大孔徑救援鉆孔技術(shù)應(yīng)用

文·圖/杜兵建 楊濤

本文通過(guò)國(guó)際上3次重大礦山災(zāi)害的救援案例分析，介紹了我國(guó)在礦山事故救援中鉆孔救援技術(shù)的研究和應(yīng)用。

在發(fā)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(zāi)害事故時(shí)，由于坍塌冒落、巷道積水及動(dòng)力現(xiàn)象等因素，造成礦井巷道堵塞，大量井下作業(yè)人員被困災(zāi)區(qū)無(wú)法逃生，救援人員無(wú)法靠近直接實(shí)施救援。在這些礦山事故的救援中，構(gòu)建快速救援通道，及時(shí)、有效地實(shí)施救援尤為重要。近年來(lái)的礦山事故救援中，除了傳統(tǒng)方法外，開(kāi)始應(yīng)用鉆孔救援技術(shù)，形成多措并舉的救援方法。鉆孔救援技術(shù)是通過(guò)向礦工被困災(zāi)區(qū)打鉆，與災(zāi)區(qū)被困礦工建立通訊聯(lián)系，向?yàn)?zāi)區(qū)輸送氧氣、飲用水和食物等生存必須品，為后續(xù)救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，并可在條件允許時(shí)直接通過(guò)大孔徑救生鉆孔營(yíng)救被困人員，是建立快速救援通道、有效實(shí)施救援的重要的技術(shù)途徑。

表1 國(guó)際典型礦山鉆孔救援案例分析

國(guó)內(nèi)外在利用鉆孔進(jìn)行礦山事故救援方面有過(guò)一些成功案例。2002年美國(guó)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(yīng)急救援中，運(yùn)用了鉆孔救援技術(shù)并取得成功，也使鉆孔救援技術(shù)引起了社會(huì)廣泛的關(guān)注。我國(guó)在2010年神華集團(tuán)公司駱駝山煤礦“3·1”透水事故和華晉焦煤公司王家?guī)X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(cè)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(guó)平邑石膏礦的救援比智利圣何塞銅礦和美國(guó)魁溪煤礦的救援難度都大。具體分析見(jiàn)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(huán)工藝示意圖

平邑石膏礦事故救援鉆孔技術(shù)方法

解決松散層問(wèn)題的技術(shù)方法

在平邑石膏礦事故搶險(xiǎn)救援中，救援現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)概況見(jiàn)圖1）。從地表開(kāi)始鉆井施工時(shí)，由于上部地表層松散，易坍塌，且泥漿鉆井漏失嚴(yán)重，成孔困難。針對(duì)這種不穩(wěn)定地層情況，根據(jù)地層地質(zhì)條件鉆孔設(shè)計(jì)做了變更（見(jiàn)圖2）。

一開(kāi)采用旋挖鉆機(jī)挖直徑1 250 mm，深度8 m的井口下φ1 200 mm護(hù)壁管。二開(kāi)繼續(xù)用旋挖鉆機(jī)直徑1 000 m，深度到54 m下φ850 mm套管固井。對(duì)于松散易坍塌地層，利用旋挖鉆機(jī)直接完成前期一、二開(kāi)施工，解決了成孔難的問(wèn)題。

三開(kāi)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(kāi)采用直徑580 mm潛孔錘直徑打到底，結(jié)果由于沒(méi)有打?qū)蚩?，?80 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(wú)法再下護(hù)壁套管，只得采取繩索直接升井。

空氣反循環(huán)鉆進(jìn)工藝

空氣反循環(huán)鉆井工藝是以空氣作為循環(huán)介質(zhì)，利用雙壁鉆桿環(huán)狀間隙將高壓空氣輸送到孔底，并驅(qū)動(dòng)孔底鉆頭（潛孔錘）等破巖工具，以沖擊碎巖和旋轉(zhuǎn)研磨碎巖方式進(jìn)行鉆進(jìn)，也是空氣鉆進(jìn)技術(shù)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(huán)介質(zhì)，又作為破巖動(dòng)力的來(lái)源。它利用驅(qū)動(dòng)孔底鉆頭的氣體攜帶巖屑經(jīng)雙壁鉆桿中的管路上返至地表，完成鉆進(jìn)的目的。本次救生鉆孔配套使用的主要循環(huán)系統(tǒng)為空氣壓縮機(jī)裝備。

氣舉反循環(huán)鉆井工藝處理埋鉆事故

應(yīng)用空氣反循環(huán)鉆井工藝后，鉆井速度得到了迅速提高，平均鉆井速度達(dá)到了4 m/h，最高時(shí)，速度曾達(dá)到8 m/h。但由于地層的不穩(wěn)定，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)到174 m時(shí)，礦井再次大面積坍塌，導(dǎo)致鉆孔160 m處的地層裂隙帶轟然坍塌，發(fā)生了嚴(yán)重的埋鉆事故，鉆頭埋深14 m左右，經(jīng)反復(fù)提升鉆具未果，采取了氣舉反循環(huán)工藝技術(shù)處理被埋大孔徑鉆頭。

氣舉反循環(huán)技術(shù)是將壓縮空氣沿輸氣管線進(jìn)入一定深度的鉆孔，經(jīng)混合器進(jìn)入排渣管內(nèi)與循環(huán)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(nèi)就產(chǎn)生壓差，并在井筒液柱壓力作用下，使管內(nèi)混合的氣體和液體，以較高的速度向上流動(dòng)，從而將孔底的巖屑連續(xù)不斷帶出地表，經(jīng)地面沉淀后流出地面液體再補(bǔ)充給井筒維持內(nèi)外液體壓差，如此循環(huán)形成氣舉反循環(huán)工藝流程（見(jiàn)圖3）。本次是在鉆孔中安裝一根長(zhǎng)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(kāi)口與橡膠管焊接連通，在鉆孔內(nèi)注入清水，與沉淀池形成水力循環(huán)工作程序，成功處理了此次埋鉆事故。

施工救援鉆孔對(duì)鉆機(jī)的要求

鉆機(jī)機(jī)動(dòng)能力的要求

礦山應(yīng)急救援要求救援鉆機(jī)設(shè)備迅速到達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行快速安裝，盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成救援鉆孔鉆進(jìn)前的準(zhǔn)備工作，進(jìn)行鉆孔救援。所以對(duì)救援鉆機(jī)要求必須是車載式的，鉆機(jī)牽引車直接拖帶鉆機(jī)自由移動(dòng)，接到救援指令后隨時(shí)隨地立即可以奔赴救援現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)動(dòng)性能很高。鉆機(jī)各部分組件無(wú)需進(jìn)行拆卸組裝，到現(xiàn)場(chǎng)直接自動(dòng)升降鉆井架子，集成化程度高，操作簡(jiǎn)單靈活。車載鉆機(jī)本身帶有頂驅(qū)動(dòng)力頭，可以自動(dòng)靈活上卸鉆桿，而且可以適應(yīng)多種井型及工況救援施工，鉆機(jī)占地面積小。一般的鉆井使用的鉆機(jī)井架組件及頂驅(qū)動(dòng)力頭都是單獨(dú)組裝起來(lái)，在組裝過(guò)程中要耗費(fèi)大量的時(shí)間及人力物力，且占地面積較大。所以對(duì)于礦山應(yīng)急救援來(lái)說(shuō)，車載頂驅(qū)鉆機(jī)是必備的。

鉆機(jī)的鉆速能力要求

施工救援鉆井要求高效快速，對(duì)于大孔徑救生鉆孔，由于孔徑較大及地層原因，會(huì)導(dǎo)致鉆井機(jī)械鉆速變得很慢。采用車載頂驅(qū)鉆機(jī)配套大孔徑空氣潛孔錘反循環(huán)鉆井工藝，可以高效地完成大孔徑鉆井施工，常規(guī)鉆機(jī)配套泥漿鉆井進(jìn)行大孔徑施工效率較低，采用車載頂驅(qū)鉆機(jī)配套空氣鉆井大大提高鉆井效率，通常是常規(guī)鉆機(jī)泥漿大孔徑鉆井的3～5倍，這種鉆機(jī)自帶頂驅(qū)動(dòng)力頭，能夠自由實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、自動(dòng)接單根翹起、自身可以實(shí)現(xiàn)下壓力給進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于鉆井施工幫助很大，可以有效減少鉆井輔助時(shí)間，提高機(jī)械鉆速。

鉆機(jī)提升能力要求

車載頂驅(qū)鉆機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)性，作為礦山鉆孔救援的首選，另外一項(xiàng)重要參數(shù)就是車載鉆機(jī)的提升能力。若提升能力過(guò)小，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)救援鉆孔需要，因此要針對(duì)一般礦山開(kāi)采礦藏的深度來(lái)選擇確定鉆機(jī)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(duì)于這一深度的大孔徑鉆孔來(lái)說(shuō)，需要鉆機(jī)提升能力在60 t到90 t，扭矩1萬(wàn)5 000 Nm到3萬(wàn)Nm。根據(jù)不同的井深，應(yīng)合理選取合適的提升能力的鉆機(jī)，并且還應(yīng)充分考慮鉆進(jìn)過(guò)程中處理鉆孔復(fù)雜情況時(shí)，鉆機(jī)的過(guò)提能力。

循環(huán)介質(zhì)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(qū)鉆機(jī)配套大孔徑空氣潛孔錘反循環(huán)鉆井工藝。潛孔錘的動(dòng)力源是地面空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，根據(jù)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(jī)的風(fēng)量。一般來(lái)說(shuō)，鉆孔直徑越大、鉆孔深度越深，所需的空壓機(jī)的個(gè)數(shù)越多。以單個(gè)空壓機(jī)排量在30 m3/min來(lái)說(shuō)，711 mm直徑的大孔徑鉆孔采用空氣潛孔錘反循環(huán)鉆井工藝，在井深150 m時(shí)需要2臺(tái)這樣的空壓機(jī)，到300 m時(shí)就需要4～5臺(tái)空壓機(jī)，隨著深度的增加，空壓機(jī)的總風(fēng)量也在相應(yīng)地增加，使井底的巖屑能快速排到地面，達(dá)到井底清潔無(wú)殘留巖屑的目的，充分保證鉆進(jìn)過(guò)程中井眼安全，減少埋鉆、卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

處理復(fù)雜事故的能力要求

在鉆井過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生鉆頭遇阻、井壁掉塊坍塌、卡鉆、埋鉆等復(fù)雜情況及事故。遇到這些情況，使用車載頂驅(qū)鉆機(jī)去處理具有一定的優(yōu)勢(shì)。車載鉆機(jī)自帶頂驅(qū)動(dòng)力頭，在遇到井下復(fù)雜情況時(shí)，可以進(jìn)行多種操作，比如倒劃眼解決沙橋卡鉆問(wèn)題，井眼掉塊坍塌進(jìn)行倒劃眼修復(fù)等，并且車載頂驅(qū)鉆機(jī)可以在井眼遇阻必要時(shí)使用動(dòng)力頭下壓力加大給進(jìn)力解除遇阻。常規(guī)鉆機(jī)不帶頂驅(qū)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)倒劃眼及下壓力給進(jìn)，所以在礦山應(yīng)急地面鉆探救援中要求所使用的鉆機(jī)要帶有頂驅(qū)系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)外的車載頂驅(qū)鉆機(jī)是首選，無(wú)論是靈活機(jī)動(dòng)性還是在處理井下復(fù)雜情況時(shí)都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

在針對(duì)目前大孔徑救援鉆機(jī)無(wú)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(wèn)題，救援鉆機(jī)要求具有干法旋挖成孔的功能，也就是所稱的旋挖鉆機(jī)，通過(guò)旋挖的工藝方法井壁不易坍塌，保證井壁穩(wěn)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(chǔ)性保障。