矿山抢险救援钻孔施工工艺分析与优化——以笏山金矿抢险救援为例

张吉路

（中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039）

0 引言

在矿井事故发生初期，为了快速营救矿井中被困人员，需在地面快速施工钻孔透巷，以提供相应的氧气、食物。大口径地面钻孔救援施工技术及装备研发，为钻孔抢险救援提供了技术和物质保障［1-3］。近年来，我国在地质钻探领域引进了许多较为先进的设备与技术，如液压顶驱车载钻井设备，定向钻进技术等，在矿山灾害的抢险救灾工作中发挥了重要的作用［4-6］。抢险救援钻孔布置应结合矿山灾害事故具体灾情及地形、地质和构造特征，选择合适的钻探设备和工艺技术，以达到快速、精准钻探的目的［7-9］。

栖霞金矿具有地层硬度高、岩石破碎、地下水含量大等特点，针对这些特点，本次救援围绕设备选择、施工工艺、钻进流程等制定了一套较为全面的施工技术方案，有效避免了在救援过程中再次发生事故，快速钻至指定地点的目的［10-13］。气动潜孔锤钻井技术虽然因其施工效率高、安全性好等特点被广泛应用，但对地质条件要求高，需对钻探施工参数不断进行优化，实时进行监测、控制［14-16］。本文通过对笏山金矿钻探救援实例开展研究总结，旨在为今后类似钻探工程提供参考。

1 救援方案概况

1.1 矿难发生情况

2022 年1 月10 日，山东栖霞笏山金矿回风井发生爆炸事故，导致井下22名采矿工人被困，按照应急指挥中心要求，决定采用救援钻孔的方式进行施救。钻孔的作用在于：第一，为井下被困人员提供氧气与相应的营养物质；第二，排除井巷中的水；第三，作为生命救援孔。在钻孔的施工过程中，主要采用潜孔锤钻进的方式，可有效提升花岗岩硬地层钻进效率。在钻进时，需根据钻进检测结果实时调整钻进参数，确保误差在可控范围内，进而达到救援目的［2］。

1.2 钻孔布置情况

为了确保营救成功，设计了1、2、3、4号救援孔。其中1 号救援孔钻至六中端水分泵房处，其作用在于探查水仓是否出现损坏，探明巷道中突出的情况，以便于排除巷道中的积水；2 号孔钻至五中段巷道拐点位置，其作用在于探明巷道中是否存在被困人员；3 号救援孔钻至五中段巷道中部，其作用在于探明五中段被困人员的具体位置，并能顺利与被困人员取得联系，向其提供必要的救援物资；4 号孔为辅助通道，当1～3 号孔能顺利与井下被困人员取得联系后，通过4号孔直接钻至被困人员具体位置，并及时放置生命探测仪和生活必需物资，实时掌握被困人员的身体情况。4 个救援钻孔平面分布详见图1。

图1 回风井和救援钻孔位置平面示意图Figure 1 Location of return air shaft and rescue borehole

1.3 钻探地层及井身结构

本文主要对3号救援孔的钻进施工进行分析。

1.3.1 地层情况

矿井地质资料显示：0～10m为强风化花岗岩，之下为坚硬花岗岩，直至终孔深度544m。

1.3.2 钻孔井身结构

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

图2 3号钻孔井身结构图Figure 2 Hole structure of No.3 well

2 救援孔施工难点与施工工艺

2.1 救援孔施工难点

针对该矿区而言，其地质条件较为复杂，同时并未明确井下被困人员情况，为抢险救援增加了相应的难度［4］。

（1）时间紧

在通常情况下，矿山事故发生后不能第一时间采取相应的救援措施，严重影响救援效率；该矿井中无紧急避难区域，缺乏给养；矿井中发生二次爆炸，爆炸过程中产生的冲击波导致巷道周围墙体坍塌，并且产生大量的有毒气体；爆炸使得巷道突水。在这些因素的影响下导致采矿人员的生命安全受到威胁，救援时间较为紧迫［5］。

（2）岩石硬度高，钻进效率低

该矿井区域的岩石类型为花岗岩，由于此种地层质地坚硬，增加钻进难度，严重影响钻进效率。

（3）岩石破碎

在事故发生区域，地层环境较为复杂，且存在相应的断裂带，宽度为200m 以上，呈波状起伏，倾角在20°～50°。断裂带导致岩石破碎，钻探过程中极易发生卡钻的事故。

（4）救援深度大

采矿人员被困于井下600m 处，救援深度相对较大。

（5）孔斜精度要求高

井下巷道宽度仅有3m，对孔斜的精度要求较高，终孔偏差不得超过1.5m。由于上部岩层有裂隙发育，容易导致钻孔偏斜。

2.2 施工工艺

针对本次矿难事故实际情况，结合救援钻孔施工难点以及钻探相关的技术要求，本次钻孔采用气动潜孔锤钻进的方式为主，此外，为了避免钻孔出现偏斜，采取了保直防斜纠正措施，时刻监测孔身的偏斜情况，便于及时纠斜。

在钻进过程中，每钻进50m 进行测斜一次，若监测到钻孔偏斜超出限定值，需调整钻进参数进行纠正，调整钻进参数无法纠正时，则立即采用定向钻进的方式进行纠正［14］。

2.3 钻机选配

针对钻探施工实际情况，3 号救援孔采用SL-1000 型钻机进行施工，此种设备受环境因素影响相对较小，对施工场地的要求相对较低，具有安装速度快，钻进效率高等优点。钻机的主要参数见表1。

表1 SL-1000型钻机性能参数Table 1 SL-1000 drilling rig performance parameters

3 钻进工艺参数的确定与优化

在确定钻进参数时，需充分考虑钻进速度与钻孔偏斜两方面的因素，确保钻孔施工的精确与快速，需严把开孔关，提升钻孔偏斜的监测次数，并根据监测结果实时调整钻进参数，确保钻孔的施工达到救援目的［7］。

3.1 钻孔偏斜的成因及控制

3.1.1 钻柱中性点

对于气动潜孔锤钻进而言，其主要是通过静压力（钻压）、冲击力、回转力三种力实现碎岩，利用潜孔锤的活塞冲击钻头，使钻头齿与岩石面充分接触，在一定程度上缓减了潜孔锤及钻具产生的反弹力，这样可将潜孔锤产生的冲击功转移至钻头上。在实际钻进过程中，可根据钻进的深度实时调整钻压，当钻具的重力处于正常的钻压范围内时，钻具的自重形成的钻压进行正常钻进；当钻具的重力超过钻进所需的钻压时，则需利用钻机的液压装置提升钻具，进行相应的减压，防止因钻压过大导致潜孔锤锤头损坏以及偏斜产生。钻柱中性点以上的部分呈拉伸状态，中性点以下的部分即是钻压。中性点距离孔底高度计算公式如下：

式（1）中：LN为中性点到孔底的高度，m；W为钻压，kN；qc为钻具单位长度的重力，kN/m；KB为浮力系数。

基于上述分析可知，在钻压不断增大的情况下，钻柱的中心点逐渐增高，钻柱容易出现弯曲的情况，而且在钻机转盘驱动钻柱发生自转的同时，也容易产生相应的公转，导致钻孔偏斜［8］。因此，本次施工采用“轻压吊打”的方式，将中性点的高度降低，将钻压降低至15kN，将钻柱上的钻压重心降低，以此来避免孔斜。KB可通过下列公式进行计算：

式（2）中：ρd为钻井液密度，g/cm³；ρs为钻柱钢材密度，g/cm³。

通过分析式（2）可知，在ρs固定不变的情况下，随着ρd的增大，KB逐渐减小，此时钻柱的中性点也就越高，容易导致钻孔发生偏斜。但是，由于气动潜孔锤钻进的方式主要以空气作为循环介质，ρd可忽略不计，当KB=1 时，浮力系数最大，LN最小，此时钻柱的重心最低，钻柱不容易出现弯曲的情况，可有效避免钻孔偏斜。

3.1.2 离心力

钻柱绕井眼轴线公转过程中，存在相应的离心力，在此种作用力的影响下，加剧下部钻柱的弯曲变形，钻具产生的离心力计算公式如式（3）所示：

式（3）中：F为离心力，N；m为钻柱质量，kg；v为钻柱旋转速度，m/s；r为钻柱半径m。

分析式（3）可知，在m固定不变的情况下，随着v的增大，F逐渐增大，钻柱越容易出现弯曲的情况，容易造成钻孔偏斜。由于气动潜孔锤钻柱旋转速度相对较低，大约为20r/min，所差生的离心力相对较小，可有效避免钻孔偏斜。

3.1.3 扭矩

在钻进过程中，钻柱尺寸大小、类型等决定着钻柱所受的应力大小。当钻柱与井壁之间的间隙小，并且钻柱的刚性相对较强时，可有效避免钻孔偏斜。此外，在采用凹心式钻头钻进时，由于钻井底部始终保持同凹心式钻头相配的岩石锥形体作为导向，使得钻头能套在岩石锥形体内导向钻进，可有效避免钻孔偏斜，并且钻压小、转速低、钻井液密度小等形成的扭矩也相对较小，均可避免钻孔发生偏斜。

3.1.4 弯曲力矩

在钻压超过临界值的情况下，由于受到离心力与其它作用力的影响，导致钻具出现弯曲现象。由于钻柱受到轴向压力的影响，一旦钻柱变形，钻柱内部便会产生相应的弯曲力矩，进而产生弯曲应力。当钻柱在弯曲情况下绕自身轴线进行旋转时，将会产生交变的弯曲应力。因此，在实际钻进时，需严格控制钻压，避免钻柱产生弯曲，这样才能有效降低钻柱的弯曲力矩，避免钻孔出现偏斜。

3.1.5 钻头

针对抢险救援孔钻进地层的实际情况，在进行3 号救援孔的钻进时，主要通过凹心潜孔锤锤头进行钻进，此种钻头为凹心导向，同心度相对较好，可有效防止钻井进尺造成的孔斜情况。

3.1.6 钻具组合

在实际钻进过程中，钻具同心度也是影响钻进效率的主要因素，在同心率低的情况下，钻具容易出现弯曲，进而导致钻孔弯曲偏斜。为有效避免此种情况出现，决定采用“刚、长、直”的钻具组合原则，组合形式为：Φ311mm 钻头+Φ180mm 潜孔锤+Φ 127mm 钻杆+Φ203mm 钻铤单根（无磁钻铤）+Φ 178mm钻铤单根。

3.2 影响钻进效率因素

3.2.1 钻压

在采用气动潜孔锤进行钻进时，空压机产生的压力用于抵消孔内液体高度产生的背压与钻压所产生的背压。因此，在采用此种方式钻进时，需将钻压控制在合理的范围内。若钻压过大，可能会导致潜孔锤丧失往复运动的动力；若钻压过小，可能会导致气动潜孔锤冲击力不足，进而难以击碎岩石，在一定程度上降低了钻进的效率。针对该工程实际情况，本次施工钻压选择15kN，不仅可确保气动潜孔锤冲击力足以击碎岩石，而且还能有效减少钻孔偏斜。

3.2.2 转速

气动潜孔锤主要是通过冲击回转进行钻进，以此来击碎岩石，由于回转的目的在于改变钻头冲击岩石的部位，防止出现重复冲击的情况，在钻进过程中线速度需控制在合理的范围内。若钻进过程中钻速过高，则钻杆所产生的离心力增大，钻具振动越剧烈，发生倾斜的可能性就越大；若钻进过程中钻速过低，则会造成硬岩破碎难度增大，加剧钻具磨损，严重影响钻进速度，同时还会增大孔径。针对工程实际情况，需将钻进转速控制在20～30r/min范围内。

3.2.3 气量、风压、风量

（1）气量

根据3 号救援孔的井身结构，在施工过程中需严格控制气量，通常潜孔锤气量为30m³/min，钻孔深度较深时一般为60m3/min。值得注意的是，在钻进过程中，需保证孔底无残渣，并检查反渣口是否出现堵塞的情况，若发现堵塞，则在钻进过程中需增大气量与气压。通过增加气量与气压的方式，可有效提升孔内的上返风速，增加孔中残渣的上返动能，进而达到出渣的目的。在通常情况下，当岩屑上返动能大于岩屑的下沉重力、井壁摩擦力钻具摩擦力等时，才可有效排除孔内的碎屑。

式（4）中：E为岩屑的上返动能，J；m为岩屑的质量，kg；v表示岩屑的上返速度，m/s。

基于上述分析可知，在m固定不变的情况下，随着风量增大，风速越高，v越大，E也越大，此时岩屑不易下沉；当v为0 时，E为0，此时岩屑聚集于孔内，加大了排渣的难度，在一定程度上降低了钻进效率，并且可能会造成钻具卡埋的情况。

针对此种情况，可在孔内加入相应的泡沫剂以及泡沫稳定剂，并上下窜动钻具，进而确保孔口返风正常，钻具的活动正常后，再进行钻进工作。在此过程中，增加泡沫剂的目的在于：第一，通过泡沫剂增加岩屑的悬浮力，以此来降低岩屑的下沉重力，使其不聚集在孔内，进而提升孔内的清洁度；第二，通过泡沫剂提升钻孔以及钻具的润滑性；第三，通过泡沫剂将钻进时产生的岩屑分散，避免岩屑在孔内聚集造成钻具卡埋；第四，通过添加泡沫剂可封堵地层间的裂缝，可有效提升井壁的稳固性；第五，通过添加泡沫剂可克服孔内液柱高度产生的背压。而添加泡沫稳定剂的目的在于，避免泡沫在上升过程中因压力减小而破坏，对于防止岩屑下沉，提升钻进速率有着十分重要的作用［9］。

（2）风压、风量

提升冲击器的风压以及风量，可有效提升孔内岩屑的动能。一般可通过在高压循环管路中串联增压机的方式提升风压，通过并联型号相同的空压机提升风压。

风压可通过式（5）进行计算：

式（5）中：p为风压，MPa；Q为每米钻孔的压力降，通常取0.000 15MPa/m；L为钻杆长度，m；Pm为管道压力损失，取值范围通常在0.1～0.3MPa；pc为潜孔锤压力降，MPa；ps为钻孔内水柱压力，MPa。

风量可通过式（6）进行计算：

式（6）中：Q为供风量，m³/min；v为上返风速，m/s；D为钻孔直径，mm；d为钻杆直径，mm。

在通常情况下，上返风速决定风量。本工程在钻进过程中，上返速度约为25m/s，风量为38m³/min，风压为3.2MPa。

由于在钻进过程中突水，液柱压力增大，导致钻进中风压增大，需根据孔径、潜孔锤性能参数以及孔内的突水等情况匹配相应的空压机，本次钻进将2台XH1350型空压机并联供风。

3.3 钻进参数的选择及调整

在实际钻进过程中，钻进参数的选择与调整尤为重要，其直接决定着钻进质量。因此，需结合钻进速度、钻孔偏斜等因素，实时调整钻压、转速、风量、风压等钻进参数（表2）。

表2 钻进参数Table 2 Drilling parameters

4 结论

1）矿山应急抢险救援工作，首先要做到应急救援所需物资、专业技术人员和设备设施的储备充足，钻探设备和施工人员应急反应迅速，并安全及时到达指定位置，快速熟悉地质资料，设计应急救援施工方案。

2）钻探施工过程中，需合理配备钻探设备和钻具组合，采用潜孔锤钻进时需要对钻压、扭矩、钻头、转速、气量、风压、风量等进行实时监测、分析、控制，以控制钻进速度和钻孔轨迹等，达到快速钻探救援的目的。

3）通过本次抢险救援工作，采用以冲击为主、回转为辅的空气潜孔锤钻进，克服硬岩钻进施工难点，相比传统施工工艺，具有钻探进尺快，纠斜能力强，定位准等特点。