笏山金礦搶險(xiǎn)救援6 號(hào)鉆孔快速準(zhǔn)確中靶施工技術(shù)

鐘 明

（山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 青島 266404）

0 引言

2021 年1 月10 日13 時(shí)13 分，山東五彩龍投資有限公司棲霞市笏山金礦在基建過(guò)程中，回風(fēng)井發(fā)生爆炸事故，造成22 人被困。我單位接山東省應(yīng)急廳指令，立即組織相關(guān)人員奔赴救援現(xiàn)場(chǎng)，按應(yīng)急指揮部的要求施工了6 號(hào)救援鉆孔，該孔的作用：一是作為給養(yǎng)及通信聯(lián)絡(luò)孔；二是作為井巷排水孔；三是作為生命通道大口徑施工先導(dǎo)孔。該孔1 月15日12 時(shí)正式施工，采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，解決了常規(guī)牙輪鉆頭鉆進(jìn)花崗巖硬地層鉆進(jìn)效率低的問(wèn)題。截至1 月19 日，歷時(shí)4 天后鉆進(jìn)至孔深554 m。接指揮部通知，暫停施工，待命。該孔施工過(guò)程中經(jīng)3 次單點(diǎn)測(cè)斜儀測(cè)斜、3 次陀螺測(cè)斜儀測(cè)斜，根據(jù)測(cè)斜情況合理調(diào)整潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)，終孔時(shí)孔底坐標(biāo)相對(duì)井口坐標(biāo)偏移在誤差允許范圍內(nèi)。是所有救援鉆孔中唯一未經(jīng)定向糾斜就直接命中靶位的鉆孔。

1 6 號(hào)鉆孔概況

1.1 地層情況

0～10 m 為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其余地層至終孔層位554 m 均為堅(jiān)硬花崗巖。

1.2 孔位選擇

該孔位于巷道T 字形交叉點(diǎn)（見圖1），且為巷道最高點(diǎn)，受水患侵害可能性較少，受困人員在此等待救援的可能性大。

圖1 鉆孔終孔位置Fig.1 Drilling completion point

1.3 鉆身結(jié)構(gòu)

孔身結(jié)構(gòu)為：孔深0～9.50 m 為?425 mm 孔徑，下入?340 mm×9.65 mm 井口管，孔深9.5～554 m為?311 mm 孔徑（裸孔），如圖2 所示。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the drill hole

2 鉆探施工難點(diǎn)及設(shè)備工藝選擇

2.1 鉆探施工難點(diǎn)

全孔地層為堅(jiān)硬花崗巖，采用普通牙鉆鉆頭鉆進(jìn)速度慢，有些地層破碎且含水；孔斜度要求高，鉆孔要準(zhǔn)確命中靶位，終孔坐標(biāo)偏斜不得超過(guò)巷道中心點(diǎn)1.5 m；要求鉆孔進(jìn)度快，工作中要爭(zhēng)分奪秒，時(shí)間就是生命，要盡快完成應(yīng)急救援任務(wù)。

2.2 施工工藝選擇

依據(jù)本孔的施工難點(diǎn)及技術(shù)要求，宜采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)；為采取保直防斜措施，防止鉆孔偏斜，及時(shí)監(jiān)測(cè)孔身偏斜質(zhì)量，以便采取糾偏措施。鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中每鉆進(jìn)50 m 測(cè)斜一次，如果鉆孔偏斜超限，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)糾斜無(wú)效，立即采用定向鉆進(jìn)對(duì)鉆孔實(shí)施糾斜。

2.3 施工設(shè)備選擇

XSC1200 型 液 壓 頂 驅(qū) 鉆 機(jī)1 臺(tái)，1125 型 空 氣 壓縮 機(jī)3 臺(tái)，1070 型 空 氣 壓 縮 機(jī)1 臺(tái)，3NB-1300 型 石油鉆井泵1 臺(tái)，12V190 型柴油機(jī)1 臺(tái)［1］。

3 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

鉆進(jìn)參數(shù)選擇需要考慮快速鉆進(jìn)及鉆孔偏斜兩方面因素。在鉆孔施工中做到既要“快”又要“準(zhǔn)”，把好開孔關(guān)，開孔時(shí)“輕壓吊打”，勤測(cè)孔斜，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

3.1 導(dǎo)致鉆孔偏斜的因素分析

3.1.1 鉆柱中性點(diǎn)

在鉆柱中性點(diǎn)以上的鉆柱受拉伸狀態(tài)，中性點(diǎn)以下的鉆柱即是鉆壓，其受壓縮狀態(tài)［2］。其中性點(diǎn)距離孔底高度計(jì)算公式如式（1）：

式中：LN——中性點(diǎn)距離孔底高度，m；W——鉆壓，kN；qc——鉆鋌單位長(zhǎng)度的重力，kN/m；KB——浮力系數(shù)。

由式（1）可以看出，鉆壓越大，鉆柱中性點(diǎn)越高，鉆柱越容易彎曲傾斜，鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鉆柱既發(fā)生自轉(zhuǎn)又同時(shí)發(fā)生公轉(zhuǎn)而導(dǎo)致孔斜。故本孔采用“減壓吊打”降低鉆柱中性點(diǎn)高度，鉆壓由20 kN 減到15 kN 使鉆壓在鉆柱上重心降低，避免或減小鉆具彎曲，鉆具旋轉(zhuǎn)保持垂直狀態(tài)，是預(yù)防孔斜的有效手段之一［3］。其浮力系數(shù)計(jì)算公式如式（2）：

式中：ρd——鉆井液密度，g/cm3；ρs——鉆柱鋼材密度，g/cm3。

鉆柱鋼材密度ρs不變，鉆井液密度ρd越大，浮力系數(shù)KB越小，鉆柱中性點(diǎn)越高，鉆孔越容易偏斜?？諝鉂摽族N鉆進(jìn)，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，其鉆井液密度ρd可以視為零，浮力系數(shù)KB=1 達(dá)到最大值，故鉆柱中性點(diǎn)為L(zhǎng)N=W/（qcKB）最小值，鉆柱重心最低，鉆柱不容易彎曲偏斜，即氣動(dòng)潛孔錘空氣鉆進(jìn)有利于鉆孔防斜。

3.1.2 離心力

當(dāng)鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生離心力，離心力將引起鉆柱彎曲或加劇鉆柱的彎曲變形。其離心力計(jì)算公式如式（3）：

式中：F——離心力，N；m——質(zhì)量，kg；v——速度，m/s；r——鉆柱半徑，m。

由式（3）可以看出，鉆柱質(zhì)量不變，鉆柱旋轉(zhuǎn)速度越快，離心力越大，鉆柱彎曲變形越嚴(yán)重，鉆孔越容易彎曲［4］。一般情況下氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，鉆柱旋轉(zhuǎn)速度低（本孔20 r/min 左右），離心力小，不容易發(fā)生孔斜。

3.1.3 扭矩

鉆柱所受扭矩和剪應(yīng)力的大小與鉆柱尺寸、鉆頭類型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速、鉆井液性質(zhì)及井眼質(zhì)量等因素有關(guān)［5］。鉆柱與井壁之間的間隙小、鉆柱剛性強(qiáng)，近乎“滿眼鉆具”有利于鉆孔防斜；采用凹心式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，在鉆孔底部始終保持同凹心鉆頭相配的巖石錐形體導(dǎo)向，進(jìn)而鉆頭套在巖石錐形體導(dǎo)向鉆進(jìn)有利于防斜［6］；巖石的結(jié)構(gòu)及構(gòu)造無(wú)各向異性有利于防斜；鉆壓?。p壓吊打）、轉(zhuǎn)速低（減小離心力）有利于防斜；鉆井液密度小、粘度低有利于防斜。上述情況均可形成扭矩相對(duì)減小，故有利于鉆孔防斜。

3.1.4 彎曲力矩

正常鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)施加的鉆壓超過(guò)鉆柱的臨界值時(shí)，下部鉆柱就產(chǎn)生彎曲變形，鉆柱在離心力的作用下亦會(huì)產(chǎn)生彎曲，鉆柱在彎曲井眼工作時(shí)也將產(chǎn)生彎曲，產(chǎn)生彎曲變形的鉆柱在軸向壓力的作用下，將受到彎曲力矩的作用，在鉆柱內(nèi)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在彎曲狀態(tài)下，鉆柱如繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。預(yù)防孔斜、控制鉆壓、避免鉆柱彎曲或減少鉆柱彎曲，才能有效減少鉆柱彎曲力矩，有效防止孔斜［7］。

3.1.5 鉆頭

本孔采用了凹芯潛孔錘錘頭，鉆頭采用凹心導(dǎo)向，切削刃分布均勻同心度好，底出刃高度一致無(wú)高差，防止鉆頭切入巖石深度不一導(dǎo)致鉆孔偏斜［8］。

3.1.6 鉆具

鉆具組合各類轉(zhuǎn)換變徑接頭要高精度同心，避免鉆具同心度不高，導(dǎo)致鉆具彎曲，產(chǎn)生交變應(yīng)力，造成鉆孔彎曲偏斜［9］。本孔采用了“剛、長(zhǎng)、直”的鉆具組合原則，鉆具組合為：?311 mm 鉆頭→?180 mm 潛孔錘→?203 mm 鉆鋌單根（無(wú)磁鉆鋌）→? 203 mm 鉆鋌單根→?178 mm 鉆鋌單根→?127 mm鉆桿［10］。

3.2 影響鉆進(jìn)效率的因素分析

3.2.1 鉆壓

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓力既要克服孔內(nèi)液體高度產(chǎn)生的背壓，又要克服鉆壓產(chǎn)生的背壓而工作，故氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，鉆壓不宜過(guò)高，鉆壓過(guò)大將氣動(dòng)潛孔錘壓住，使?jié)摽族N喪失往復(fù)運(yùn)動(dòng)而不工作，但鉆壓也不宜過(guò)小，鉆壓小了氣動(dòng)潛孔錘沖擊力不足以有效碎巖，鉆井進(jìn)尺緩慢，因而鉆壓的選擇，應(yīng)為其產(chǎn)生的沖擊功能有效破碎巖石為宜。

3.2.2 轉(zhuǎn)速

氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)速不宜高，轉(zhuǎn)速高了不利于沖擊功碎巖裂隙發(fā)育，而影響鉆井進(jìn)尺，一般情況下氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速選擇20～30 r/min。

3.2.3 氣量

依據(jù)本孔鉆孔結(jié)構(gòu)，淺孔施工時(shí)氣量一般選擇30 m3/min，較深鉆孔時(shí)氣量一般選擇60 m3/min，其氣量選擇應(yīng)保持孔底清潔，孔底無(wú)巖屑重復(fù)破碎，孔口返氣排渣正常，否則要增加鉆井施工的氣量氣壓，以滿足鉆井正常施工的需要。增加風(fēng)量就是為了增加孔內(nèi)上返風(fēng)速，從而增加孔內(nèi)巖屑上返速度，進(jìn)而增加了巖屑的上返動(dòng)能，其動(dòng)能主要用來(lái)克服巖屑的下沉重力、井壁摩擦力、鉆具摩擦力等。巖屑的上返動(dòng)能、巖屑的質(zhì)量、巖屑的上返速度關(guān)系如式（4）所示：

式中：E——巖屑的上返動(dòng)能，J；m——巖屑的質(zhì)量，kg；v——巖屑的上返速度，m/s。

由式（4）可以看出，巖屑質(zhì)量不變，風(fēng)量越大，風(fēng)速越高，巖屑上返速度越快，巖屑上返動(dòng)能越大，巖屑越不易下沉；當(dāng)巖屑上返速度為零時(shí)，動(dòng)能為零，巖屑沉降在孔內(nèi)聚集，導(dǎo)致孔內(nèi)排渣困難，鉆井進(jìn)尺緩慢，此時(shí)孔內(nèi)聚集的巖屑極易造成卡埋鉆具的發(fā)生。發(fā)現(xiàn)上述情況，一是應(yīng)立即上下串動(dòng)鉆具并向孔內(nèi)加入泡沫劑及泡沫穩(wěn)定劑，直至孔口返風(fēng)正常，孔內(nèi)鉆具活動(dòng)無(wú)阻力后，再恢復(fù)正常鉆進(jìn)［11］；二是增加沖擊器的風(fēng)壓及風(fēng)量，提高孔內(nèi)巖屑的動(dòng)能，使其克服下沉的重力及孔內(nèi)各類阻力。增加風(fēng)壓可以在高壓循環(huán)管路中串聯(lián)增壓機(jī)，增加風(fēng)量可以并聯(lián)壓力相同參數(shù)空壓機(jī)。加入泡沫劑的目的，一是泡沫可以增加對(duì)巖屑的懸浮力，以利于攜帶巖屑，克服巖屑的下沉重力，保持孔內(nèi)清潔；二是改善鉆孔及鉆具的潤(rùn)滑性能；三是分散鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)產(chǎn)生的巖屑巖粉，防止巖屑巖粉聚結(jié)造成卡鉆埋鉆事故發(fā)生；四是泡沫對(duì)地層裂隙有封堵作用，起到穩(wěn)固保護(hù)井壁的作用，五是克服孔內(nèi)液柱高度產(chǎn)生的背壓。泡沫穩(wěn)定劑的作用，是防止泡沫由孔底上升過(guò)程中，泡沫逐漸減壓增大破損，而造成泡沫失效，巖屑重新聚集下沉，而影響孔內(nèi)排渣和進(jìn)尺。泡沫劑中加入100 mg/L 濃度的PHP，以及1 m3泡沫劑液體中加入2～3 kg 的CMC，PHP 分子中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，CMC 分子中的鏈狀結(jié)構(gòu)相互作用，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性，促進(jìn)了鉆井進(jìn)尺正常進(jìn)行［12］。

3.3 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇及調(diào)整

該鉆孔施工中，鉆進(jìn)參數(shù)的選擇從鉆進(jìn)速度及鉆孔偏斜兩方面考慮，一般情況下選擇的鉆進(jìn)參數(shù)見表1。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)Table 1 Drilling parameters

鉆壓過(guò)大，鉆具將發(fā)生彎曲。彎曲的鉆具在自轉(zhuǎn)的同時(shí)發(fā)生公轉(zhuǎn)，鉆具公轉(zhuǎn)將導(dǎo)致鉆孔偏斜；為預(yù)防鉆壓過(guò)大鉆具彎曲導(dǎo)致孔斜，應(yīng)合理控制鉆壓［13］。

0～310 m 孔段，鉆壓保持在20 kN，轉(zhuǎn)速30 r/min 以內(nèi)，風(fēng)量維持在50 m3/min 時(shí)，鉆孔偏斜數(shù)據(jù)及偏斜軌跡如表2 所示［14］。

表2 測(cè)斜成果數(shù)據(jù)Table 2 Inclination measurement results

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及鉆孔偏斜軌跡，發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡向巷道北部邊緣傾斜，鉆孔有跑出巷道的傾向，為防止鉆孔跑出巷道，及時(shí)調(diào)整了鉆壓，從20 kN 降到15 kN 以內(nèi)，目的是降低鉆壓在鉆鋌上的重心高度，改變鉆具的彎曲度，減小鉆具的扭矩及反扭矩［15］，通過(guò)鉆壓的改變?nèi)〉昧溯^好的防斜效果，鉆孔終孔坐標(biāo)位于巷道中間，達(dá)到了預(yù)期的目的。

310～554 m 孔段鉆孔偏斜數(shù)據(jù)見表3，鉆孔軌跡水平投影見圖3。

圖3 鉆孔軌跡水平投影Fig.3 Horizontal projection of the borehole trajectory

表3 測(cè)斜成果數(shù)據(jù)Table 3 Inclination measurement results

4 施工中的注意事項(xiàng)

（1）鉆探設(shè)備安裝要周正、穩(wěn)固、水平，鉆塔天輪中心、主動(dòng)鉆具中心及孔口中心三點(diǎn)要在同一鉛垂線上，開孔前要使用經(jīng)緯儀對(duì)上述這三點(diǎn)進(jìn)行校正，確保上述三點(diǎn)在同一鉛垂線上，再開孔施工［15］。

（2）嚴(yán)格鉆具檢查，絲扣不合格的鉆具、彎曲的鉆具嚴(yán)禁下入孔內(nèi)。

（3）鉆具下入孔內(nèi)時(shí)要注意清潔，鉆孔內(nèi)不能有泥砂、鐵銹等異物，防止鉆進(jìn)時(shí)卡住沖擊器，造成潛孔錘不工作。

（4）連接鉆具時(shí)，鉆具公扣母扣要清潔干凈，并均勻涂抹絲扣油，上緊絲扣，注意絲扣連接密閉，防止鉆具中途跑氣，影響正常鉆進(jìn)。

（5）潛孔錘正常鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)上返巖屑潮濕或者返氣不暢、鉆進(jìn)速度明顯減慢時(shí)，要及時(shí)使用泡沫劑并上下串動(dòng)鉆具，清理孔內(nèi)巖屑，防止孔內(nèi)巖屑吸附在井壁及鉆具外部，形成泥環(huán)，造成卡埋鉆具事故發(fā)生。

（6）潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，要及時(shí)使用好泡沫泵注入泡沫，以及注油器注油，潤(rùn)滑沖擊器，防止沖擊器卡頓而失去工作效能。

（7）潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)要合理使用鉆壓，防止鉆壓過(guò)大，擊斷錘頭，導(dǎo)致事故發(fā)生。

5 取得的成果

本孔采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速低（一般20～30 r/min），壓力?。ㄒ话?0～100 N/mm），空氣鉆進(jìn)比泥漿沖洗液鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力小，扭矩小。該孔終孔深度554 m，純鉆時(shí)間48 h，鉆進(jìn)效率11.54 m/h；鉆孔水平偏距1.809 m，距巷道左邊緣1.87 m，距巷道右邊緣1.13 m，一次性進(jìn)入目標(biāo)靶區(qū)，為被困22 名礦工11 名生還升井做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)，2021 年1 月我單位被中共山東省委、山東省人民政府授予“笏山救援爭(zhēng)分奪秒，攻堅(jiān)克難彰顯擔(dān)當(dāng)”榮譽(yù)稱號(hào)。

通過(guò)本次工作，證明了以沖擊為主、回轉(zhuǎn)為輔的空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝在硬巖鉆進(jìn)中，相比于傳統(tǒng)工法，鉆探效率高，進(jìn)尺快，孔斜控制程度高，終孔位置定位準(zhǔn)確，具有傳統(tǒng)工藝無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，為今后施工類似鉆孔積累了經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)急搶險(xiǎn)工作要做到“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”。為做到“穩(wěn)”：鉆孔施工前組織鉆探、水文、地質(zhì)等專家，認(rèn)真分析研究地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，詳細(xì)制定鉆孔結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)措施，避免鉆孔結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)措施不合理導(dǎo)致次生事故發(fā)生而影響救援工作順利開展。要做到“準(zhǔn)”：施工過(guò)程中嚴(yán)格對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡偏斜立即進(jìn)行鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整，必要時(shí)采用螺桿鉆進(jìn)行定向糾斜，使鉆孔命中靶點(diǎn)。要堅(jiān)持“快”：對(duì)每項(xiàng)工作必須做到分工明確，責(zé)任到人，緊張有序，忙而不亂；確保設(shè)備完好，注意維護(hù)保養(yǎng)，不能因設(shè)備故障而耽誤工期，做好后勤保障工作，施工物資供應(yīng)及時(shí)，確保施工正常高效，盡最快效能以最快速度完成應(yīng)急救援任務(wù)。