大孔徑應(yīng)急救援孔鉆井工藝研究

張 才

(1.中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038； 2.北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100043)

0 引言

地面鉆孔救援已成為新時(shí)代礦山應(yīng)急救援的一種有效手段。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成功救援引起了國內(nèi)外對(duì)大孔徑鉆孔救援的廣泛關(guān)注[1-2]。在國內(nèi)，2015年山東平邑石膏礦坍塌事故和2021年山東笏山金礦爆炸事故的成功救援再次驗(yàn)證了地面大孔徑鉆孔救援技術(shù)的先進(jìn)性[3]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)大孔徑鉆孔的不同鉆進(jìn)方法、施工工藝和配套裝備進(jìn)行了研究，形成多措并舉的救援方法，為我國大孔徑應(yīng)急救援鉆孔施工技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 大孔徑鉆孔鉆進(jìn)方法

經(jīng)歷多年的積累和發(fā)展，目前國內(nèi)外形成了多種較成熟的大孔徑鉆井技術(shù)，普遍采用的大孔徑鉆井技術(shù)有鋼粒鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)、組合式牙輪鉆頭鉆進(jìn)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)等。這些方法具有各自的特點(diǎn)，同時(shí)也有自身的局限性。

1.1 鋼?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)

鋼粒鉆進(jìn)是20世紀(jì)50年代以來基巖鉆進(jìn)的常規(guī)方法之一，可用于中硬以下地層中鉆進(jìn)大直徑孔。鋼粒鉆進(jìn)技術(shù)具有工藝要求簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以在不停鉆進(jìn)和提鉆的情況下獲得較長的鉆程[4]，但同樣具有效率低、功耗大，且鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)難于控制的缺點(diǎn)。

1.2 沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)在漂石、卵礫石層中鉆進(jìn)效率較高。目前國內(nèi)外在大直徑基樁孔鉆進(jìn)中遇到“三石(漂石、拋石、孤石)”往往采用沖擊鉆進(jìn)方法。但是沖擊鉆進(jìn)在堅(jiān)硬完整的基巖中鉆進(jìn)效率不高，而且護(hù)壁性能差、能量消耗大、純鉆進(jìn)時(shí)間少。

1.3 組合式牙輪鉆頭鉆進(jìn)

組合式牙輪鉆頭鉆進(jìn)是當(dāng)前大直徑硬巖鉆進(jìn)中最常用的工藝方法。組合式牙輪鉆頭鉆進(jìn)在沉積巖中鉆進(jìn)效率較高，但是在6級(jí)以上硬巖中鉆進(jìn)效率偏低。缺點(diǎn)是在實(shí)際的工程中往往容易出現(xiàn)掉牙輪的事故，而且鉆頭在工程中損耗嚴(yán)重。

1.4 潛孔錘鉆進(jìn)

潛孔錘鉆進(jìn)是一種沖擊加回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)方式。潛孔錘在硬巖中的鉆進(jìn)效率較常規(guī)鉆進(jìn)方法效率可提高5～8倍[5]，而且成孔質(zhì)量較好。但是潛孔錘鉆進(jìn)只能采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，對(duì)空壓機(jī)和增壓機(jī)等設(shè)備要求較高，且存在裝備和工藝的兼容性問題。

2 鉆孔救援主要設(shè)備

2.1 鉆機(jī)

大型救援鉆機(jī)是礦山事故地面鉆孔救援的主要裝備。近年來，除了引進(jìn)國外的先進(jìn)鉆機(jī)設(shè)備，國內(nèi)也開展了鉆機(jī)設(shè)備的多功能性、模塊化和機(jī)動(dòng)性研究，以滿足礦山應(yīng)急救援的快速和高效性要求。

目前國家應(yīng)急救援隊(duì)和區(qū)域礦山救援隊(duì)配備的鉆機(jī)設(shè)備有進(jìn)口的德國寶峨拖車鉆機(jī)和美國雪姆車載鉆機(jī)[6]，也有我國研制的一些高機(jī)動(dòng)性車載鉆機(jī)，如中煤科工集團(tuán)西安研究院的MDY-60型鉆機(jī)[7](表1)。

表1 常見礦山應(yīng)急救援鉆機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of mine emergency rescue drilling rig

2.2 鉆頭

目前在礦山地面鉆孔救援中通常采用組合式牙輪鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)。

1)組合牙輪鉆頭。組合牙輪鉆進(jìn)技術(shù)使用的組合牙輪鉆頭的產(chǎn)品已形成系列化，原國家地礦部研發(fā)的PZ系列組合式牙輪鉆頭直徑從400～2 000mm有14種規(guī)格[8]，還能根據(jù)施工要求進(jìn)行定制。PZ鉆頭采用雙支點(diǎn)牙輪技術(shù)，極大地改善了牙輪受力狀況，最大限度降低了牙輪脫落的風(fēng)險(xiǎn)。目前各國家應(yīng)急救援隊(duì)和區(qū)域礦山救援隊(duì)也根據(jù)以往鉆孔救援的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了適用于不同任務(wù)要求的組合牙輪鉆頭，有分級(jí)擴(kuò)孔的組合牙輪鉆頭，也有一次性擴(kuò)孔到位的組合牙輪鉆頭。

2)潛孔錘鉆頭。隨著潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在各鉆孔領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，潛孔錘鉆頭類型也開始多樣化。從目前氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來看，潛孔錘按結(jié)構(gòu)分為單體式和集束式，按排渣方式的不同又分為適用于反循環(huán)鉆進(jìn)的貫通式潛孔錘和適用于正循環(huán)鉆進(jìn)的非貫通式潛孔錘。大孔徑潛孔錘的系列化發(fā)展也使得我國潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)躋身國際先進(jìn)行列。

3 大孔徑救援鉆孔施工難點(diǎn)

3.1 表層鉆進(jìn)不易成孔

大孔徑應(yīng)急救援孔首先要在表層松軟破碎帶開孔。表層松軟破碎帶與地下基巖在膠結(jié)程度、風(fēng)化程度、地質(zhì)應(yīng)力和可成孔性上都有所不同，傳統(tǒng)的基巖鉆進(jìn)方法和工藝，尤其是大孔徑鉆孔施工時(shí)面臨不易成孔的難題，甚至存在邊鉆進(jìn)邊坍塌的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響救援鉆孔成孔質(zhì)量和成孔效率。例如在2015年山東平邑石膏礦“12·25”坍塌事故搶險(xiǎn)救援中，救援現(xiàn)場地表有5m左右的黃土泥沙層和3m左右基巖分化層，救援鉆孔開孔時(shí)就存在易坍塌和成孔難的問題。

3.2 精準(zhǔn)鉆進(jìn)的難題

目前大孔徑鉆進(jìn)中還無法進(jìn)行定向糾偏，無法達(dá)到應(yīng)急救援孔的精確性要求。特別是在復(fù)雜地層條件下，大孔徑鉆孔很難準(zhǔn)確鉆透巷道，在影響成孔效率的同時(shí)降低了救援效率。

3.3 設(shè)備與工藝的兼容性問題

大孔徑救援鉆孔潛孔錘鉆進(jìn)施工往往需要使用帶導(dǎo)向柱裝置的非貫通式潛孔錘，同時(shí)為了解決正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)排渣難和易卡鉆、埋鉆等問題[9-10]，又需要采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。非貫通式潛孔錘在反循環(huán)鉆進(jìn)中效果又不佳。因此大孔徑救援鉆孔施工配套設(shè)備與鉆進(jìn)工藝之間的兼容性不強(qiáng)。

4 鉆進(jìn)方法

4.1 表層旋挖鉆井工藝

旋挖鉆進(jìn)施工采用的是直接挖取巖土層，然后直接提出孔外卸土，從而獲得進(jìn)尺。旋挖鉆進(jìn)對(duì)巖土層不進(jìn)行全面破碎，而且不存在循環(huán)介質(zhì)對(duì)井壁的沖刷，因此能夠改善表層鉆進(jìn)中易坍塌的難題。2015年山東平邑石膏礦坍塌事故救援中就采用了此方法[11]。救援組根據(jù)地層地質(zhì)條件對(duì)鉆孔設(shè)計(jì)和施工方法做了變更，采用旋挖鉆機(jī)和直徑Φ1 250mm的旋挖鉆頭鉆進(jìn)至表層破碎帶以下的基巖內(nèi)(圖1)，下入套管形成穩(wěn)定的一開井段，為下一步鉆進(jìn)打好基礎(chǔ)。

圖1 山東平邑石膏礦表層旋挖鉆進(jìn)Figure 1 Surface rotary drilling in Pingyi gypsum mine, Shandong Province

4.2 小孔徑鉆孔導(dǎo)向技術(shù)

目前大孔徑鉆進(jìn)中還無法采用無線隨鉆測量系統(tǒng)，特別是在復(fù)雜地層條件下，大孔徑鉆孔很難精準(zhǔn)鉆透巷道。平邑石膏礦坍塌事故救援就因大孔徑鉆孔無法精確控制鉆進(jìn)軌跡而未能實(shí)現(xiàn)直接鉆透巷道[12]。解決大孔徑無法精準(zhǔn)鉆進(jìn)的方法是先施工一口孔徑與大孔徑鉆頭前端導(dǎo)向柱直徑大致相當(dāng)?shù)男】趶姐@孔，然后再用大孔徑鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔過程中大孔徑潛孔錘的導(dǎo)向柱始終卡在小孔徑井眼中，使得大孔徑擴(kuò)孔的鉆進(jìn)方向始終沿著小孔徑鉆孔的方向，達(dá)到精準(zhǔn)鉆進(jìn)的目的(圖2)。

圖2 小孔徑鉆孔導(dǎo)向技術(shù)示意Figure 2 Schematic diagram of small-aperture drilling steering technique

4.3 鉆具組合優(yōu)化

大孔徑救援鉆孔為實(shí)現(xiàn)精確鉆進(jìn)就得使用帶導(dǎo)向柱的非貫通式潛孔錘，降低卡鉆、埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)，則需采用反循環(huán)鉆井工藝[13]。設(shè)備和工藝兼容性的問題可以通過優(yōu)化鉆具組合來解決。在鉆具組合中加入正反循環(huán)轉(zhuǎn)換接頭、阻風(fēng)板和氣盒子(圖3)，可實(shí)現(xiàn)非貫通式潛孔錘的反循環(huán)鉆進(jìn)[14]，進(jìn)而保證鉆孔井壁的穩(wěn)定性。在實(shí)際施工過程中，阻風(fēng)板的封堵嚴(yán)密性和耐用性是值得關(guān)注的問題，阻風(fēng)板封堵嚴(yán)密性和耐用性不夠往往需要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行維修和更換，從而影響了快速鉆進(jìn)的效果。

圖3 非貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)鉆具組合示意Figure 3 Schematic diagram of the drilling assembly of non-penetrating reverse circulation DTH hammer drilling

5 結(jié)論與展望

大孔徑鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)在逐漸的完善，各鉆進(jìn)技術(shù)也都存在一定的局限性?？傮w來看，組合式牙輪鉆進(jìn)和潛孔錘鉆進(jìn)是地面鉆孔救援的首選鉆進(jìn)技術(shù)。尤其是潛孔錘鉆井技術(shù)在國內(nèi)外歷次救援中已經(jīng)驗(yàn)證了其先進(jìn)性。但是大孔潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在應(yīng)急救援領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在有待改進(jìn)的地方，其在配套裝備和鉆進(jìn)工藝的兼容性問題一旦解決，將迎來救援方面的廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)以往地面大孔徑鉆孔救援已經(jīng)證明空氣反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是大孔經(jīng)救援孔成孔的關(guān)鍵工藝技術(shù)。如何解決非貫通式潛孔錘與反循環(huán)鉆進(jìn)工藝之間的兼容性問題依然是大孔徑鉆孔救援面臨的技術(shù)難題和攻關(guān)方向。