形成了固定式和移动式两种提升装备类型及多种技术路线，我国在移动式大直径钻孔救援提升装备领域的研究取得了重要进展。按照功能模块，将大直径钻孔救援提升装备分为救援提升平台、救援提升舱和救援提升信息化系统3部分，总结归纳了救援提升平台承载运输系统型式、提升支持系统结构、卷扬提升系统卷扬滚筒结构、制动系统、钢丝绳抗旋转技术与缺陷在线检测技术、提升舱结构、救援提升过程信息融合技术、救援井结构参数检测与三维模型重构技术领域的研究成果。指出：基于大吨位全地面起重机的大直径钻孔救援提升平台，通过能力强、场地适应能力好、提升方便、稳定，能够更好地适应救援提升过程偶发性、随机性的需求；救援提升舱的柔性可弯曲结构设计，能够显著提升通过能力；大直径救援井、提升舱和救援提升平台的信息融合是提升过程科学操作和决策的基础，救援提升过程数字孪生化是大直径钻孔救援提升装备未来的发展方向。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

122

53
煤矿大直径救援钻孔顶管钻进装备关键技术研究

作者(Author)：王雷, 朱玉芹, 张维娜, 刘昊, 赵文渤, 杨闯, 王冠雄

摘要：为解决煤矿坍塌巷道的救援难题，提高坍塌巷道大直径救援孔的钻进速度，提出了采用顶管工艺进行大直径钻孔施工。通过布置在硐室内的主顶装置，推动可以接续的管节及刀盘，对坍塌岩体完成破岩及排渣作业，最终形成由顶管管节组成的救援通道。研发了坍塌岩体条件下的大开口复合刀盘，由10把切刀、10把滚刀及2把刮刀组成，开口率为40%，能够满足大粒径渣石快速破碎的需求。研发了小直径顶管救援装备驱动系统及外周驱动、破排一体的新型排渣系统，主要结构包括出渣管、行星减速器、大齿轮、刀盘、电机等，电机带动刀盘及出渣管转动，出渣管内部焊接有螺旋的排渣条，煤岩破碎后进入刀盘，再由排渣管连接刮板机进行连续出渣，最大排渣粒径为300 mm，能够解决大流量大颗粒排渣需求和排渣系统小空间布置困难的问题。搭建了坍塌巷道的堆积体试验环境，完成煤矿顶管救援装备的工业性试验，顶进距离为102.5 m，折合日进尺为43.92 m，形成内径1 575 mm的救援通道，并实测得出顶进过程中的刀盘转矩和推进力的变化趋势。研究成果对提升我国应急处置与救援装备技术水平，对灾变条件下最大程度减少人员伤亡和财产损失具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

136

73
ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机钻压自适应电液系统研究

作者(Author)：常江华, 赵良, 鲁飞飞, 王龙鹏, 杨江波

摘要：车载钻机机动性强、工艺适应范围广，是救援钻孔施工的理想机型，传统的车载钻机均采用液控、液驱的方式，存在控制参数显示不直观、管线较多、难以实现闭环控制等难题，钻遇复杂地层时，司钻人员的反应速度往往难以适应工况的变化，不利于钻孔安全。为满足救援钻孔施工安全、自动化程度高的需求，ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机采用电控、液驱的方式。根据回转和给进两大主要执行机构的负载特性，设计具有无级调速和防吸空特性的回转驱动系统、具有防坠落功能的给进驱动回路；根据系统的控制、监控和驱动要求，设计集中操控和显示的救援钻机电控系统，实现分布式总线协议部署以及具有优先级的闭环散热调节；选取对钻压控制有影响的7个参数，采用BP神经网络技术对历史数据进行了训练、验证和测试，获取钻进参数与钻压控制的连接权值矩阵，实现对钻压的自适应控制(Weight on Bit,WOB)。该钻机在宁夏梅花井现场工业性试验中完成了预定的钻孔工作，电液系统运行稳定，温度控制系统可保证液压系统油温保持在40～60℃区间，柴油机冷却液温度保持在70～90℃区间，验证了温度闭环自适应控制系统的工作效果。ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机初步建立了钻压自适应控制模式，但由于地层的多样性和复杂性，还需要不断丰富样本数量、提高系统计算速度，使钻压自适应控制系统对地层的适应性更强。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

108

68
救援车载钻机同步自平衡式给进系统设计与应用

作者(Author)：邹祖杰, 田宏亮, 刘庆修, 常江华, 刘祺, 朱国栋

摘要：车载钻机是矿山事故地面钻孔救援的核心装备，在国内外历次成功救援中发挥了重要作用，给进系统是车载钻机的主要执行机构，使用过程中暴露出长工作行程制约整机通过性、定位轮系维护困难、双油缸运动同步性不强、动力头偏载引起导轨磨损、液压表显示起拔力延时等问题。研制的ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机采用基于油缸—钢丝绳倍速传动机构的伸缩桅杆式结构，实现了长工作行程和短运输尺寸；设计快换式轮系、钢丝绳防扭转张紧系统，解决一二级给进机身的辅助定位系统安全保护和维护困难的难题；采用给进系统油路同步补偿和先导控制技术，解决给进装置双油缸同步的难题；研发抽屉式调平体和测力销轴结构，实现动力头钻进过程中自平衡式调节及起拔力监测。经过静态、模态分析、应变测试和现场工业性应用，给进系统最大起拔力达1 205 kN，能够有效处理大直径救援井施工过程中卡钻、埋钻等孔内事故，配合动力头、钻杆加卸系统，具有快速起下钻具功能，可大幅度提高倒杆效率，单根起下钻效率小于3 min/根。研究结果表明：救援车载钻机伸缩桅杆式给进装置运输尺寸短，钻机机动性强，道路通过性好；现场试验中处理了多次孔内卡钻、埋钻事故隐患，稳定和可靠性较高、可维护性好、起拔力监测准确、倒杆效率高，可以满足600 m深度救援井施工需求。给进装置轻量化，以及执行系统、传动系统、动力系统之间的响应匹配优化研究是今后的重点方向。

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煤田地质与勘探

2022年第11期

191

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