地下钻孔科学技术和设备与资源能源、地质灾害、基础工程及可持续发展
【摘 要】资源、能源、环境、可持续发展、上天、入地、下海、登极的宏伟计划，是人类社会关注并奋斗的永恒主题。人类社会在上述活动中，都必不可少地采用“地下钻孔”的工程手段。目前，资源的紧缺、能源的耗竭、环境的污染、地质灾害的频发、大规模的基础工程建设等等，对钻孔科学技术和设备提出了新的要求。先进的钻孔机械设备，领先的钻孔工艺技术，应成为当前较长时期内急需研究和发展的对象。
【关键词】钻孔设备和技术；能源；资源；地质灾害；基础工程；科学钻探
地球是我们人类可爱的家园。她的地下资源是人类赖以生存和发展的物质基础。我们在充分利用地下资源的同时，也必须科学地开发资源，保护资源。这个步入中年，已有47亿岁的地球，在人类仅有5000多年文明史中特别是近百年来的时间里，受到了严重的破坏，其资源的消耗，能源的枯竭，环境的污染，气候的恶化，地质灾害频发等，使人类的可持续发展面临严重的挑战。
资源、环境、可持续发展，上天、入地、下海、登极的宏伟计划，是人类社会关注并奋斗的永恒主题。人类社会在围绕上述活动中，都必不可少地采用“地下钻孔？”的工程手段，即通过机械设备和工具，在地球的表面包括陆地、南北极地，也包括占地球表面积70％以上的海洋，以及在外星球上进行钻孔作业，从而实现勘探资源，获取资源，开发利用能源，保护和治理环境，预防、监测和治理地质灾害等目的，同时更深入地了解和感知地球内部的信息，科学地利用并保护地球，实现人类社会的可持续发展。
1. 地下钻孔技术与资源和能源
矿产资源包括固体矿产资源和流体矿产资源。地球内部蕴藏的资源总量是恒定的，不可再生。人类社会高速发展，对资源量的需求和依赖也越来越大。当今世界资源紧缺，价格大幅上涨，现已有45种矿产资源供给不足，亟待资源的进一步勘探和开发。前几十年，对易进入地区和浅表层资源勘探开发的程度较高，资源已近枯竭；而对边远、高原、复杂条件及深部地层资源勘探不足，有待于更大的投入和开发。矿产资源的不足，带来了地质勘探的第二个春天。现今世界高度重视资源的勘探与开发，我国政府也做出了加强地质工作的决定，矿业领域的改革和开放，极大地激发了人们开发矿业地热情。投资矿业，加速勘探和开发，已成为世界（包括中国）的经济热点。先进的钻孔设备，领先的钻孔技术，应是当前较长时期内急需研究和发展的对象。发明和创造先进的钻孔工艺方法，集成和综合多种钻孔工艺方法于一体，大幅度提高钻孔速度，降低钻孔成本，研究和开发全液压动力头式勘探钻机，深孔勘探钻机，大功率钻机，多功能智能化钻机等，将对人类社会的进步和可持续发展作出大的贡献。
以石油、天然气、煤炭、煤层气为表征的能源勘探开发工作量剧增。围绕能源勘探开发所需的钻孔技术需不断创新，钻孔设备需求量大，国内外的钻孔工程界都在积极努力工作，我国也在积极引进、吸收和再创新，研制开发适合国情的能源勘探开发设备，以满足当前能源勘探开发的需求。
天然气水合物（也称可燃冰）的勘探和研究，又为人类获取新能源开辟了更广大的领域。赋存于深海海底和永冻地层中的天然气水合物，其总量是已探明的能源――石油、天然气、煤炭等能源总量的2倍以上，世界各国均在竞相研究。随着天然气水合物勘探开发技术的进步和成熟，将需要大量的天然气水合物钻孔勘探与开采的机械装备。
上述能源均属于不可再生的且存在污染的传统能源。众所周知，地球由三个圈层组成，地球的中心既地核直径达几千公里，熔融状态的物质温度高达数万度。由地表向下钻孔，每公里深的温度梯度平均为30℃，几公里深处的地下钻孔内的温度可达一百多度，可直接用于发电。有资料报道，德国2006年曾施工二口用于试验研究的地下贯通井，井深6.2公里，二口井的水平距离为12公里。由一口井向下注水，另一口井则排出近200 ℃多度高温的蒸汽，直接用于发电。地球内部的地心热能，洁净无污染，是不会枯竭的永恒能源。充分利用地心热能，是解决人类能源不足的未来希望所在。深孔、大功率的钻孔机械加之先进的钻孔工艺技术，取得快速的钻井效率，实现低的施工成本和较短的施工周期，是开发地下热能的前提条件。
水井和地热井的钻凿，旨在解决我国大部分城市供水不足和利用地热异常寻找地热资源作为能源的地下钻孔工程。地下赋存着丰富的水资源，即便是干旱的沙漠地区，其地下水也往往丰富异常。我国西部地区，地域广袤，沙漠侵袭的面积大，因而人烟荒芜。地下水的开发和利用，可使沙漠变为绿洲。多数经济欠发达或落后的地区，其主要根源就是干旱缺水。充分开发和合理利用地下水资源，是使我国经济和社会快速发展的一个重要前提。水井钻机和地热井钻机，伴随着钻孔工艺技术的进步与发展，如潜孔锤反循环钻进技术，气举反循环钻进技术，喷射钻进技术及冲洗液技术的发展，其钻井速度将大幅提高，钻井成本大幅降低，成井质量优，完井速度快，将会有很大的发展空间。目前国内水井、地热井钻凿领域技术方法落后，钻进效率不高，施工周期很长。国外，例如非洲干旱地区的水井工程在世界各国的支持下，水井钻凿均已实现了潜孔锤钻进，钻井速度快，一天一口井，迅速改变着非洲干旱地区的面貌。先进的水井钻机，必须与先进的钻孔工艺方法相结合，方能显示出水井钻孔机械的施工能力。在该领域要做的工作和待研发的机械装备数量很大，工作任务重，随着我国经济的增长和社会的快速发展，其需求量将会迅速凸显出来。
生态建筑、环保建筑和智能化建筑的理念已在全球兴起。人类生产生活用房，既要节约能源，又要满足环保要求。浅层地热和地源热泵技术的成熟和发展，已为今后将其广泛用于房舍空调和供暖奠定了基础。每栋房屋，利用地温来调节室内温度，通过地源热泵与数十至数百个地下钻孔进行能量交换，使房间内永远保持理想适宜的温度，同时又大幅度减少能源消耗，对周边环境更是没有污染。该项技术的重点还是大量地下浅层（100米左右）钻孔的施工问题。对钻孔施工机械的要求仍然是快、好、廉的原则。国内已经开始并且有计划地对浅层地热进行开发利用，从而使建筑物节能环保，温暖舒适。此类钻孔的地下施工机械，应适应城区施工作业的条件，应满足成孔、下管（U形管）、灌注等工序的要求。截至目前，还没有形成专门化的钻孔工艺技术，还没有研发出专门的机械设备施工此类钻孔。 2. 地下钻孔机械与环境和灾害防治
人类的生产和生活活动已严重污染并破坏了环境。地球数十亿年形成的能源被人类仅用数百年的时间将消耗殆尽，由此而形成的废弃物质飘逸在大气层，深入到地球表面，污染河流和海洋，使地球的气候灾害增多，地质灾害频发。地壳自身运动（板块漂移、隆升、挤压和褶皱等）、气候变暖加之人类生产生活对地球的破坏，使地球环境受到严重威胁，已经和严重影响了人类的生活。对地球环境的保护，除了充分利用太阳能、风能、水能外，还要大力开发利用地热能源。地热能、风能、太阳能等新能源是永恒、洁净、无污染的能源，可以与人类与时俱进，相依发展，满足人类可持续发展的需求。地热能源开发利用的程度如何，依赖于地下钻孔科学技术的发展和地下钻孔机械设备的研发水平。因此，我们应加大投入，快速研发，推向市场，势必会改变人类的生存条件，同时也保护了地球――我们的家园。
地震、滑坡、泥石流、高边坡塌落等地质灾害频繁发生，感知、预测、监控和治理地质灾害，是人类与自然界的挑战和较量。施工地震观测孔、沉降测量孔、挡土桩孔、锚索孔等，以预防和治理地质灾害，将地质灾害的损失减到最小，是我们的奋斗目标。深入研究钻孔科学技术，研制用于地质灾害防治的地下钻孔机械是人类社会发展所需，是人类挑战自然界的有力武器。
3. 钻孔机械与基础工程
改革开放以来，我国的基础设施和建筑工程如雨后春笋，蓬勃发展。各类基础工程量剧增：钻孔灌注桩、地下连续墙、深基坑支护、防渗墙、帷幕灌浆孔、非开挖管线铺设等地下钻孔工程量巨大，全国煞然是一个大的建设市场。
80年代钻孔灌注桩技术日渐成熟。90年代初，江西地勘局在上海首先应用了钻孔灌注桩技术，原上海探矿机械厂适时研发了GPS型系列工程钻机和配套设备，其产品一举占领全国市场的半壁江山。近些年伴随环保对泥浆排放的高标准要求和钻孔灌注桩干式作业法的诞生，以及为满足快速施工作业的要求，旋挖钻机、连续墙钻机大批量进口，同时我国也开始了研发。从设备的全部进口到设备国产化程度的提高，我们国家走过了一个引进、消化、吸收、再创造的创新过程。我国多家大型工程机械制造企业顺应时代要求，坚持自主创新，研发出多种旋挖钻机和连续墙钻机，其销售遍布全国，迎来了我国地下工程施工的第二次腾飞，同时也提升了我国基础工程施工的实力和形象，使其与国际接轨，步入了国际先进行列。上海金泰公司又瞄准了大直径硬岩钻孔施工设备的研发，产、学、研相结合，有机组合旋挖钻机与大直径潜孔锤技术，走上自主创新的研发之路，将从根本上解决大直径桩孔嵌岩的工程难题，赶超世界先进水平。
为满足非开挖管线铺设的需求，近些年各类非开挖设备发展迅速：冲击矛、夯管锤、导向钻机等随之出现，适应了管线铺设工程的需求。可控冲击矛、油压夯管锤、硬岩导向钻进技术等新设备和新技术仍在不断发展中。
4. 钻孔机械与科学钻探
人类要探知星球，就需要能够潜入到星球内部进行观察的望远镜――科学钻探。目前，地下钻孔工程的发展远落后于航天工程。陆地上最深的科学钻孔是前苏联位于科拉半岛的超深钻，孔深达12.66公里，与地球的直径相比宛如蚊虫的叮咬；南极冰钻孔深记录也是前苏联创下的3600米，至今仍未穿透冰层。我国2000～2005年实施的亚洲第一口科学钻探井――江苏东海科学钻探工程，完全利用国产钻孔设备、机具和钻探技术，胜利完成了预期钻进孔深5332米的任务，同时也实现了预期的科学目标，解读了大陆漂移和地壳板块碰撞理论，发现了新的矿产资源及其形成机制，通过钻孔通道提前捕捉到了地震和海啸的信息，为人类提前获取地下信息、预防地质灾害提供了手段。
国际大洋钻探计划已有十几个国家参加，我国是成员国之一。该计划将在全球五大洋遍布科学钻孔，预计最大孔深超过万米，其中海水深6000米，海底钻孔深6000米。为探索海洋资源和相关科学信息，经济发达国家已投巨资建造钻探船，创新研发海上作业的钻孔设备，研究新的钻孔技术方法，以适应大洋钻探的需求。随着陆地资源的日益匮乏，开发海洋资源是必然趋势。研究海洋钻孔科学技术，超前进入研发阶段，是抢占市场先机的有识之举。
世界大国的星球探测计划和我国已经开始实施的嫦娥探月计划，最终目标都是要实现在外星球上钻孔取心，了解外星球的内部信息，勘探外星球的资源，为人类获取外星球的资源、建设人类的第二个家园而努力，而星球钻孔工艺技术和机械是实现人类梦想的必不可少的工具和手段。
让我们的地下钻孔科学技术在人类发展史上做出更多、更大的贡献！
参考文献
［1］ 孙文盛. 善待地球 珍惜资源 持续发展――纪念第37个“世界地球日”［J］. 国土资源通讯 ， 2006,(08)
［2］ 何冠明，何国正. 石油资源和能源可持续发展战略问题探析［A］2006年中国可持续发展论坛――中国可持续发展研究会2006学术年会经济发展与人文关怀专辑 ［C］， 2006 .
［3］ 张波，张进江，陈晨，刘明利，陈藻. 中国能源安全现状及其可持续发展［J］. 国土与自然资源研究 ， 2004,(03)
［4］ 刘志飞， 拓守廷. 科学大洋钻探回顾与展望［J］. 自然杂志 ， 2007,(03)
［5］ 刘广志. 探矿工程要不断创新才能实现跨越――关于探矿工程急待开展和参与“上天、入地、下海、登极”工程的几项建议［J］. 探矿工程(岩土钻掘工程) ， 2005,(08) .
［6］ 殷琨. 深化反循环工艺研究，促进钻探科技快速发展［J］. 探矿工程(岩土钻掘工程) ， 2006,(03) .
［7］ 张文亮，贺艳梅，孙豫红. 天然气水合物研究历程及发展趋势［J］断块油气田 ， 2005,(02)
［8］ 王宏语，纪云龙. 认识一种新兴资源――天然气水合物［J］资源.产业 ， 2005,(01)
［9］ 王秀茹. 国际地质工程与地质灾害新技术研讨会在长春召开［J］. 吉林大学学报(地球科学版) ， 2006,(05)
［10］ 张祖培 国际地质工程与地质灾害新技术研讨［J］. 国际学术动态， 2007,(05)
［11］ 左汝强. 钻掘工程国内外发展水平与差距及建议(下)［J］探矿工程(岩土钻掘工程) ， 2003,(02)
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