礦山搶險救援鉆孔施工工藝分析與優化
——以笏山金礦搶險救援為例

張吉路

（中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039）

0 引言

在礦井事故發生初期，為了快速營救礦井中被困人員，需在地面快速施工鉆孔透巷，以提供相應的氧氣、食物。大口徑地面鉆孔救援施工技術及裝備研發，為鉆孔搶險救援提供了技術和物質保障［1-3］。近年來，我國在地質鉆探領域引進了許多較為先進的設備與技術，如液壓頂驅車載鉆井設備，定向鉆進技術等，在礦山災害的搶險救災工作中發揮了重要的作用［4-6］。搶險救援鉆孔布置應結合礦山災害事故具體災情及地形、地質和構造特征，選擇合適的鉆探設備和工藝技術，以達到快速、精準鉆探的目的［7-9］。

棲霞金礦具有地層硬度高、巖石破碎、地下水含量大等特點，針對這些特點，本次救援圍繞設備選擇、施工工藝、鉆進流程等制定了一套較為全面的施工技術方案，有效避免了在救援過程中再次發生事故，快速鉆至指定地點的目的［10-13］。氣動潛孔錘鉆井技術雖然因其施工效率高、安全性好等特點被廣泛應用，但對地質條件要求高，需對鉆探施工參數不斷進行優化，實時進行監測、控制［14-16］。本文通過對笏山金礦鉆探救援實例開展研究總結，旨在為今后類似鉆探工程提供參考。

1 救援方案概況

1.1 礦難發生情況

2022 年1 月10 日，山東棲霞笏山金礦回風井發生爆炸事故，導致井下22名采礦工人被困，按照應急指揮中心要求，決定采用救援鉆孔的方式進行施救。鉆孔的作用在于：第一，為井下被困人員提供氧氣與相應的營養物質；第二，排除井巷中的水；第三，作為生命救援孔。在鉆孔的施工過程中，主要采用潛孔錘鉆進的方式，可有效提升花崗巖硬地層鉆進效率。在鉆進時，需根據鉆進檢測結果實時調整鉆進參數，確保誤差在可控范圍內，進而達到救援目的［2］。

1.2 鉆孔布置情況

為了確保營救成功，設計了1、2、3、4號救援孔。其中1 號救援孔鉆至六中端水分泵房處，其作用在于探查水倉是否出現損壞，探明巷道中突出的情況，以便于排除巷道中的積水；2 號孔鉆至五中段巷道拐點位置，其作用在于探明巷道中是否存在被困人員；3 號救援孔鉆至五中段巷道中部，其作用在于探明五中段被困人員的具體位置，并能順利與被困人員取得聯系，向其提供必要的救援物資；4 號孔為輔助通道，當1～3 號孔能順利與井下被困人員取得聯系后，通過4號孔直接鉆至被困人員具體位置，并及時放置生命探測儀和生活必需物資，實時掌握被困人員的身體情況。4 個救援鉆孔平面分布詳見圖1。

圖1 回風井和救援鉆孔位置平面示意圖Figure 1 Location of return air shaft and rescue borehole

1.3 鉆探地層及井身結構

本文主要對3號救援孔的鉆進施工進行分析。

1.3.1 地層情況

礦井地質資料顯示：0～10m為強風化花崗巖，之下為堅硬花崗巖，直至終孔深度544m。

1.3.2 鉆孔井身結構

0～9.50m，孔徑Φ425mm，下入Φ340mm×9.65mm 井口管；9.50～554m 孔徑Φ311mm（裸孔）（圖2）。

圖2 3號鉆孔井身結構圖Figure 2 Hole structure of No.3 well

2 救援孔施工難點與施工工藝

2.1 救援孔施工難點

針對該礦區而言，其地質條件較為復雜，同時并未明確井下被困人員情況，為搶險救援增加了相應的難度［4］。

（1）時間緊

在通常情況下，礦山事故發生后不能第一時間采取相應的救援措施，嚴重影響救援效率；該礦井中無緊急避難區域，缺乏給養；礦井中發生二次爆炸，爆炸過程中產生的沖擊波導致巷道周圍墻體坍塌，并且產生大量的有毒氣體；爆炸使得巷道突水。在這些因素的影響下導致采礦人員的生命安全受到威脅，救援時間較為緊迫［5］。

（2）巖石硬度高，鉆進效率低

該礦井區域的巖石類型為花崗巖，由于此種地層質地堅硬，增加鉆進難度，嚴重影響鉆進效率。

（3）巖石破碎

在事故發生區域，地層環境較為復雜，且存在相應的斷裂帶，寬度為200m 以上，呈波狀起伏，傾角在20°～50°。斷裂帶導致巖石破碎，鉆探過程中極易發生卡鉆的事故。

（4）救援深度大

采礦人員被困于井下600m 處，救援深度相對較大。

（5）孔斜精度要求高

井下巷道寬度僅有3m，對孔斜的精度要求較高，終孔偏差不得超過1.5m。由于上部巖層有裂隙發育，容易導致鉆孔偏斜。

2.2 施工工藝

針對本次礦難事故實際情況，結合救援鉆孔施工難點以及鉆探相關的技術要求，本次鉆孔采用氣動潛孔錘鉆進的方式為主，此外，為了避免鉆孔出現偏斜，采取了保直防斜糾正措施，時刻監測孔身的偏斜情況，便于及時糾斜。

在鉆進過程中，每鉆進50m 進行測斜一次，若監測到鉆孔偏斜超出限定值，需調整鉆進參數進行糾正，調整鉆進參數無法糾正時，則立即采用定向鉆進的方式進行糾正［14］。

2.3 鉆機選配

針對鉆探施工實際情況，3 號救援孔采用SL-1000 型鉆機進行施工，此種設備受環境因素影響相對較小，對施工場地的要求相對較低，具有安裝速度快，鉆進效率高等優點。鉆機的主要參數見表1。

表1 SL-1000型鉆機性能參數Table 1 SL-1000 drilling rig performance parameters

3 鉆進工藝參數的確定與優化

在確定鉆進參數時，需充分考慮鉆進速度與鉆孔偏斜兩方面的因素，確保鉆孔施工的精確與快速，需嚴把開孔關，提升鉆孔偏斜的監測次數，并根據監測結果實時調整鉆進參數，確保鉆孔的施工達到救援目的［7］。

3.1 鉆孔偏斜的成因及控制

3.1.1 鉆柱中性點

對于氣動潛孔錘鉆進而言，其主要是通過靜壓力（鉆壓）、沖擊力、回轉力三種力實現碎巖，利用潛孔錘的活塞沖擊鉆頭，使鉆頭齒與巖石面充分接觸，在一定程度上緩減了潛孔錘及鉆具產生的反彈力，這樣可將潛孔錘產生的沖擊功轉移至鉆頭上。在實際鉆進過程中，可根據鉆進的深度實時調整鉆壓，當鉆具的重力處于正常的鉆壓范圍內時，鉆具的自重形成的鉆壓進行正常鉆進；當鉆具的重力超過鉆進所需的鉆壓時，則需利用鉆機的液壓裝置提升鉆具，進行相應的減壓，防止因鉆壓過大導致潛孔錘錘頭損壞以及偏斜產生。鉆柱中性點以上的部分呈拉伸狀態，中性點以下的部分即是鉆壓。中性點距離孔底高度計算公式如下：

式（1）中：LN為中性點到孔底的高度，m；W為鉆壓，kN；qc為鉆具單位長度的重力，kN/m；KB為浮力系數。

基于上述分析可知，在鉆壓不斷增大的情況下，鉆柱的中心點逐漸增高，鉆柱容易出現彎曲的情況，而且在鉆機轉盤驅動鉆柱發生自轉的同時，也容易產生相應的公轉，導致鉆孔偏斜［8］。因此，本次施工采用“輕壓吊打”的方式，將中性點的高度降低，將鉆壓降低至15kN，將鉆柱上的鉆壓重心降低，以此來避免孔斜。KB可通過下列公式進行計算：

式（2）中：ρd為鉆井液密度，g/cm3；ρs為鉆柱鋼材密度，g/cm3。

通過分析式（2）可知，在ρs固定不變的情況下，隨著ρd的增大，KB逐漸減小，此時鉆柱的中性點也就越高，容易導致鉆孔發生偏斜。但是，由于氣動潛孔錘鉆進的方式主要以空氣作為循環介質，ρd可忽略不計，當KB=1 時，浮力系數最大，LN最小，此時鉆柱的重心最低，鉆柱不容易出現彎曲的情況，可有效避免鉆孔偏斜。

3.1.2 離心力

鉆柱繞井眼軸線公轉過程中，存在相應的離心力，在此種作用力的影響下，加劇下部鉆柱的彎曲變形，鉆具產生的離心力計算公式如式（3）所示：

式（3）中：F為離心力，N；m為鉆柱質量，kg；v為鉆柱旋轉速度，m/s；r為鉆柱半徑m。

分析式（3）可知，在m固定不變的情況下，隨著v的增大，F逐漸增大，鉆柱越容易出現彎曲的情況，容易造成鉆孔偏斜。由于氣動潛孔錘鉆柱旋轉速度相對較低，大約為20r/min，所差生的離心力相對較小，可有效避免鉆孔偏斜。

3.1.3 扭矩

在鉆進過程中，鉆柱尺寸大小、類型等決定著鉆柱所受的應力大小。當鉆柱與井壁之間的間隙小，并且鉆柱的剛性相對較強時，可有效避免鉆孔偏斜。此外，在采用凹心式鉆頭鉆進時，由于鉆井底部始終保持同凹心式鉆頭相配的巖石錐形體作為導向，使得鉆頭能套在巖石錐形體內導向鉆進，可有效避免鉆孔偏斜，并且鉆壓小、轉速低、鉆井液密度小等形成的扭矩也相對較小，均可避免鉆孔發生偏斜。

3.1.4 彎曲力矩

在鉆壓超過臨界值的情況下，由于受到離心力與其它作用力的影響，導致鉆具出現彎曲現象。由于鉆柱受到軸向壓力的影響，一旦鉆柱變形，鉆柱內部便會產生相應的彎曲力矩，進而產生彎曲應力。當鉆柱在彎曲情況下繞自身軸線進行旋轉時，將會產生交變的彎曲應力。因此，在實際鉆進時，需嚴格控制鉆壓，避免鉆柱產生彎曲，這樣才能有效降低鉆柱的彎曲力矩，避免鉆孔出現偏斜。

3.1.5 鉆頭

針對搶險救援孔鉆進地層的實際情況，在進行3 號救援孔的鉆進時，主要通過凹心潛孔錘錘頭進行鉆進，此種鉆頭為凹心導向，同心度相對較好，可有效防止鉆井進尺造成的孔斜情況。

3.1.6 鉆具組合

在實際鉆進過程中，鉆具同心度也是影響鉆進效率的主要因素，在同心率低的情況下，鉆具容易出現彎曲，進而導致鉆孔彎曲偏斜。為有效避免此種情況出現，決定采用“剛、長、直”的鉆具組合原則，組合形式為：Φ311mm 鉆頭+Φ180mm 潛孔錘+Φ 127mm 鉆桿+Φ203mm 鉆鋌單根（無磁鉆鋌）+Φ 178mm鉆鋌單根。

3.2 影響鉆進效率因素

3.2.1 鉆壓

在采用氣動潛孔錘進行鉆進時，空壓機產生的壓力用于抵消孔內液體高度產生的背壓與鉆壓所產生的背壓。因此，在采用此種方式鉆進時，需將鉆壓控制在合理的范圍內。若鉆壓過大，可能會導致潛孔錘喪失往復運動的動力；若鉆壓過小，可能會導致氣動潛孔錘沖擊力不足，進而難以擊碎巖石，在一定程度上降低了鉆進的效率。針對該工程實際情況，本次施工鉆壓選擇15kN，不僅可確保氣動潛孔錘沖擊力足以擊碎巖石，而且還能有效減少鉆孔偏斜。

3.2.2 轉速

氣動潛孔錘主要是通過沖擊回轉進行鉆進，以此來擊碎巖石，由于回轉的目的在于改變鉆頭沖擊巖石的部位，防止出現重復沖擊的情況，在鉆進過程中線速度需控制在合理的范圍內。若鉆進過程中鉆速過高，則鉆桿所產生的離心力增大，鉆具振動越劇烈，發生傾斜的可能性就越大；若鉆進過程中鉆速過低，則會造成硬巖破碎難度增大，加劇鉆具磨損，嚴重影響鉆進速度，同時還會增大孔徑。針對工程實際情況，需將鉆進轉速控制在20～30r/min范圍內。

3.2.3 氣量、風壓、風量

（1）氣量

根據3 號救援孔的井身結構，在施工過程中需嚴格控制氣量，通常潛孔錘氣量為30m3/min，鉆孔深度較深時一般為60m3/min。值得注意的是，在鉆進過程中，需保證孔底無殘渣，并檢查反渣口是否出現堵塞的情況，若發現堵塞，則在鉆進過程中需增大氣量與氣壓。通過增加氣量與氣壓的方式，可有效提升孔內的上返風速，增加孔中殘渣的上返動能，進而達到出渣的目的。在通常情況下，當巖屑上返動能大于巖屑的下沉重力、井壁摩擦力鉆具摩擦力等時，才可有效排除孔內的碎屑。

式（4）中：E為巖屑的上返動能，J；m為巖屑的質量，kg；v表示巖屑的上返速度，m/s。

基于上述分析可知，在m固定不變的情況下，隨著風量增大，風速越高，v越大，E也越大，此時巖屑不易下沉；當v為0 時，E為0，此時巖屑聚集于孔內，加大了排渣的難度，在一定程度上降低了鉆進效率，并且可能會造成鉆具卡埋的情況。

針對此種情況，可在孔內加入相應的泡沫劑以及泡沫穩定劑，并上下竄動鉆具，進而確?？卓诜碉L正常，鉆具的活動正常后，再進行鉆進工作。在此過程中，增加泡沫劑的目的在于：第一，通過泡沫劑增加巖屑的懸浮力，以此來降低巖屑的下沉重力，使其不聚集在孔內，進而提升孔內的清潔度；第二，通過泡沫劑提升鉆孔以及鉆具的潤滑性；第三，通過泡沫劑將鉆進時產生的巖屑分散，避免巖屑在孔內聚集造成鉆具卡埋；第四，通過添加泡沫劑可封堵地層間的裂縫，可有效提升井壁的穩固性；第五，通過添加泡沫劑可克服孔內液柱高度產生的背壓。而添加泡沫穩定劑的目的在于，避免泡沫在上升過程中因壓力減小而破壞，對于防止巖屑下沉，提升鉆進速率有著十分重要的作用［9］。

（2）風壓、風量

提升沖擊器的風壓以及風量，可有效提升孔內巖屑的動能。一般可通過在高壓循環管路中串聯增壓機的方式提升風壓，通過并聯型號相同的空壓機提升風壓。

風壓可通過式（5）進行計算：

式（5）中：p為風壓，MPa；Q為每米鉆孔的壓力降，通常取0.000 15MPa/m；L為鉆桿長度，m；Pm為管道壓力損失，取值范圍通常在0.1～0.3MPa；pc為潛孔錘壓力降，MPa；ps為鉆孔內水柱壓力，MPa。

風量可通過式（6）進行計算：

式（6）中：Q為供風量，m3/min；v為上返風速，m/s；D為鉆孔直徑，mm；d為鉆桿直徑，mm。

在通常情況下，上返風速決定風量。本工程在鉆進過程中，上返速度約為25m/s，風量為38m3/min，風壓為3.2MPa。

由于在鉆進過程中突水，液柱壓力增大，導致鉆進中風壓增大，需根據孔徑、潛孔錘性能參數以及孔內的突水等情況匹配相應的空壓機，本次鉆進將2臺XH1350型空壓機并聯供風。

3.3 鉆進參數的選擇及調整

在實際鉆進過程中，鉆進參數的選擇與調整尤為重要，其直接決定著鉆進質量。因此，需結合鉆進速度、鉆孔偏斜等因素，實時調整鉆壓、轉速、風量、風壓等鉆進參數（表2）。

表2 鉆進參數Table 2 Drilling parameters

4 結論

1）礦山應急搶險救援工作，首先要做到應急救援所需物資、專業技術人員和設備設施的儲備充足，鉆探設備和施工人員應急反應迅速，并安全及時到達指定位置，快速熟悉地質資料，設計應急救援施工方案。

2）鉆探施工過程中，需合理配備鉆探設備和鉆具組合，采用潛孔錘鉆進時需要對鉆壓、扭矩、鉆頭、轉速、氣量、風壓、風量等進行實時監測、分析、控制，以控制鉆進速度和鉆孔軌跡等，達到快速鉆探救援的目的。

3）通過本次搶險救援工作，采用以沖擊為主、回轉為輔的空氣潛孔錘鉆進，克服硬巖鉆進施工難點，相比傳統施工工藝，具有鉆探進尺快，糾斜能力強，定位準等特點。