山東笏山礦難3號(hào)救援鉆孔施工技術(shù)

董澤訓(xùn)

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，山東招遠(yuǎn)265400）

0 引言

2021年1月10日下午2點(diǎn)，位于山東煙臺(tái)棲霞市的山東五彩龍投資有限公司笏山金礦井下240 m發(fā)生爆炸事故，造成井下22名工人被困。接報(bào)后，山東省委、省政府，應(yīng)急管理部立即作出部署，當(dāng)?shù)亓⒓闯闪⑹∈锌h一體化應(yīng)急救援指揮部，第一時(shí)間開(kāi)展應(yīng)急救援工作［1］。專家組研究討論后制定了“兩條腿”并行的救援方案，即井上施工生命通道（小口徑透巷鉆孔，實(shí)現(xiàn)與被困人員的聯(lián)系定位，輸送營(yíng)養(yǎng)及藥品）及救援通道（清理回風(fēng)井井筒障礙物，實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的升井）。

1 鉆孔設(shè)計(jì)及施工概述

指揮部首批布設(shè)了4個(gè)救援孔：1號(hào)救援孔（排水保障通道）鉆至六中段水泵房，旨在確定六中段水倉(cāng)是否損毀，探明六中段巷道內(nèi)涌水情況，排出積水；2號(hào)救援孔（生命監(jiān)測(cè)通道）鉆至五中段巷道拐點(diǎn)處，旨在探明五中段內(nèi)情況，是否有人員被困；3號(hào)救援孔（生命維護(hù)通道）鉆至五中段巷道中部，旨在確定五中段被困人員位置，并與其取得聯(lián)系，為其輸送給養(yǎng)；4號(hào)救援孔（輔助監(jiān)測(cè)通道）在當(dāng)其他任一孔與井下取得聯(lián)系時(shí)，即刻開(kāi)鉆至其位置，下放生命探測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被困人員生命體征。4個(gè)救援鉆孔平面分布詳見(jiàn)圖1。

圖1 回風(fēng)井和救援鉆孔位置平面示意Fig.1 Location plan and construction progress diagram of return air shaft

回風(fēng)井和被困人員位置、鉆孔救援方案參見(jiàn)圖2。

圖2 回風(fēng)井和被困人員位置、鉆孔救援方案示意Fig.2 Schematic diagram of location of return air shaft and trapped per sonnel and drilling rescue scheme

我隊(duì)承擔(dān)了3號(hào)救援孔的施工任務(wù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)兩級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，即?350 mm開(kāi)孔，下入?273 mm套管，二開(kāi)?219 mm透巷。鉆孔柱狀圖見(jiàn)3。

2 鉆探救援難度分析

事故發(fā)生地的地質(zhì)條件、礦工被困深度、救援時(shí)間及救援硬件設(shè)備要求等多方面因素交織在一起，給此次礦難的救援帶來(lái)了極大的難度。

2.1 時(shí)間緊

事故企業(yè)存在30 h遲報(bào)行為，耽誤了寶貴的救援時(shí)間；坑道內(nèi)無(wú)緊急避難室、無(wú)給養(yǎng)；井下共發(fā)生2次爆炸，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波并伴有大量有害氣體；坑道內(nèi)水位不斷上漲。這些都會(huì)危及被困礦工的生命安全，因此及時(shí)爭(zhēng)分奪秒地?fù)尵染卤焕УV工是當(dāng)務(wù)之急。

圖3 3號(hào)鉆孔柱狀圖Fig.3 Borehole 3 histogram

2.2 巖石硬度高，鉆進(jìn)效率低

采礦過(guò)程中發(fā)生的事故，常以煤礦居多，世界十大礦難均為煤礦事故。賦存煤礦地層的巖石類(lèi)型一般為沉積巖，硬度較低，鉆進(jìn)效率高。與煤礦地層不同，笏山金礦區(qū)內(nèi)圍巖主要為二長(zhǎng)花崗巖，巖石硬度高，巖石可鉆性7～9級(jí)，鉆進(jìn)效率低。

2.3 巖石破碎

陡崖斷裂為區(qū)內(nèi)主要控礦斷裂，斷裂帶呈膨脹收縮波狀起伏，地表出露不連續(xù)，呈北寬南窄，寬度200～1000 m，總體走向20°～30°，傾向SE，傾角20°～50°，地表向深部逐漸變緩，呈鏟狀。笏山金礦床地處陡崖斷裂帶南段，是該斷裂帶目前發(fā)現(xiàn)的最大破碎蝕變巖型金礦床［2-4］。鉆探時(shí)極易發(fā)生卡鉆、涌水等事故，其中2號(hào)鉆孔在鉆進(jìn)至412 m處因發(fā)生卡鉆事故，經(jīng)過(guò)幾天的處理后無(wú)果，不得不中斷施工。

2.4 救援深度大

被困礦工位于井下600 m左右，救援深度較為罕見(jiàn)。已有資料表明只有2010年智利圣何塞銅礦礦難救援深度（700 m）超過(guò)此次救援深度［5］。

2.5 孔斜精度要求高

井下坑道寬3 m，要求終孔偏差不超過(guò)±1.5 m，而巖層裂隙發(fā)育，容易造成偏斜。

3 3號(hào)救援孔鉆進(jìn)工藝及設(shè)備選擇

3.1 鉆進(jìn)工藝選擇

與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，潛孔錘鉆進(jìn)工藝是以鉆頭沖擊破碎巖石取代切削巖石，以動(dòng)載沖擊代替靜載研磨，以巖石的體積破碎代替研磨剪切破碎，在硬巖中鉆進(jìn)具有效率高、鉆頭使用壽命長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)速度低、扭矩小、軸心壓力輕等特點(diǎn)［6］，針對(duì)本次救援時(shí)間緊，巖石堅(jiān)硬、破碎等實(shí)際困難情況，3號(hào)救援孔采用潛孔錘鉆進(jìn)工藝。

3.2 鉆機(jī)選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，3號(hào)救援孔采用SL-1000型鉆機(jī)（圖4），該設(shè)備具有對(duì)場(chǎng)地條件要求低、安裝快速、鉆進(jìn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 SL-1000型鉆機(jī)Fig.4 SL-1000 drilling rig

表1 SL-1000型鉆機(jī)性能參數(shù)Table 1 Performance parameter table of SL-1000 drilling rig

3.3 空壓機(jī)選擇

合理選用空壓機(jī)是保證潛孔錘快速鉆進(jìn)的基礎(chǔ)，3號(hào)鉆機(jī)施工選用1350XH型空壓機(jī)，額定排氣量38 m3/min，額定排氣壓力2.4～3.45 MPa。

3.4 氣動(dòng)潛孔錘的選擇

潛孔錘性能的優(yōu)劣直接影響鉆進(jìn)效率。按工作壓力，潛孔錘分為低風(fēng)壓、中風(fēng)壓、高風(fēng)壓3種鉆進(jìn)方式。隨著風(fēng)壓的增加，沖擊功和沖擊頻率均有較大提升，其鉆進(jìn)效率提升更加明顯。3號(hào)救援孔選用了新金剛8 in（1 in=25.4 mm，下同）潛孔錘，其參數(shù)為外徑185 mm，風(fēng)壓1.5～3.3 MPa，耗風(fēng)量25～34 MPa，總質(zhì)量181 kg，總長(zhǎng)1264 mm。

4 潛孔錘鉆進(jìn)施工

4.1 鉆進(jìn)參數(shù)

4.1.1 鉆壓

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是在靜壓力（鉆壓）、沖擊力和回轉(zhuǎn)力3種力作用下碎巖的工作過(guò)程，主要靠潛孔錘的活塞來(lái)沖擊鉆頭，而不是靠鉆桿柱加壓提高鉆速［7-9］。其鉆壓的主要作用是為保證鉆頭齒能與巖石緊密接觸，克服潛孔錘及鉆具的反彈力，以便有效地傳遞來(lái)自潛孔錘的沖擊功。在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)深度隨時(shí)調(diào)整鉆壓。當(dāng)鉆具的重力在正常的鉆壓范圍時(shí)，可用鉆具自重形成的鉆壓；隨著鉆孔的加深，當(dāng)鉆具的重力超過(guò)所需的鉆壓時(shí)，應(yīng)用鉆機(jī)的液壓提升給進(jìn)裝置提升鉆具進(jìn)行減壓，避免鉆壓太大損壞潛孔錘錘頭和造成孔斜。為了減少偏斜，本次施工鉆壓為15 kN。

4.1.2 轉(zhuǎn)速

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并以沖擊作為碎巖主要方式的鉆進(jìn)方法，回轉(zhuǎn)只為改變鉆頭沖擊破巖位置，避免重復(fù)破碎，所以不需要過(guò)快的線速度［10-12］。如果轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆桿柱回轉(zhuǎn)離心力增大，會(huì)加劇鉆具的橫向振動(dòng)和鉆具傾斜，引起孔斜；但如果轉(zhuǎn)速太慢，則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)（凹坑）重復(fù)，導(dǎo)致鉆速下降、孔徑變大。本次鉆進(jìn)中采用的轉(zhuǎn)速為30 r/min。

4.1.3 風(fēng)壓、風(fēng)速和供風(fēng)量

潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與空氣壓力有關(guān)，空氣壓力是影響機(jī)械鉆速的主要參數(shù)，資料表明，鉆速和風(fēng)壓幾乎成正比關(guān)系，風(fēng)壓從0.6 MPa提高到1.30 MPa時(shí)，鉆進(jìn)效率可提高1倍［13-14］。即壓縮空氣的壓力越高，則潛孔錘鉆進(jìn)的效率也越高，而且鉆頭的使用壽命也會(huì)變長(zhǎng)。

高壓空氣為潛孔錘沖擊做功及克服空氣排渣上返的阻力提供動(dòng)力，同時(shí)須克服管道壓力損失、孔內(nèi)壓力降、潛孔錘壓降、孔內(nèi)液柱壓力等。風(fēng)壓計(jì)算公式：

式中：P——風(fēng)壓，MPa；Q——每米干孔的壓力降，一般為0.0015 MPa/m；L——鉆桿柱長(zhǎng)度，m；Pm——管道壓力損失，取0.1～0.3 MPa；Pc——潛孔錘壓力降，MPa；Ps——鉆孔內(nèi)水柱壓力。

風(fēng)量計(jì)算公式：

式中：Q——供風(fēng)量，m3/min；V——上返風(fēng)速，m/s；D——鉆孔直徑，mm；d——鉆桿直徑，mm。

風(fēng)量根據(jù)上返速度確定，上返速度約為25 m/s，風(fēng)量為38 m3/min，風(fēng)壓為3.2 MPa。鉆進(jìn)中涌水、孔內(nèi)液柱壓力增加致鉆進(jìn)中風(fēng)壓增大0.1～0.3 MPa（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄）。鉆進(jìn)中需根據(jù)孔徑、潛孔錘性能參數(shù)及孔內(nèi)涌水、漏風(fēng)、超徑等情況匹配空壓機(jī)，本次鉆進(jìn)采用的是2臺(tái)XH 1350型空壓機(jī)并聯(lián)。

4.2 施工方案及措施

之前施工的距離3號(hào)鉆孔30 m處的2號(hào)鉆孔在孔深412 m處鉆遇復(fù)雜地層，出現(xiàn)埋鉆事故，因此，3號(hào)孔施工時(shí)專家組從設(shè)備配置、鉆具組合、鉆進(jìn)工藝及操作等方面制定了以下措施：

（1）增設(shè)一臺(tái)空壓機(jī)，防止供風(fēng)量偏小、上返風(fēng)速達(dá)不到排砂要求。

（2）勤觀察，加強(qiáng)排屑口異常情況觀察，鉆屑變大、出屑減少、不返屑及扭矩變化較大時(shí)，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)或停止鉆進(jìn)，判明情況后再恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

（3）當(dāng)鉆遇軟弱層、裂隙破碎帶時(shí)，降低鉆速，勤排屑，每鉆進(jìn)0.5～1 m將鉆具提離孔底進(jìn)行排渣，以利于鉆效的提高，避免孔內(nèi)事故的發(fā)生。

（4）如鉆遇潮濕、小涌水地層，要及時(shí)上報(bào)更換鉆進(jìn)工藝，采用泡沫鉆進(jìn)［15］，泡沫液有發(fā)泡、吸附、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)等作用，起到將遇水粘結(jié)成的鉆屑團(tuán)和粘附孔壁的鉆屑分離，使循環(huán)系統(tǒng)氣液固分布均勻，有效阻止鉆屑堆積現(xiàn)象再發(fā)生，增強(qiáng)空氣流的舉屑、攜水能力等效果。

4.3 鉆遇復(fù)雜情況及解決措施

鉆進(jìn)至430 m時(shí)鉆遇涌水地層，涌水量為5～8 m3/h。調(diào)整泡沫液配方為：水+0.3%～0.5%CMC+0.5%～1%發(fā)泡劑+0.2%Na2CO3。順利穿過(guò)了該地層。

在鉆進(jìn)至521 m處使用GTL-40GX（W）型光纖陀螺測(cè)斜儀和JGS-1B型智能測(cè)井系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行了3次測(cè)斜作業(yè)，復(fù)核偏差7.3 m。我隊(duì)專家組在對(duì)測(cè)斜結(jié)果進(jìn)行科學(xué)研判后及時(shí)上報(bào)指揮部并建議換用定向鉆進(jìn)設(shè)備進(jìn)行定向鉆進(jìn)。經(jīng)指揮部協(xié)調(diào)，由國(guó)家礦山應(yīng)急救援大地特勘隊(duì)與我隊(duì)聯(lián)合施工剩余60 m。

鉆具組合為：?152 mm PDC鉆頭+?121 mm螺桿＋?121 mm定向短節(jié)+?121 mm無(wú)磁鉆鋌+?121 mm鉆鋌+?89 mm鉆桿。

鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓50 k N，泵量20 L/s，轉(zhuǎn)速30 r/min。

5 救援效果

1月17日13：55，經(jīng)過(guò)59 h施工，3號(hào)鉆孔第一個(gè)精準(zhǔn)透巷、直中靶心，率先與井下被困人員取得聯(lián)系并及時(shí)輸送營(yíng)養(yǎng)和藥品，最大限度地保障了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為被困礦工成功升井贏取了寶貴的時(shí)間。

6 認(rèn)識(shí)與建議

總結(jié)本次3號(hào)孔救援情況，有以下認(rèn)識(shí)和建議。

（1）效率優(yōu)先。礦難救援與生產(chǎn)任務(wù)不同，是一次與死神賽跑、穿越生死的競(jìng)賽。如何快速地透巷，建立與井下聯(lián)系是救援隊(duì)的首要任務(wù)。在國(guó)家專業(yè)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)之前第一時(shí)間組織救援是關(guān)鍵，透巷時(shí)間距礦難發(fā)生時(shí)間7 d，如果時(shí)間再耽誤，將會(huì)嚴(yán)重威脅井下礦工的生命安全。

（2）技術(shù)保障。由于笏山金礦地質(zhì)條件較為復(fù)雜，過(guò)硬的施工技術(shù)是成功救援的前提。在救援過(guò)程中，相鄰井出現(xiàn)卡鉆事故，導(dǎo)致救援難以持續(xù)，經(jīng)專家組研究，調(diào)整施工參數(shù)，順利穿透破碎帶。現(xiàn)場(chǎng)采用2套不同型號(hào)的陀螺測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜3次，技術(shù)人員計(jì)算后將數(shù)據(jù)上報(bào)專家組，國(guó)家礦山應(yīng)急救援大地特勘隊(duì)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施定向鉆進(jìn)，成功透巷。

（3）組織得力。1月12日9時(shí)，我隊(duì)在得知消息后立即主動(dòng)請(qǐng)戰(zhàn)，3 h之內(nèi)，一支包含測(cè)量、地質(zhì)、水文、物探、鉆探等各專業(yè)60余名技術(shù)人員的隊(duì)伍到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，15 h完成了鉆孔定位、場(chǎng)地平整、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、開(kāi)鉆等工序，創(chuàng)造了鉆探救援新速度，僅用時(shí)59 h實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)521 m，為后期成功救援贏得了寶貴的時(shí)間。

（4）膠東半島大小金礦較多，為能在本地區(qū)第一時(shí)間對(duì)礦山救援做出響應(yīng)，減少人民的生命財(cái)產(chǎn)損失，建議在膠東地區(qū)組建一支專業(yè)的礦山救援隊(duì)伍，配備高性能救援設(shè)備，并進(jìn)行專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)。