[0001] 本发明属于矿山事故救援技术领域，具体涉及一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置及成孔方法。

[0002] 煤矿井下事故主要包括：瓦斯事故、水灾、火灾、冒顶以及粉尘灾害等。这些灾害事故往往会造成巨大的设备及财产损失，乃至人员被困和人身伤亡。在煤矿生产过程中应采取有效措施预防井下灾害事故发生；对于已经发生的灾害事故应及时补救，尤其是在有人员被困的情况，须进行全力、及时营救，将伤亡降至最低。目前，人工救援是矿山事故救援的常规手段，并在矿山救援中占有主导地位。但在有些情况下（如：巷道坍塌、严重火灾、瓦斯突出等）救援人员无法及时到达人员被困区域实施救援，可能会导致被困人员因为缺氧、中毒、食物缺乏等原因造成身心健康受损乃至失去生命。这种情况下，可采用煤矿井下钻孔对被困人员提供给养，维持其生命，等待救援人员的到来；或者直接采用煤矿井下大直径救援钻孔将被困人员救援到井下安全区域。

[0003] 钻孔救援是矿山事故救援技术的重要组成部分。煤矿井下救援钻孔是在煤矿井下救援、逃生通道被毁情况下，在煤矿井下安全区域向人员被困区施工的用于生命侦查、心理疏导、给养输送以及人员逃生的钻孔或者向灾害区事故区施工的用于灾害治理的钻孔的统称。救援钻孔根据用途不同可分为常规救援钻孔和大直径救援钻孔，常规救援钻孔是主要用于生命侦查、心理疏导、给养输送以及灾害治理的救援钻孔，这类钻孔孔径一般不大于200mm，施工难度较低，在救援中应用较多；大直径救援钻孔是向人员被困区域施工的用于人员逃生的救援钻孔，这类钻孔形成的通孔直径一般可达到500mm以上，成孔难度大，尤其是在松散破碎地层条件下，目前，煤矿井下还没有将大直径救援钻孔用于事故被困人员救援的成熟方法。

[0004] 现有的可用于大直径救援钻孔成孔的工艺主要是常规回转钻进工艺，其技术特点是：先采用常规钻具施工先导孔，再采用大直径螺旋钻杆配套不同规格的扩孔钻头从小到大进行2～3次正向扩孔，最终形成大直径救援钻孔。这种钻进工艺采用的是裸孔钻进工艺，孔壁无支撑保护，仅适用于稳定地层条件下的大直径救援钻孔施工，在松散破碎地层（如：巷道塌岩体、松软破碎煤层、裂隙发育岩层等）中钻进，孔壁稳定性差，成孔难度大，无法满救援的需要；这种施工工艺的钻具配套复杂、施工步骤繁琐，导致钻孔施工工作量大、施工效率低下，从而影响救援进度；采用该钻进工艺进行大直径救援钻孔施工，岩屑往往无法完全排出钻孔，遗留在孔内的岩屑会在孔壁下缘堆积，给救援作业带来不利影响；在煤层中施工的大直径救援钻孔，煤体会向钻孔中释放瓦斯，造成钻孔内氧气缺乏，威胁安全救援。

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0017] 本发明实施例提供一种矿山事故井下大直径水平救援的钻孔成孔装置，如图1~4所示，该装置包括：环形钻头1、中心钻头4、套管靴8，所述环形钻头1上设置有环形钻头台肩2和用于旋转解锁的环形钻头螺旋锁定结构3，所述中心钻头4上设置有中心钻头台肩6和用于旋转解锁的中心钻头螺旋锁定结构5，所述中心钻头4的侧壁上沿轴向方向设置有排屑槽7，所述套管靴8的一端套设在环形钻头1上，另一端套设在中心钻头4上，所述环形钻头螺旋锁定结构3与中心钻头螺旋锁定结构5配合连接。

[0018] 所述中心钻头4的一端与潜孔锤11的一端连接，所述潜孔锤11的另一端与螺旋钻杆13连接。

[0019] 所述套管靴8与套设在潜孔锤11、螺旋钻杆13外的套管12连接。

[0020] 所述环形钻头台肩2与第一套管靴台肩10重合，所述套管靴8上的第二套管靴台肩9与所述中心钻头台肩6配合。

[0021] 进行大直径救援钻孔施工时，将套管靴8套在环形钻头1上，使环形钻头台肩2端面与套管靴台肩10端面重合；再将中心钻头4底部向前从套管靴8另一端穿入，顺时针（或逆时针）旋转中心钻头4或逆时针（顺时针）旋转环形钻头1，使中心钻头4和环形钻头1分别以环形钻头螺旋锁定机构3和中心钻头螺旋锁定机构5相互配合，所述中心钻头4可以带动环形钻头1同步顺时针（或逆时针）转动和轴向往复运动；所述潜孔锤11一端与中心钻头花键相连，另一端与螺旋钻杆13连接，所述螺旋钻杆13可采用顺时针（或逆时针）旋紧螺纹或插接连接方式相连，可以传递钻压、拉力和扭矩；所述套管12与套管靴2通过焊接、顺时针（或逆时针）旋紧螺纹或径向螺钉相连，所述套管12通过顺时针（或逆时针）旋紧螺纹或径向螺钉相连，可传递钻压、拉力和扭矩。

[0022] 跟管钻进过程中，钻机通过顺时针（或逆时针）螺旋钻杆13带动潜孔锤11进行回转，并施加钻压，同时高压空气通过螺旋钻杆13中心通孔进入并驱动潜孔锤11，所述潜孔锤11带动中心钻头4进行冲击回转钻进；所述中心钻头4通过中心钻头4的中心钻头螺旋锁定机构5和环形钻头1的环形钻头螺旋锁定机构3之间的作用，带动环形钻头1进行同步冲击回转钻进；所述中心钻头3的中心钻头台肩6与套管靴8的第二套管靴台肩9之间的相互作用，可使套管靴8带动套管12跟随中心钻头4同步进入钻孔；由于环形钻头1、中心钻头4相对套管靴8可相对转动，跟管钻进过程中，套管靴8及套管12不发生转动；高速气流携带岩粉通过排屑槽7和潜孔锤11与套管12之间环空至螺旋钻杆13与套管12之间，螺旋钻杆13通过与套管12间的相对转动发挥排粉功能；由于环形钻头1的环形钻头台肩2受到第一套管靴10的限制，可通过提拉螺旋钻杆13将孔内的套管12同步提出。

[0023] 跟管钻进进入稳定岩层14时，在钻机给进力及潜孔锤11冲击作用下带动中心钻头4、环形钻头1、套管靴8、套管12进入钻孔，所述套管12与孔壁见存在间隙；当钻进进入不稳定地层15时，在钻机给进力及潜孔锤11冲击作用下带动中心钻头4、环形钻头1、套管靴8、套管12也可以进入钻孔，不稳定地层15孔段坍塌岩体被套管12支护，保证套管靴8和套管12内部的环形钻头1、中心钻头4、潜孔锤11和螺旋钻杆13的安全和排粉通道畅通，保证钻进正常进行。

[0024] 本发明实施例还提供一种矿山事故井下大直径水平救援的成孔方法，如图5所示，该方法通过以下步骤实现：步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆13使中心钻头4与环形钻头1解锁，将螺旋钻杆13、潜孔锤11、中心钻头1提出套管12，所述套管12留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头1留在套管12中；
步骤二、在套管12中下入粗径接头将环形钻头顶出套管12，以保持套管12内达到最大通径和畅通。

[0025] 本发明实施例还提供一种矿山事故井下大直径水平救援的救援方法，如图5、6所示，该方法通过以下步骤实现：步骤一、在井下安全区与人员被困区之间施工大直径救援钻孔，所述大直径救援钻孔贯通后，缓慢反向转动螺旋钻杆13使中心钻头4与环形钻头1解锁，将螺旋钻杆13、潜孔锤11、中心钻头1提出套管12，所述套管12留在大直径救援钻孔内，所述环形钻头1留在套管12中；
步骤二、在套管12中下入粗径接头将环形钻头顶出套管12，以保持套管12内达到最大通径和畅通。

[0026] 步骤三、在套管12中下入救援仓18，所述救援仓18上部与钻杆19相连，通过下钻的方式将救援仓18下放至人员被困区域，待被困人员进仓后将救援仓18上提至安全区域，完成被困人员的救援。

[0027] 所述救援仓18靠近孔口端设置有单动机构22，所述单动机构22连接有一稳定器23，所述稳定器23与钻杆19连接。

[0028] 所述救援仓18的仓体外壁设有滚轮20，所述救援仓18的底部设置有配重。

[0029] 当跟管钻进贯穿安全区域16与人员被困区域17之间的岩体后，缓慢逆时针（或顺时针）转动并轻提钻具螺旋钻杆13，使中心钻头4的螺旋锁定机构5与环形钻头1的螺旋锁定机构3解锁；起钻提出套管12内的螺旋钻杆13、潜孔锤11和中心钻头4，环形钻头1、套管靴8套管12留在孔内；中心钻头4与环形钻头1解锁后，环形钻头1可相对套管靴8轴向分离，此时可采用普通钻杆带一外径大于环形钻头1的内径且可穿过套管12和套管靴8内孔的粗径接头，下入套管12和套管靴8中，将环形钻头1顶出套管靴8，然后提出钻具，孔内仅保留套管靴8和套管12形成的救援通道。

[0030] 实施救援时，所述单动机构22另一端与稳定器23相连，所述稳定器23另一端与钻杆19相连，并从套管12和套管靴8通孔中穿过，进入人员被困区域17内，待被困人员进入救援仓18后提钻，将救援仓18提至安全区域16内，从而完成救援；救援实施期间，套管12对孔壁进行实时支撑和保护，防止不稳定地层15内塌孔造成救援通道堵塞的情况发生。

[0031] 救援作业期间，所述滚轮20可降低救援仓18仓体与套管12之间的摩阻力；单动机构22可以传递起下救援仓18的轴向力，同时防止救援仓18跟随钻杆19同步转动；所述配重21可防止救援仓18在起下过程中在套管12内发生转动；稳定器23可保证起下救援仓18时的稳定性。