大孔径钻井技术在矿山灾害救援中的应用

近年来，随着矿山开采不断向纵深发展，安全供应事故发生的趋势尽管有所减弱，但重大事故时有发生。瓦斯爆炸、老窑透水、底板突水、顶板冒落等仍然是煤矿供应的主要灾害。当事故灾害发生后，救援人员无法靠近实施救援时，钻孔救援成为救援工作的首要选择，通过地面钻孔与井下被困人员取得通信联系；为井下输送氧气、食物、药品等救援物资；通过大孔径提升救生以及通过地面钻孔给灾区灌注水和黄土泥浆进行灭火等。基于以上优势，钻孔救援在矿山应急救援中占有举足轻重的位置。

钻孔救援国内外发展现状

1）国外钻孔救援发展现状

2002年7月24日，美国宾夕法尼亚州QUECREEK煤矿发生透水事故，井下9人被堵在采掘工作面，距离地面300米，当局应用快速钻机从地面进行救援，首先采用外径152mm的钻头48小时完成一口探孔施工，用小钻孔给被困人员供养，实现与被困人员通讯联系，之后采用外径660mm的钻头施工救生孔，采用下放提升舱的方式经过9昼夜的奋斗成功将9人全部救出地面。

2003年1月16日澳大利亚西部霍尔斯克里克一煤矿发生冒顶事故，并伴有含水地层涌水事故，有两名矿工被困井下，当局使用快速钻具在26小时内钻进287m，准确透巷并与2名被困人员取得联系，最后实施扩孔，下放救生舱将2名人员成功解救。

2010年8月5日，智利北部阿塔卡马沙漠中一处名为圣何塞的铜矿发生塌方事故，导致在井下作业的32名智利籍矿工和一名玻利维亚籍矿工被困与700深的井下。第一阶段直径108mm 的钻孔打通被困矿工所在的巷道，利用石油勘探钻孔测孔窥视仪等物探设备与井下建立了视频通讯联系, 投送食物、药品和生活物资，二阶段采用大直径钻孔实施营救措施，利用第一阶段已形成的108mm 钻孔扩大孔径至308mm, 再次扩至660mm，10月9日, 钻孔打通后为处理地质破碎带采用了套管护壁措施,下放救生舱最终的通过救援钻孔将被困人员就出。

智利圣何塞铜矿钻孔成功救援案例是矿山应急救援史上被困人员生存获救的新纪录，标志着国际矿山救援能力的新水平，也可以说钻孔救援将成为矿山事故应急救援技术发展的新途径。也使钻孔救援技术引起了社会的广泛关注，成为当今应急救援发展的一个热点。但其作为一项救援的技术措施尚处于探索起步阶段。

2）国内钻孔救援发展现状

我国在2010年神华骆驼山煤矿“3•1”透水事故、华晋焦煤公司王家岭煤矿“3•28”透水事故中，分别采用了地面钻孔探测和井下钻孔排水措施，取得了一定效果。但在目前，我国的矿山灾害钻孔救援还仅处在小孔径救援方面，能够满足救援时的输送营养液、通风、排水、输送通讯工具方面，满足大孔径人员救援的前提条件，但作为大孔径提升舱救援，国内还没有成功案例，仅在个别煤矿做过避难硐室大孔径人员提升演练。但是大孔径要成为矿山应经救援技术还未成熟，还有很长的路要走。

国内钻孔救援技术发展

国内救援单位通过引进先进救援装备和探索救援钻进技术，通过近十几年的发展，在小孔经钻孔救援技术方面有一定的进展，在关键技术方面有一定的突破。

1）  空气潜孔垂/泡沫快速钻进技术

    在地质条件稳定、出水较少的地方开展救援钻孔施工时，可以用潜孔锤进行救援施工，但是在稳定性差的复杂地层及水位较高地层实施钻孔救援时，就需要采用潜孔锤与泡沫相结合的方式进行救援施工。

在钻进过程中把泡沫剂注入到压缩空气中，混合形成大量稳定空气泡沫，作为循环介质。由于空气泡沫上升能力强，因而改善了悬浮、携带岩屑的效果。由于空气泡沫介质的密度低，在钻探供应实践中效率大幅提高。它不仅可支撑孔壁松散岩层，使之相对稳定，而且在遇到地下水时，可成功进行潜孔锤钻进。因此，可用于复杂地层条件下的救援钻孔钻进。该项技术在2010年内蒙骆驼山3·1煤矿抢险和2010年3·14王家岭矿难中都得到实际应用，并取得良好效果。

2）  PDC钻头与螺杆组合钻进技术

PDC钻头与螺杆配合使用是钻井中钻进速度最快的方法之一，近年来螺杆钻具的质量不断提高，寿命大大加长，所以和PDC钻头配合使用，可以充分发挥PDC钻头的效能。另外螺杆钻具与PDC钻头配合使用进一步提高了PDC钻头在井底的转速，达到快速切削岩石的目的，提高了钻速，而且在采用该项技术钻进的同时可以做到及时纠正井身轨迹。

3）救援钻孔定向钻进技术

救援钻孔地面井口位置确定后，即可实施钻孔救援施工，但在钻进过程中，受地层等各种因素的影响，钻孔轨迹会发生偏斜，导致钻孔最终钻不到目标救援位置，达不到救援目的。运用定向技术能够有效的解决这一问题，钻进中及时发现偏斜及时纠斜，使钻孔始终在竖直位置上，并最终钻达目标救援位置。此外还有一种情况，当地面钻孔定位后，钻孔点正好处在障碍物、建筑物等位置，此类障碍物无法移除，为避开障碍物，只能另择钻孔位置，并采用定向钻进技术造斜钻进至救援目标位置。

钻孔救援技术展望

虽然我国在钻孔救援方面取得了一定的进展，近年来引进和研发了一些的高效车载式钻机，目前正在为七支建设中的国家矿山应急救援队配备最先进的大型钻机等救援装备，但把钻孔技术发展成为矿山救援抢险的一)有效的救援手段，还应加强一下方面的发展。

1）  完善矿山灾害救援预案

完善的矿山灾害救援预案可以有效的维护社会的稳定与和谐，规范应急救援管理，及时有效地组织实施应急救援工作，最大程度地减少人员伤亡、财产损失，维护人民群众的生命安全和社会稳定。

2）不断探索钻井新技术、提高钻井速度

目前的钻井技术已经有一定的发展，但还应该不断探索钻井新技术，以应对复杂的钻井情况和地质情况，提高救援效率，如气举反循环技术、潜孔垂反循环技术、复杂底层条件的快速钻进技术等。

3）加强矿山灾害救援理论知识培训

矿山抢险救援队伍除了具备必要的救援钻探技术，还应该掌握煤矿灾害理论知识，如灾害类型、灾害发生原理等。因为如果在救援过程中根据不同灾害类型，救援措施采取不当不仅达不到目的，还会危及被困人员生命，甚至引发次生事故。

另外除了矿山灾害类型培训之外，还要定期对钻孔救援技术、钻孔救援装备进行培训，并做定期演练。

4）大孔径救援技术

当事故灾害发生后，救援人员无法靠近实施救援时，钻孔救援成为救援工作的首要选择，特别是在井下无法实施救援时，通过地面大孔径钻探实施救援就成为救助井下被困人员最有效的手段，因此大孔径钻孔救援在矿山应急救援中占有举足轻重的位置。

本文作者：

王越   孙红波

北京大地高科煤层气科学技术研究院  北京100161

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