某垮塌礦區(qū)大直徑救援鉆孔旋挖鉆進(jìn)施工技術(shù)

宋鋼鎖

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧　272100； 2.山東省華魯工程總公司，山東 濟(jì)寧　272100)

某垮塌礦區(qū)大直徑救援鉆孔旋挖鉆進(jìn)施工技術(shù)

宋鋼鎖1,2

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧272100； 2.山東省華魯工程總公司，山東 濟(jì)寧272100)

摘要：山東某石膏礦發(fā)生垮塌事故，多人被埋井下。由于救援人員通往井下的通道被堵死，利用巷道進(jìn)行救援很難實(shí)施，為避免次生事故，決定采用大口徑鉆機(jī)打孔救援方案。在救援過程中，多臺(tái)鉆機(jī)相互配合，旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)上部孔段，多功能鉆機(jī)鉆進(jìn)下部孔段。鉆到最終深度后，成功地將被困人員救出，創(chuàng)造了中國礦山救援史上第一個(gè)通過地面打孔救援的案例。本文主要介紹了旋挖鉆機(jī)在大直徑救援孔成孔過程中相關(guān)的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞:旋挖鉆機(jī)；垮塌；大直徑；鉆孔；救援

0前言

2015年12月25日，山東省平邑縣某石膏礦發(fā)生垮塌事故，多人被埋井下。事故發(fā)生后，我單位第一時(shí)間響應(yīng)，發(fā)揮地質(zhì)專業(yè)優(yōu)勢，積極參與搶險(xiǎn)救援，在救生孔及大直徑救援孔的設(shè)計(jì)、定位、施工等方面發(fā)揮了重要作用。由于事故地層復(fù)雜，又是首次通過大直徑鉆孔實(shí)施救援，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，廣大救援工程技術(shù)人員發(fā)揮了聰明才智，創(chuàng)造了歷史，也為今后的礦山搶險(xiǎn)救援積累了經(jīng)驗(yàn)。我國首例大直徑鉆孔救援成功，旋挖鉆機(jī)發(fā)揮了極其重要的作用。

1事故情況簡介

該石膏礦發(fā)生垮塌事故后，引發(fā)振動(dòng)致使山東省臨沂市平邑縣(北緯35.5°，東經(jīng)117.7°)發(fā)生4.0級地震。事故還引發(fā)了次生災(zāi)害，致使平邑縣保太鎮(zhèn)萬莊村附近農(nóng)田出現(xiàn)多條裂痕，路面發(fā)生大面積坍塌斷裂，部分路段懸空。經(jīng)過認(rèn)真分析，并結(jié)合現(xiàn)場情況，確定石膏礦垮塌是由臨近的廢棄石膏礦采空區(qū)坍塌引發(fā)，屬非天然地震。塌陷地震是地震種類的一種，是因巖層崩塌陷落而形成的地震，主要發(fā)生在石灰?guī)r等易溶巖分布的地區(qū)，這是因?yàn)橐兹軒r長期受地下水侵蝕形成了許多溶洞，洞頂塌落而造成。

由于事故現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜、井下狀況不穩(wěn)定，所有救援人員通往井下的通道都被堵死，實(shí)施巷道救援方案已不現(xiàn)實(shí)，為避免次生事故，大口徑鉆機(jī)打孔救援方案成為唯一可行的辦法。我單位臨危受命，參與了本次救援，采用新購置的德國寶峨BG26旋挖鉆機(jī)，與德國寶峨天津分公司投入的BG38鉆機(jī)及淮南礦業(yè)救援隊(duì)投入的RB-T90多功能鉆機(jī)一起，擔(dān)負(fù)起大直徑救援孔的鉆進(jìn)成孔任務(wù)。在這場與時(shí)間賽跑的生命大營救中，救援人員通力協(xié)作，并肩戰(zhàn)斗，集思廣益，全力以赴，救援鉆機(jī)更是24小時(shí)晝夜施工。經(jīng)過不懈的努力，2016年1月29日，被困井下36天的4名幸存礦工成功升井獲救。

2大直徑鉆孔救援方案的確定

面對井下巖層破碎、水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜等諸多不利因素，救援人員最初采用通過連續(xù)不斷的井下巷道掘進(jìn)、生命探測和鉆孔等多種方式實(shí)施搜尋失聯(lián)人員。但在隨后的救援過程中，井下坍塌不斷發(fā)生，積水不斷攀升，一氧化碳濃度不斷提高，為避免次生事故，指揮部組織專家進(jìn)行論證，決定停止實(shí)施巷道救援方案，啟動(dòng)采用小口徑鉆機(jī)打救生孔輸送食物，大口徑鉆機(jī)打救援孔救人的方案。

鉆孔救援是指在井下被困人員所處位置附近先打通小口徑保命孔，在與被困人員取得聯(lián)系后第一時(shí)間開鉆大口徑救援孔，打通后下放救生倉或救生繩救人。此前，大直徑鉆孔救援兩次成功先例分別發(fā)生在美國和智利。2002年7月，美國賓夕法尼亞州奎溪煤礦發(fā)生透水事故，救援人員通過地面大直徑鉆孔，歷時(shí)77小時(shí)將被困80多米井下的9名礦工成功救援升井；2010年8月，智利圣何塞銅礦發(fā)生井筒坍塌事故后，利用地面鉆孔的方式，歷時(shí)68天將被困700多米井下的33名礦工成功救援升井。

時(shí)間就是生命！為確保萬無一失，根據(jù)地質(zhì)情況，指揮部確定了先采用BG26、BG38旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)上部孔段，再由淮南礦業(yè)救援隊(duì)利用RB-T90多功能鉆機(jī)鉆達(dá)最終深度的方案。3臺(tái)鉆機(jī)發(fā)揮各自優(yōu)勢，相互配合，共同作業(yè)，同時(shí)施打了3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)三個(gè)大直徑鉆孔。鉆孔具體位置見圖1。

圖1　被困礦工位置及救援孔布置示意圖

3旋挖鉆機(jī)在大直徑救援孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用

3.1關(guān)于旋挖鉆進(jìn)工藝

旋挖鉆機(jī)施工工藝在日本、歐洲應(yīng)用相當(dāng)普遍，我國在青藏鐵路修建時(shí)大規(guī)模應(yīng)用，近幾年，該工藝在我國逐漸成為發(fā)展最快的一種新型鉆孔施工方法。旋挖鉆機(jī)具有裝機(jī)功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機(jī)動(dòng)靈活、施工效率高及多功能等特點(diǎn)，是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械，廣泛用于市政建設(shè)、公路橋梁、高層建筑等地基礎(chǔ)施工工程，配合不同鉆具，適應(yīng)于干式(短螺旋)，或濕式(回轉(zhuǎn)斗)及巖層(巖心鉆)的成孔作業(yè)，但用于礦山搶險(xiǎn)救災(zāi)還是第一次。

本次用于平邑礦難救援的旋挖鉆機(jī)為德國寶峨集團(tuán)生產(chǎn)的BG26型、BG38型鉆機(jī)。寶峨鉆機(jī)善于處理復(fù)雜、堅(jiān)硬地層，能打硬仗的優(yōu)勢在這里得到了充分地發(fā)揮。由于更適合于大直徑鉆孔的開孔，且在覆蓋層破碎巖石中鉆進(jìn)時(shí)，具有成孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高等特點(diǎn)，BG26、BG38旋挖鉆機(jī)主要負(fù)責(zé)大直徑救援孔的開孔和上部孔段的施工任務(wù)。

3.2旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

對于在黑暗中的被困礦工，我們爭分奪秒的努力給他們帶來的是生存的希望和活下去的勇氣。與小直徑鉆孔相比，大直徑鉆孔救援的難度高出許多。

首先，需要準(zhǔn)確判斷井下可能有人幸存的位置。西安科技大學(xué)提供的“生命信息鉆孔探測系統(tǒng)”很好地發(fā)揮了作用，通過該系統(tǒng)，地面指揮人員清晰地看到了井下被困礦工，指揮部確定4號(hào)井底部巷道很可能存在氣穴，這里因坍塌而滲出的水體進(jìn)不去，還存在一定量的氣體可供人呼吸。

確定位置之后，最重要的便是確保打準(zhǔn)鉆孔、不跑偏。然而，事發(fā)礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從地表至井下巷道頂板220m，依次為表土層、灰?guī)r層、砂巖層和石膏層，除表土層外，其他3層均夾雜著石灰?guī)r并有兩層含水層。鉆頭行至軟泥和石頭相接處，便會(huì)向軟泥一側(cè)偏斜，打準(zhǔn)的難度很大。此外，事發(fā)礦區(qū)在礦震發(fā)生后地層極不穩(wěn)定，持續(xù)塌方，井筒不斷有水、泥漿、砂石等涌出，救援人員不得不在鉆孔的同時(shí)，不斷地采取護(hù)筒加固措施。

3.3垂直度控制問題

大直徑救援孔的鉆進(jìn)對鉆孔垂直度的控制有著更加嚴(yán)格的要求，因?yàn)楸焕УV工所處巷道寬度有限，如果鉆孔垂直度控制不好，救援孔與巷道對接不上，形不成通路，被困礦工就無法順利升井。經(jīng)過研究分析，對于鉆孔垂直度控制出現(xiàn)較大偏差的原因，總結(jié)如下：

(1)旋挖樁機(jī)鉆進(jìn)過程中地質(zhì)軟硬不均勻，鉆頭的選擇不能滿足不同地質(zhì)情況的需求，導(dǎo)致鉆頭發(fā)生偏位，進(jìn)而出現(xiàn)垂直度偏差超出要求；

(2)護(hù)筒埋設(shè)出現(xiàn)偏位；

(3)鉆孔過程中因地層軟硬不一及孔壁探頭石導(dǎo)致鉆桿出現(xiàn)偏移；

為確保救援孔與被困礦工所處巷道貫通無誤，鉆進(jìn)過程中垂直度偏差應(yīng)采取相關(guān)控制措施。

3.3.1根據(jù)地層情況選用鉆頭

(1)表層黏土：選用單層底的旋挖鉆斗；

(2)砂巖層：配備截齒筒式取心鉆頭—錐形螺旋鉆頭—雙層底的旋挖鉆斗，或者截齒直形螺旋鉆頭—雙層底的旋挖鉆斗，根據(jù)鉆進(jìn)情況及時(shí)更換；

(3)灰?guī)r層：配備牙輪筒式取心鉆頭—錐形螺旋鉆頭—雙層底的旋挖鉆斗，根據(jù)鉆進(jìn)情況及垂直度偏差控制情況及時(shí)更換。

3.3.2護(hù)筒埋設(shè)

鋼護(hù)筒埋設(shè)前，進(jìn)行準(zhǔn)確測量放樣，保證鋼護(hù)筒頂面位置偏差滿足要求，埋設(shè)中保證鋼護(hù)筒斜度不大于1%；鉆機(jī)就位，鉆頭精確對準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)。埋設(shè)鋼護(hù)筒前，采用較大口徑的鉆頭先預(yù)鉆至護(hù)筒底的標(biāo)高位置后，使用吊車吊起護(hù)筒下入孔口，用旋挖鉆機(jī)的鉆斗將鋼護(hù)筒壓入到預(yù)定位置。

埋護(hù)筒時(shí)為保持護(hù)筒垂直度，應(yīng)通過以不同的引樁到鉆孔中心距離進(jìn)行交匯控制，直至護(hù)筒頂?shù)街付?biāo)高。護(hù)筒埋好之后以此間距離和之前定好的方向恢復(fù)鉆孔中心位置，并檢測護(hù)筒中心是否與鉆孔中心重合，同時(shí)對護(hù)筒周圍進(jìn)行夯實(shí)，使其穩(wěn)固不會(huì)在鉆進(jìn)過程中偏移。

3.3.3成孔鉆進(jìn)

由于事發(fā)礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆頭行至軟泥和石頭相接處，便會(huì)偏向軟泥側(cè)，垂直度很難控制。因此，鉆孔開孔時(shí)應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，緩慢鉆進(jìn)，旨在形成良好穩(wěn)固的護(hù)壁，保證孔位正確。在鉆孔過程中定期用距離交匯校核鉆桿位置，發(fā)現(xiàn)偏位立即調(diào)整，直到把偏差控制在允許范圍內(nèi)。

在鉆孔作業(yè)之前需要對桅桿進(jìn)行定位設(shè)置，作業(yè)的過程中也需要對桅桿進(jìn)行調(diào)垂。調(diào)垂有手動(dòng)調(diào)垂、自動(dòng)調(diào)垂2種方式，在調(diào)垂過程中，可通過顯示器的桅桿工作界面實(shí)時(shí)監(jiān)測桅桿的位置狀態(tài)，使桅桿最終達(dá)到作業(yè)成孔的設(shè)定位置。

在經(jīng)過近30天緊張作業(yè)之后，5號(hào)大直徑救援鉆孔終于鉆至預(yù)定深度，但與巷道有0.8m的偏離。隨后，救援人員通過小直徑救生孔向井下被困礦工遞送了工具，指導(dǎo)他們用1天時(shí)間打通井下巷道，準(zhǔn)確找到了大口徑救援鉆孔。

3.4鉆孔坍塌問題

3.4.1地層因素

由于事發(fā)礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層破碎嚴(yán)重，在礦震發(fā)生后地層極不穩(wěn)定，持續(xù)塌方，井筒不斷有水、泥漿、砂石等涌出，鉆進(jìn)過程中如不能及時(shí)采取相應(yīng)措施穩(wěn)定住易塌地層，隨時(shí)都有塌孔的可能。為確保孔壁穩(wěn)定，需不斷地下入井筒，加固孔壁。

3.4.2人為因素

操作人員在鉆進(jìn)過程中操作不當(dāng)也會(huì)造成孔壁坍塌。鉆具在提下鉆的過程中會(huì)產(chǎn)生抽吸力，抽吸力作用到孔壁上對孔壁產(chǎn)生擾動(dòng)，從而造成孔壁坍塌，所以操作人員的水平和經(jīng)驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用。在破碎地層鉆進(jìn)，鉆具應(yīng)輕提慢放，為確保成孔質(zhì)量，我公司選派山東省首屆地勘技能大賽冠軍得主王延攀趕赴事故現(xiàn)場，負(fù)責(zé)旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)成孔任務(wù)。

3.4.3其他因素

因?yàn)楸敬螕岆U(xiǎn)救援情況的特殊性及地層的復(fù)雜性，搶救方式稍有不當(dāng)，產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想，所以在鉆進(jìn)設(shè)備、成孔工藝選擇上有嚴(yán)格的限制。為確保井下被困礦工的安全，旋挖鉆機(jī)成孔過程沒有使用液體循環(huán)介質(zhì)(泥漿)，采用干成孔工藝。RB-T90多功能鉆機(jī)鉆進(jìn)下部孔段時(shí)停用潛孔錘而采用氣舉反循環(huán)工藝。

3.5巖溶地層入巖鉆進(jìn)問題

在成孔鉆進(jìn)過程中，地質(zhì)條件復(fù)雜各異，沒有“全能鉆機(jī)”，也沒有“萬能功法”，每種鉆機(jī)都有其適用范圍。旋挖鉆機(jī)破巖的原理是：依靠加大壓力將鉆具截齒壓入巖石，在強(qiáng)大的動(dòng)力頭輸出扭矩的作用下，使巖石產(chǎn)生剪切破碎。旋挖鉆機(jī)能否順利鉆進(jìn)不同的巖層，需要考慮鉆機(jī)的動(dòng)力、整機(jī)穩(wěn)定性以及巖石破碎問題。

筆者最早接觸該工藝是在十多年前貴州某電廠項(xiàng)目。該工程所處地區(qū)屬典型的喀斯特巖溶地區(qū)，開工之初遇到了很多問題：地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆孔中有溶隙、溶洞存在，給施工、入巖判定帶來了極大難度；地層中有孤石存在，鉆進(jìn)、糾偏難度大；入巖施工難度大，設(shè)備損壞非常嚴(yán)重；樁長匹配問題不好解決等等，工程處于停滯狀態(tài)。后來業(yè)主邀請了多名專家來施工現(xiàn)場，一起研究想辦法。根據(jù)諸位專家的意見，在后續(xù)的施工中主要采取了靜壓注漿法、沖擊成孔法、孔內(nèi)爆破法和補(bǔ)樁法等解決了相關(guān)問題，可謂費(fèi)盡周折。隨著科技的發(fā)展，近幾年設(shè)備研發(fā)水平不斷提高，旋挖鉆機(jī)“入巖施工難”的問題，得到了有效解決，入巖鉆進(jìn)靠沖擊鉆的局面發(fā)生了改變，潛孔錘、旋挖工藝等，均能進(jìn)行入巖施工，只是考慮到本次救援工作的特殊性，為確保被困人員的安全，鉆進(jìn)過程盡量不產(chǎn)生振動(dòng)，旋挖工藝的優(yōu)越性就凸顯出來。

由于事發(fā)礦區(qū)地層情況復(fù)雜，灰?guī)r地層中有大小不一的溶洞存在，溶洞中充塞軟泥，現(xiàn)場使用的鉆頭很難將軟泥順利從孔內(nèi)提出，給施工帶來了很大難度，鉆進(jìn)效率一度遲滯不前。提高鉆進(jìn)效率的措施一般從3個(gè)方面著手：調(diào)整鉆機(jī)的操作方式，更換適用的鉆具，優(yōu)化鉆齒的布置。針對本工程的特殊性和時(shí)間的緊迫性，操作人員與寶峨天津公司駐現(xiàn)場人員討論、研究后，加工制作了一個(gè)筒體加長的旋挖鉆頭，專門用于充塞軟泥的巖溶地層鉆進(jìn)，有效地解決了巖溶地層成孔鉆進(jìn)和軟泥提取問題。

3.6旋挖鉆機(jī)施工成果

該石膏礦坍塌事故救援為國內(nèi)第一次施工大口徑提升井救人，具有以下難點(diǎn)：地層為第三系半成巖，泥巖遇水就垮塌，礦層上部有100多米灰?guī)r含水層，且富水性強(qiáng)；事發(fā)地周圍有6個(gè)廢舊礦山，地下老窟水有隨時(shí)涌入的威脅；所處地層地質(zhì)條件本身就比較破碎，發(fā)生礦難事故后，造成地層情況更加復(fù)雜，礦區(qū)整體垮塌，并受到地下水浸泡，石灰?guī)r地層中又有溶洞存在，給鉆進(jìn)施工帶來很大難度。RB-T90多功能鉆機(jī)在這樣的地層中鉆進(jìn)極易糊鉆、埋鉆，進(jìn)尺緩慢。而旋挖鉆機(jī)的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，能夠進(jìn)行大直徑鉆孔的開孔和上部孔段的鉆進(jìn)，且成孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高。以5號(hào)救援孔為例，旋挖鉆機(jī)采用直徑1.25m鉆頭開孔，歷時(shí)4天5夜，鉆孔深度54m。經(jīng)檢測，鉆孔垂直度滿足要求，隨即下入直徑800mm的鋼護(hù)筒。因旋挖鉆機(jī)使用伸縮式鉆桿，不能在孔口加接鉆桿，成孔深度已到極限，護(hù)筒埋設(shè)完畢后，換用RB-T90多功能鉆機(jī)換徑鉆進(jìn)，鉆孔直徑711mm，用時(shí)近1個(gè)月(孔深170m時(shí)卡鉆，停待了幾天)，最終鉆至預(yù)定孔深220m，實(shí)現(xiàn)了大直徑救援孔與被困人員所處巷道的貫通。

旋挖鉆機(jī)順利完成大直徑救援孔的開孔和上部孔段的施工任務(wù)，為下部RB-T90多功能鉆機(jī)繼續(xù)鉆進(jìn)創(chuàng)造了有利條件：

(1)有利于鉆孔中心偏移的調(diào)整控制。旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中鉆孔垂直度控制雖然滿足要求，但鉆孔中心畢竟還存有一定偏差，正是由于旋挖鉆機(jī)成孔直徑比較大，在多功能鉆機(jī)開鉆前可通過護(hù)筒埋設(shè)進(jìn)行偏差修正，為RB-T90多功能鉆機(jī)準(zhǔn)確就位創(chuàng)造了可調(diào)空間。

(2)為多功能鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中應(yīng)對意外情況留有余地。由于地層破碎，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆進(jìn)過程隨時(shí)都可能有意外發(fā)生，而進(jìn)行變徑鉆進(jìn)是應(yīng)對意外的方法之一，旋挖鉆機(jī)采用1.25m鉆頭開孔，為下一步多功能鉆機(jī)成孔鉆進(jìn)和護(hù)筒的下入、安放的方案調(diào)整留出了余地。由于救援鉆孔的特殊性，終孔直徑的大小受到限制，要能夠滿足救援工作的需要，即必須確保救生艙順利下入孔底將被困人員救出。而最后被困人員提升方式由救生艙變?yōu)榫壬K，主要就是因?yàn)殂@孔下部孔徑小，無法使用救生艙救人而改用救生繩直接提升。

4結(jié)語

在本次大直徑救援孔施工過程中，現(xiàn)場來自全國各地60多名鉆探、地質(zhì)、水文、機(jī)電、測井等行業(yè)專家集思廣益的指導(dǎo)性意見起到了關(guān)鍵的作用，加上投入鉆機(jī)的先進(jìn)性，高水平的工法技術(shù)支持，鉆機(jī)操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)和隨機(jī)應(yīng)變的能力，以及全體救援人員的共同努力，創(chuàng)造了我國礦山救援史上的一個(gè)奇跡。

本次事故救援中采取的“地面大口徑鉆孔救人”是國內(nèi)首例，也是世界第三例通過鉆井打孔實(shí)現(xiàn)井下救援的案例。國內(nèi)首次大直徑鉆孔救援的成功，為日后我國事故救援積累了非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。以后無論是煤礦還是非煤礦山，發(fā)生坍塌、爆炸、透水等事故時(shí)，又多了一條新的救援途徑。

雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。作為從事鉆探和樁基工程施工的企業(yè)，我們有信心、有能力應(yīng)對、處理好今后我們所屬領(lǐng)域出現(xiàn)的各種復(fù)雜、突發(fā)性問題，愿意承擔(dān)相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任，希望能夠更多地參與類似的搶險(xiǎn)救災(zāi)事件，為我們國家的搶險(xiǎn)救災(zāi)事業(yè)盡一份力，為國家的和諧和社會(huì)的穩(wěn)定做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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收稿日期：2016-04-04

作者簡介：宋鋼鎖(1967-)，男，河南靈寶人，山東省華魯工程總公司副總經(jīng)理，工程師，探礦工程專業(yè)，從事工程施工與管理工作，山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)建設(shè)東路272號(hào)，Tel：0537-3414753，13696371606。

中圖分類號(hào):TD771

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0040-04