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煤与瓦斯突出、顶板坍塌、透水事故、火灾、爆炸及冲击地压等矿山灾害会导致人员被困井下，通过快速构建生命保障和救援通道能够有效地减少人员伤亡，降低社会影响[1-3]。一旦发生矿难，在最短时间内将被困人员救援至地面是挽救矿工生命的最有效手段，除了传统的井下疏通巷道救援外，近年来通过地面施工钻孔进行救援的方式取得了较大成功，对挽救被困人员生命提供了坚实保障，每次成功的营救都会引起较大的社会反响，也体现了国家的形象和科技实力[4-5]。
地面钻孔救援首先在地面快速施工小直径生命保障孔，与被困人员建立通信，提供给养，维持生命；然后施工地面大直径救援井，通过安全提升装备将被困人员救援至地面。此外，在具备条件的矿井中对井下大断面救援通道构建进行有效尝试，可为矿山灾害救援提供双重保障[6-8]。
但是地面钻孔救援存在许多亟待解决的问题：复杂地层快速破岩成孔机理研究尚不充分；复杂地层中快速钻进精准定向难度大；常规泥浆正循环工艺在大直径硬岩孔段钻进效率低[9]，透巷的安全隐患大；现有车载钻机控制理论研究基础薄弱，工艺适应性差，能力及效率偏低；井下大直径救援通道构建技术与装备不成熟等。
为解决上述问题，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”突破矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术与国产装备瓶颈，研发优快碎岩、可靠钻进工艺与钻具组合，研制专用救援车载钻机、提升装备、井下顶管钻进装备，解决复杂地层钻进能力弱、效率低、适应性不足的难题，为生命保障救援通道快速、安全构建提供技术与装备支撑。
21世纪以来，世界范围内已有3例利用地面钻进通道成功营救井下被困人员的案例：2002年美国魁溪煤矿透水事故、2010年智利圣何塞铜矿坍塌事故和2015年我国平邑石膏矿坍塌事故。但是目前国内外钻进救援的研究尚处于探索起步阶段，缺乏以救生为核心的钻进技术与装备系统性研究，在地面救援时只能采用常规钻进技术和装备，在井下适用于坍塌岩体条件下的顶管钻进技术及装备尚未形成[10]。
1)地面精准定向快速钻进技术方面。国内外3例成功的矿山灾害钻孔救援中，由于上覆地层结构较简单或钻孔深度较浅，均采用常规保直钻进工艺，通过投放测斜仪器监测实钻轨迹，实现中靶。
2)地面大直径井钻进技术方面。智利圣何塞铜矿事故救援采用集束式潜孔锤，以冲击回转钻进、下排渣工艺钻成深度688 m大直径救援井；工程井施工领域，采用ø660 mm大直径潜孔锤、正循环工艺，最大钻深270 m。
山东平邑石膏矿事故救援综合运用旋挖钻进、大直径潜孔锤反循环钻进等工艺，完成深度225 m的大直径救援井；中煤科工集团西安研究院、吉林大学等研究了大直径潜孔锤反循环钻进工艺与配套反循环潜孔锤，最大钻深295 m，神华宁煤集团等研究了大直径潜孔锤正循环、大直径潜孔锤下排渣等工艺技术，最大钻深335 m。
3)地面钻机方面。美国魁溪煤矿事故救援采用的Atlas RD20钻机最大转矩10 848 N·m，最大提升力499 kN；智利圣何塞铜矿事故救援采用的Schramm T130钻机最大转矩12 045 N·m，最大提升力591 kN。
山东平邑石膏矿事故救援采用的Bauer RB-T90钻机最大转矩36 000 N·m，最大提升力900 kN。国内开展了车载钻机的研制，能力与国外钻机相当。
4)地面救援提升装备方面。智利圣何塞铜矿救援采用了“凤凰号”提升舱；德国开发了将数字化提升绞车和提升舱集成在汽车底盘上的车载式提升装备[11]。中煤科工集团西安研究院有限公司和三一重工均研制了起重车加提升舱结构形式的救援提升装备[12-13]。
5)井下大直径通道构建技术及装备方面。针对井下坍塌岩体条件下顶管钻进技术与装备的研究，国内外均属空白；国外用于井下完整岩体的顶管钻进技术装备成熟，国内煤科集团沈阳研究院有限公司在淮南矿区开展了应用试验，顶管钻进直径1.5 m、长46 m的通道。
1)小直径钻孔快速钻进及精准定向技术。针对复杂地层中冲击快速破岩适应性和精准定向控制的科学问题，开展复杂地层冲击载荷快速破岩及孔壁失稳机理研究，探索影响复杂地层冲击钻进效率和碎岩不均衡的关键因素，揭示冲击钻进碎岩动力与复杂地层的作用机制；研究松散覆盖层、强富水含水层、裂隙发育等复杂地层特征，进行多钻进工艺地层适应性分析研究；研究冲击钻进对随钻精准控制的影响规律，探究随钻精准控制冲击钻进失效原因；开发轨迹精准控制的快速定向钻进、仿生耦合双钻头自平衡钻具系统、重点进行基于随钻测量的空气潜孔锤快速钻进技术研究，解决高频冲击碎岩条件下随钻测量仪器抗冲击扰动问题[14-15]。
2)适应大直径深井多工艺快速钻进的高效碎岩、排渣及安全透巷技术。针对复杂地质条件下矿山地面大直径救援井施工面临中靶精度差、钻进效率低以及透巷时存在安全隐患等实际问题，开展大直径潜孔锤反循环、气举反循环以及泥浆正循环等多种钻进工艺，对软硬交互、裂隙发育、富水性强等复杂多变地层的适应性研究，形成坍塌掉块、漏失、涌水等井内复杂问题预防与处理的一体化整体解决方案；研究集束式潜孔锤反循环排渣高效钻进及精确中靶技术，研制大直径空气反循环钻井配套机具，研究空气钻进岩屑溃入、透巷过程对顶板稳定性影响等问题，形成大直径组合动力低密度介质反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷关键技术。
3)地面救援通道构建高效钻进装备研制及多工艺自适应控制技术研究。针对地面救援通道快速、精准、安全构建过程中的钻机-钻具-地层交互式控制科学问题及钻机的多工艺适应性关键技术问题，突破大直径反循环成井过程中井壁不稳定、车载钻机动力头主轴通孔较小，导致排渣通道过流面积不足、冲击破岩反作用力对动力头损害较大等局限，研制具备大通孔、大转矩、抗冲击动力头；针对复杂地层工艺适应要求高的需求，利用现代控制、传感与通信技术，建立钻进压力、回转速度和地层参数间的匹配模型，研究典型工况下人工控制的经验数据，提取特征参数，构建钻进过程动态自适应控制模型,开发高可靠性、多冗余度电液双模式自适应控制系统，实现钻机-钻具-地层交互式安全快速钻进。
为保障被困人员升井过程中的安全，采用多目标全局优化理论，研制集底盘、卷扬和提升舱于一体的全地面自行式提升救援装备。针对救生通道信息传输和重构关键技术问题，以中心通缆式钢丝绳为信号传输载体，开发具备信号双向传输功能的提升组件，实现地面与提升舱间的数字化实时通信，地面人员可实时获取提升舱内信息；开发救生通道信息感知系统，通过多传感器信息融合提升舱和提升装备工作数据，重建救生通道可视化三维模型，科学指导人员升井。
针对坍塌岩体条件下刀群高效破岩科学问题，突破顶管钻进装备多系统协调控制、小空间优化布局、多模块精准装配等关键技术，解决井下大断面救援通道快速构建过程中钻遇地层稳定性差、精准钻进困难等问题；研究坍塌岩体的松散岩石破碎机理，开发适应松散岩石地层钻进的刀盘系统设计方法和大流量排渣技术，研制适应坍塌、破碎地层的大开口滚刀式复合刀盘及大流量排渣装置；研究典型钻进障碍物处理技术和异常工况处置方法，建立系统故障、关键件失效判别策略，形成具有钻进、推进、纠偏及排渣等功能的救援通道快速构建装备及配套工艺技术；建立干式顶管救援通道构建工法，形成井下顶管快速钻进大断面救援通道技术与装备。
围绕提高煤矿重大灾害应急生命通道快速构建技术与装备水平的目标，项目按照“矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建碎岩、排渣理论研究—高效、精准钻进工艺技术开发—专用钻孔救援装备研制—技术装备集成示范应用”的研究方案，设置5个研究性课题和1个示范工程，如图1所示。
图1 救援通道快速安全构建技术方案
Fig.1 Research scheme of rapid & safe construction technology for rescue channel
1)课题1：研究复杂地层冲击载荷快速破岩及孔壁失稳机理，开发高频冲击破岩条件下的随钻测量仪器抗冲击扰动和钻进信息传输技术，实现复杂地层地面钻孔快速钻进和轨迹精确控制，实现黄金 72 h 内被困人员的搜救及生命延续，并建立通信，是项目其他课题开展的前提。
2)课题2：研究大直径组合动力低密度介质反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷技术，开发复杂地层大直径反循环钻进技术和配套钻具，实现地面大直径井高效钻进及精准安全透巷，为项目构建地面深600 m、直径800 mm救援井提供技术支撑，并且为课题4提供地面提升救援通道。
3)课题3：研究适应大直径深井多工艺快速钻进的钻机-钻具-地层交互式控制机制和适用多种钻进工艺的救援车载钻机自适应控制技术，开发救援钻机电液系统，研制地面车载钻机及配套钻具输送系统和大开口井口平台，为项目地面大直径救援井施工提供装备保障，同时为课题2提供救援专用地面钻探施工装备。
4)课题4：研究基于多传感器数据融合的救援井信息传输和重构技术，实现提升过程双向通信及可视化，研制全地面自行式救援提升装备，利用课题2构建的大直径救援井提升被困人员，为项目地面600 m安全提升救援提供技术和装备支撑。
5)课题5：研究坍塌岩体条件下刀群高效破岩机理和效率驱动的破岩顶管钻进刀群与盘体结构优化，设计大开口复合刀盘，开发顶管装备及施工工法，为项目井下直径1 200 mm救援通道构建提供技术装备支撑，与课题2的地面提升救援通道相互补充，构成井上井下立体救援体系。
6)课题6：对课题1、课题2、课题3、课题4的技术和装备成果进行试验验证，根据试验结果对相关的钻进工艺技术、施工装备和救援提升装备进行改进、完善，最终形成地面救援通道快速安全构建技术与装备集成。
项目以地面生命保障、地面及井下救援通道快速、安全构建为目标，以“救援案例学习调研—地面生命保障通道快速精准构建技术开发—地面、井下救援通道高效安全构建技术开发-地面、井下救援通道构建装备研制—地面提升救援技术与装备开发—技术与装备集成—工程试验”为主线，开展小直径钻孔快速钻进及精准定向技术；适应大直径深井多工艺快速钻进的高效碎岩、排渣及安全透巷技术；地面救援通道构建高效钻进装备及多工艺自适应控制技术；地面安全提升救援装备及救援井信息重构、传输技术；坍塌岩体条件下刀群高效碎岩技术及顶管钻进装备5个方向的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研究，技术路线如图2所示。
图2 救援通道快速安全构建技术实现路线
Fig.2 Technology realization route of rapid & safe construction technology for rescue channel
1)针对矿山水害、顶板事故导致的被困人员快速、安全救援难题，开展救援通道构建成套技术装备研发，开发小口径随钻测量空气潜孔锤快速精准钻进技术，满足72 h黄金救援时间内人员搜救需求。
2)开发大直径空气反循环快速钻进技术；研制适应多工艺的救援车载钻机(最大转矩50 000 N·m，最大提升力 1 200 kN)及配套机具、救援提升装备，为构建地面井径800 mm救援通道提供装备保障。
3)研制井下顶管机，为构建井下直径1 200 mm救援通道提供装备保障，最终形成井上井下应急救援通道快速、安全构建系统，提升救援通道施工能力和效率，为我国矿山重大灾害应急救援提供科技支撑,对提高我国应急救援水平具有重要意义。
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