地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计

摘要：文章针对某矿区采空区域持续性坍塌、过溶洞含水层、过易斜地层等地质条件，探讨了大直径应急救援钻孔成孔工艺在防范地层坍塌、工作管变形中的应用作用。

关键词：地面大直径;应急救援钻孔成孔;工艺

地面大直径救生孔是在矿井出现重大灾难事故，导致矿井井筒、大巷内部出现灾难性破坏，难以继续打通而不得不采取的应急救援措施。地面大直径救生孔是开辟矿工再生通道的重要措施。为了能够保证这项措施的有效性，需要地面大直径救生孔的通道足够大，在使用的时候要能够直接到达井下矿工所在的巷口。因此决定了地面大直径救生孔和一般性的大直径钻孔相比要额外使用更加特殊的施工工艺和施工技术。

一、某矿产工程事故情况概述

文章所研究地区位于蒙山西南部，区域范围内的地貌类型是十分多样的，具有鲜明的山区特点。该矿区是一个狭长的断陷盆地，盆地内部拥有丰富的石膏矿山，埋藏比较浅，出现塌陷事故的玉荣石膏矿处于平邑县下辖保太镇万庄村南，距离县城的距离是10km。大直径救生孔所在的位置是原始地层60度到70度的基本走向上，倾斜角为25度，浅表在0m到1m的位置上存在松散的表层土，在1m到130m的位置上是灰色的岩层，在130m到200m的位置上是红色砂泥岩，在200m到220m的位置上是石膏层。灰色岩层呈现出薄状，之间的灰岩会发育溶洞，并伴随出现大量的砂冲填物和松散的泥沙。在距离地表24m深度上存在2m的溶洞，距离地表46.5m到48m为水泥、黄泥的充填物。灰岩含水层蕴含了数万立方米的灰岩水体，在130m以下的地层是红色砂岩，遇到水之后很容易土崩瓦解。文章所研究地区的水文地质、工程地质条件是十分复杂的，从区域构造角度来看，灰岩层是由古老灰岩推送到红层上形成的。经过初步判断了解到灰岩地段地层剪切程度、变形程度会超過下部泥岩段地层，呈现出非均衡的变形。【1】

二、大直径救生孔技术方法

（一）施工技术方案

大直径救生孔施工方案的实施深受矿区条件的限制，在具体实施操作的时候钻孔施工需要经过持续塌陷的不稳定地层、多层溶洞发育起来的灰岩含水层，并在这个过程中还需要克服钻孔偏斜。基于以上的要求，在施工的时候需要设计出多层工作套，借助多层工作套封闭灰岩含水层和塌陷地层，并采取有效的措施预防孔斜。在施工期间，大直径救生钻孔施工技术方案的实施要能够满足大直径救生孔特殊工艺、技术的使用要求，在实施操作的时候不能够使用水泥砂浆来完成钻进操作，目的是不对井下矿工带来二次伤害。

（二）施工装备

在施工过程中所使用到的装备包含德国RB-T90大孔径救生钻机和美国雪姆T200XD大孔径救生钻机，美国寿力双工况900XHH/1150XH空压机，美国阿特拉斯增压机，中国219mm双壁钻杆。

（三）施工人员管理

为了能够确保大直径救生孔顺利施工，在施工现场需要打造出一个专业的大直径钻孔救援团队，安排一线员工来参与施工，每个班组至少需要配备一名高级工程师，一名地质水文工程师和正班长、副班长。在人员到位之后成立专门的现场技术专家小组，小组成员由地质、水文、钻探、机械制造等专家构成，在小组成员的密切配合下能够随时随地的处理钻孔施工中的技术问题。除了必要的技术团队，在施工现场还需要成立专门的后勤保障小组，由后勤保障小组负责各个材料的供应管理，并为作业人员提供必要的后勤保障支持。【2】

三、矿山事故救援钻孔技术

（一）解决松散层问题的技术方法

在文章所研究的矿山事故抢险救援工作中，救援现场的地表拥有5m左右的黄土泥砂层和3m左右的基岩分化层。一开施工的时候，受上部地层松散的影响，矿产开采不顺利就很容易诱发一系列的塌陷问题，加剧了泥浆钻井的渗漏，成孔操作困难。针对地层的不稳定，对地层地质条件下的钻孔设计做出了变更。一方面，加大开孔直径，开孔直径需要保持在1250mm左右，深度不低于8m，安装直径1200mm护壁管，进而保证终孔口径。另一方面，开孔首次使用旋挖钻机，有效保障松散层大孔径的成孔率和施工效率，为后续的施工赢得时间。

（二）空气反循环钻进技术

空气反循环钻进技术在实施的时候会以空气作为重要的循环介质，借助双壁钻杆环状间隙来将高压空气输送到孔底，同时驱动孔底的钻头去冲击碎岩。在操作中所使用的压缩空气既可以作为洗井的循环介质，也可以作为破岩动力来源，其利用驱动孔底钻头气体来携带岩石细屑，在经过双壁钻杆的管路之后会重新返回到地表，最终完成钻进。【3】

（三）气举反循环钻进工艺

在空气反循环钻井工艺的支持下，钻井的速度得到提升，每小时钻井达到了4m。但是受地层不稳定的影响，在钻孔钻进达到174m的时候，矿井会出现大面积的塌陷，在钻孔160m 的位置上会出现缝隙的坍塌。对于这个问题可以选择使用气举反循环工艺技术来予以处理。从实际应用操作上来看，气举反循环技术会将压缩空气沿着输气管线进入到具备一定深度的钻孔中，经过混合器之后会进入到排渣管的内部和循环液混合在一起。井筒和管内会出现压力差，在井筒液体压力大作用下管内的混合气体、液体会以较快的速度向上流动，这个时候会将孔底内部的岩屑带出地表，经过沉淀后为井筒内外部液体的压差维护提供支持。

结束语

综上所述，在大直径救生钻孔施工操作中，711mm潜孔锤钻进技术、空气反循环技术是成孔的关键技术形式。在施工中采用分级分套的管护壁是确保大直径救生钻孔施工过程中坍塌、封闭灰岩水的重要技术保障。在具体实施操作的时候通过扩大钻孔裸径，并在工作套四周使用高标号、高密度的水泥砂浆，能够达到强化固管的和增加工作套管厚度的作用，最终会有效提升工作管遭受坍塌移动时地层的挤压变形能力。

参考文献

[1] 郝世俊， 莫海涛. 地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析[J]. 煤田地质与勘探， 2021， 49（1）：8.

[2] 刘庆修. 大直径深孔载人救援提升装备关键技术研究[D]. 煤炭科学研究总院.

作者简介：张晓华（1988—08）男、汉族、河北省、张家口市、北京大地高科地质勘查有限公司、工程师、钻探工程/矿山事故钻孔救援。