大孔徑救援鉆孔技術應用

文·圖/杜兵建 楊濤

本文通過國際上3次重大礦山災害的救援案例分析，介紹了我國在礦山事故救援中鉆孔救援技術的研究和應用。

在發生頂板坍塌、礦井透水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等重大礦山災害事故時，由于坍塌冒落、巷道積水及動力現象等因素，造成礦井巷道堵塞，大量井下作業人員被困災區無法逃生，救援人員無法靠近直接實施救援。在這些礦山事故的救援中，構建快速救援通道，及時、有效地實施救援尤為重要。近年來的礦山事故救援中，除了傳統方法外，開始應用鉆孔救援技術，形成多措并舉的救援方法。鉆孔救援技術是通過向礦工被困災區打鉆，與災區被困礦工建立通訊聯系，向災區輸送氧氣、飲用水和食物等生存必須品，為后續救援爭取寶貴時間，并可在條件允許時直接通過大孔徑救生鉆孔營救被困人員，是建立快速救援通道、有效實施救援的重要的技術途徑。

表1 國際典型礦山鉆孔救援案例分析

國內外在利用鉆孔進行礦山事故救援方面有過一些成功案例。2002年美國賓夕法尼亞州魁溪煤礦透水事故和2010年智利圣何塞銅礦坍塌事故的應急救援中，運用了鉆孔救援技術并取得成功，也使鉆孔救援技術引起了社會廣泛的關注。我國在2010年神華集團公司駱駝山煤礦“3·1”透水事故和華晉焦煤公司王家嶺煤礦“3·28”透水事故等一些事故的救援中，分別采用了地面鉆孔探測和井下鉆孔排水措施，取得了一定效果。特別是2015年山東平邑石膏礦“12·25”坍塌事故救援更是世人矚目。

就救援的困難程度而言，我國平邑石膏礦的救援比智利圣何塞銅礦和美國魁溪煤礦的救援難度都大。具體分析見表1。

圖1 平邑石膏礦地層柱狀圖

圖2 救生鉆孔施工圖

圖3 氣舉反循環工藝示意圖

平邑石膏礦事故救援鉆孔技術方法

解決松散層問題的技術方法

在平邑石膏礦事故搶險救援中，救援現場地表有5 m左右的黃土泥沙層和3 m左右基巖分化層（地層地質概況見圖1）。從地表開始鉆井施工時，由于上部地表層松散，易坍塌，且泥漿鉆井漏失嚴重，成孔困難。針對這種不穩定地層情況，根據地層地質條件鉆孔設計做了變更（見圖2）。

一開采用旋挖鉆機挖直徑1 250 mm，深度8 m的井口下φ1 200 mm護壁管。二開繼續用旋挖鉆機直徑1 000 m，深度到54 m下φ850 mm套管固井。對于松散易坍塌地層，利用旋挖鉆機直接完成前期一、二開施工，解決了成孔難的問題。

三開采用直徑711 mm潛孔錘鉆頭，深度195 m，下直徑600 mm套管，下深185 m，固井。四開采用直徑580 mm潛孔錘直徑打到底，結果由于沒有打導向孔，φ580 mm孔段未直接透巷，在井下被困人員的配合下施工鉆找到救生孔。因φ580 mm孔段無法再下護壁套管，只得采取繩索直接升井。

空氣反循環鉆進工藝

空氣反循環鉆井工藝是以空氣作為循環介質，利用雙壁鉆桿環狀間隙將高壓空氣輸送到孔底，并驅動孔底鉆頭（潛孔錘）等破巖工具，以沖擊碎巖和旋轉研磨碎巖方式進行鉆進，也是空氣鉆進技術在破巖方法上的一種突破，所使用的壓縮空氣既作為洗井循環介質，又作為破巖動力的來源。它利用驅動孔底鉆頭的氣體攜帶巖屑經雙壁鉆桿中的管路上返至地表，完成鉆進的目的。本次救生鉆孔配套使用的主要循環系統為空氣壓縮機裝備。

氣舉反循環鉆井工藝處理埋鉆事故

應用空氣反循環鉆井工藝后，鉆井速度得到了迅速提高，平均鉆井速度達到了4 m/h，最高時，速度曾達到8 m/h。但由于地層的不穩定，當鉆孔鉆進到174 m時，礦井再次大面積坍塌，導致鉆孔160 m處的地層裂隙帶轟然坍塌，發生了嚴重的埋鉆事故，鉆頭埋深14 m左右，經反復提升鉆具未果，采取了氣舉反循環工藝技術處理被埋大孔徑鉆頭。

氣舉反循環技術是將壓縮空氣沿輸氣管線進入一定深度的鉆孔，經混合器進入排渣管內與循環液混合，混合后的液體密度小于沖洗液的密度，這樣井筒和管內就產生壓差，并在井筒液柱壓力作用下，使管內混合的氣體和液體，以較高的速度向上流動，從而將孔底的巖屑連續不斷帶出地表，經地面沉淀后流出地面液體再補充給井筒維持內外液體壓差，如此循環形成氣舉反循環工藝流程（見圖3）。本次是在鉆孔中安裝一根長度162 m、直徑50 mm的混合出渣金屬管路，一根φ25 mm的高壓橡膠管路，并在金屬管頭4 m位置開口與橡膠管焊接連通，在鉆孔內注入清水，與沉淀池形成水力循環工作程序，成功處理了此次埋鉆事故。

施工救援鉆孔對鉆機的要求

鉆機機動能力的要求

礦山應急救援要求救援鉆機設備迅速到達救援現場，對設備進行快速安裝，盡可能短的時間內完成救援鉆孔鉆進前的準備工作，進行鉆孔救援。所以對救援鉆機要求必須是車載式的，鉆機牽引車直接拖帶鉆機自由移動，接到救援指令后隨時隨地立即可以奔赴救援現場，機動性能很高。鉆機各部分組件無需進行拆卸組裝，到現場直接自動升降鉆井架子，集成化程度高，操作簡單靈活。車載鉆機本身帶有頂驅動力頭，可以自動靈活上卸鉆桿，而且可以適應多種井型及工況救援施工，鉆機占地面積小。一般的鉆井使用的鉆機井架組件及頂驅動力頭都是單獨組裝起來，在組裝過程中要耗費大量的時間及人力物力，且占地面積較大。所以對于礦山應急救援來說，車載頂驅鉆機是必備的。

鉆機的鉆速能力要求

施工救援鉆井要求高效快速，對于大孔徑救生鉆孔，由于孔徑較大及地層原因，會導致鉆井機械鉆速變得很慢。采用車載頂驅鉆機配套大孔徑空氣潛孔錘反循環鉆井工藝，可以高效地完成大孔徑鉆井施工，常規鉆機配套泥漿鉆井進行大孔徑施工效率較低，采用車載頂驅鉆機配套空氣鉆井大大提高鉆井效率，通常是常規鉆機泥漿大孔徑鉆井的3～5倍，這種鉆機自帶頂驅動力頭，能夠自由實現正反轉、自動接單根翹起、自身可以實現下壓力給進等優點，對于鉆井施工幫助很大，可以有效減少鉆井輔助時間，提高機械鉆速。

鉆機提升能力要求

車載頂驅鉆機具有靈活機動性，作為礦山鉆孔救援的首選，另外一項重要參數就是車載鉆機的提升能力。若提升能力過小，不能滿足現場救援鉆孔需要，因此要針對一般礦山開采礦藏的深度來選擇確定鉆機的提升力大小。煤礦及部分非煤礦山的礦井深度一般在300 m到800 m左右，對于這一深度的大孔徑鉆孔來說，需要鉆機提升能力在60 t到90 t，扭矩1萬5 000 Nm到3萬Nm。根據不同的井深，應合理選取合適的提升能力的鉆機，并且還應充分考慮鉆進過程中處理鉆孔復雜情況時，鉆機的過提能力。

循環介質的能量要求

大孔徑救生鉆孔高效鉆井的方法是采用車載頂驅鉆機配套大孔徑空氣潛孔錘反循環鉆井工藝。潛孔錘的動力源是地面空氣壓縮機產生的壓縮空氣，根據大孔徑救生孔直徑不同和鉆孔深度不同選取合適的空壓機的風量。一般來說，鉆孔直徑越大、鉆孔深度越深，所需的空壓機的個數越多。以單個空壓機排量在30 m3/min來說，711 mm直徑的大孔徑鉆孔采用空氣潛孔錘反循環鉆井工藝，在井深150 m時需要2臺這樣的空壓機，到300 m時就需要4～5臺空壓機，隨著深度的增加，空壓機的總風量也在相應地增加，使井底的巖屑能快速排到地面，達到井底清潔無殘留巖屑的目的，充分保證鉆進過程中井眼安全，減少埋鉆、卡鉆的風險。

處理復雜事故的能力要求

在鉆井過程中，有時會發生鉆頭遇阻、井壁掉塊坍塌、卡鉆、埋鉆等復雜情況及事故。遇到這些情況，使用車載頂驅鉆機去處理具有一定的優勢。車載鉆機自帶頂驅動力頭，在遇到井下復雜情況時，可以進行多種操作，比如倒劃眼解決沙橋卡鉆問題，井眼掉塊坍塌進行倒劃眼修復等，并且車載頂驅鉆機可以在井眼遇阻必要時使用動力頭下壓力加大給進力解除遇阻。常規鉆機不帶頂驅，無法實現倒劃眼及下壓力給進，所以在礦山應急地面鉆探救援中要求所使用的鉆機要帶有頂驅系統，目前國內外的車載頂驅鉆機是首選，無論是靈活機動性還是在處理井下復雜情況時都具有絕對的優勢。

在針對目前大孔徑救援鉆機無法使用直徑大于1 m鉆頭以及地表第四系松散易坍塌地層大孔徑成孔困難問題，救援鉆機要求具有干法旋挖成孔的功能，也就是所稱的旋挖鉆機，通過旋挖的工藝方法井壁不易坍塌，保證井壁穩定，下表層套管不易受阻，為下一步大孔徑（700 mm）鉆頭施工提供基礎性保障。