摘要
矿山事故发生后，首先救人。如果井筒或巷道遭到破坏，救援人员要想到达井下事故现场，必须清理井筒、巷道，如清理所需时间长，危险性高，则必须果断采取地面钻井救人的方法。先钻小眼井，贯通巷道，保障被困矿工生命，包括送风、送给养、送药品、通讯等，称为生命通道；然后，钻进大眼井，实施地面钻井垂直救援，称为救生通道。以栖霞笏山金矿救援1号孔为例，介绍生命通道的钻井工艺技术。
通过矿山地面钻探实施矿山救生时，须首先快速贯通小井眼生命通道，探测生命迹象、送风、送给养、送药品、建立联络。救援工程中，时间就是生命，救援钻井的特点是高效、精准、安全。必须最大限度提高钻进效率［1-2］，缩短辅助时间，争取救援时间。科学地设计井眼轨迹，并在钻进中精准控制［3-4］。生命通道贯通前，必须有效隔阻上覆含水层及井眼内的泥浆，避免含水层的水或井筒内泥浆进入巷道，对被困人员造成二次伤害。然后，钻进大眼井［5-8］，实施地面垂直救援［9-11］，此为救生通道。
2021年1月10日13时13分许，山东五彩龙投资有限公司栖霞市笏山金矿在基建施工过程中，回风井发生爆炸事故，造成22人被困。经全力救援，11人获救，11人死亡 ［12］。本次救援中，山东省煤田地质局第二勘探队承担了1号、9号2个生命通道孔的抢险救援施工任务，受地面场地限制，2孔均须设计为定向井，其中1号孔靶点水平位移约5.2 m。凭借高性能设备、先进的工艺和过硬的技术，轨迹设计合理，控制精准，止水效果完好，钻进效率高，受到了现场救援指挥部的高度评价。以1号孔为例，介绍生命通道的钻井工艺技术。
（1）表层10~20 m为矿井、巷道掘进中运出的岩石碎块及第四系地层。下部为古元古代粉子山群祝家夼组，其上部为长石石英岩、黑云变粒岩夹透闪长石石英岩，下部为黑云片岩、黑云变粒岩、透闪变粒岩夹透镜状透闪透辉大理岩，地层硬度高且研磨性强，适宜空气潜孔锤钻进［13］。
（2）金矿的矿化带位于断层内，而巷道沿矿化带开掘，地层破碎易“卡钻”。
（3）岩层有节理，钻孔易偏斜。
（4）地层裂隙比较发育，局部沟通多层含水层。
（5）由于场地所限，钻孔只能设计为定向孔。为精确控制轨迹，必须随钻测量，用1.5°螺杆，滑动钻进+复合钻进，无法采用冲击回转钻进。
（6）地层坚硬，研磨性强，时效降低，同时造斜率低，又需要造斜进尺多，导致造斜时间长。
（7）透巷前，必须下套管并进行有效的止水，防止把地层水导入巷道，危及被困人员，井眼曲率必须满足下套管的需要。
1号孔作为生命通道，其井身结构和技术要求见表1。井身结构见图1。
| 开次 | 井深/m | 井径/mm | 套管/mm | 技 术 要 求 |
|---|
|
一开 |
0~20 |
311.1 |
273 |
直井，空气钻进，下套管隔离第四系及地表堆积的碎石层，保护井口 |
|
二开直井段 |
20~530 |
220 |
177.8 |
直井，空气钻进，大幅提高纯钻效率，为缩短全井钻进时间，尽量增大 直井段长度，但须满足定向段的要求 |
|
二开定向段 （水平位移5.4 m） |
530~608 |
215.9 |
定向钻进段，必须保证准确透巷；井眼曲率必须满足套管能顺利下入； 止水质量要好，防止透巷后地层水进入巷道；尽量不固井，采用替代 方式止水，节省救援时间 |
|
三开 |
608~628.82 |
152.4 |
裸眼 |
空气钻透巷，吹出井筒内的水，防止井筒内水进入巷道 |
采用的主要钻井设备与工具见表2。
| 序号 | 名 称 | 数量 |
|---|
|
1 |
Schramm T130XD多工艺车载钻机 |
1台 |
|
2 |
Sullair空压机（1250/1525） |
2台 |
|
3 |
F-500型泥浆泵（含动力） |
1台套 |
|
4 |
Ø311.15 mm潜孔锤 |
1套 |
|
5 |
Ø220 mm潜孔锤 |
2套 |
|
6 |
Ø152.4 mm潜孔锤 |
1套 |
|
7 |
Ø165 mm钻铤 |
6根 |
|
8 |
Ø165、121 mm无磁钻铤 |
各1根 |
|
9 |
Ø89 mm钻杆 |
800 m |
|
10 |
Ø165、Ø127 mm螺杆 |
各1根 |
|
11 |
电子单点测斜仪 |
1套 |
|
12 |
MWD无线随钻测斜仪 |
1套 |
空气钻空压机采用寿力多功能空气压缩机，该压缩机采用双工作模式，即大风量低风压及低风量高风压模式，实际使用过程中，依据现场钻进情况，及时调整工作模式，确保持续稳定工作。作为空气钻进的关键设备空压机，关系到钻进的安全和效率，必须持续稳定地提供足够的风量、风压。寿力公司2名服务主管在现场提供技术服务，制定了空压机运行保障方案。所有寿力设备到场后进行检查，使用过程中每小时巡检，易损件配备充足，非易损件保证随时发货。
井眼设计井眼轨道数据见表3，投影图见图2、图3。
| 井深/m | 井斜/（°） | 方位/（°） | 垂深/m | 〔北(＋）/南（－)〕/m | 〔东(＋）/西（－)〕/m | 视位移/m | “狗腿”度/〔(°)/·（30 m)-1〕 |
|---|
|
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
|
530.00 |
0.00 |
0.00 |
530.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
|
566.90 |
3.69 |
305.48 |
566.87 |
0.69 |
-0.99 |
1.19 |
3.00 |
|
628.97 |
3.69 |
305.48 |
628.82 |
3.01 |
-4.22 |
5.18 |
0.00 |
实钻轨迹见表4。实钻井眼轨迹见图4、图5。轨迹控制措施：
| 井深/m | 井斜/(°) | 方位/(°) | 垂深/m | 〔北(＋）/南（－)〕/m | 〔东(＋）/西（－)〕/m | 视位移/m | “狗腿”度/〔(°)/·（30 m)-1〕 |
|---|
|
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
0.00 |
|
31.39 |
1.10 |
270.70 |
31.39 |
0.00 |
-0.30 |
0.25 |
1.05 |
|
60.02 |
0.75 |
290.50 |
60.01 |
0.07 |
-0.75 |
0.65 |
0.49 |
|
97.77 |
0.40 |
294.70 |
97.76 |
0.21 |
-1.10 |
1.02 |
0.28 |
|
126.64 |
0.40 |
249.60 |
126.63 |
0.22 |
-1.29 |
1.18 |
0.32 |
|
155.83 |
0.48 |
249.30 |
155.82 |
0.14 |
-1.50 |
1.30 |
0.08 |
|
184.19 |
0.62 |
259.60 |
184.18 |
0.07 |
-1.76 |
1.48 |
0.18 |
|
212.85 |
0.79 |
268.70 |
212.84 |
0.04 |
-2.11 |
1.74 |
0.21 |
|
241.64 |
0.79 |
281.40 |
241.62 |
0.08 |
-2.50 |
2.08 |
0.18 |
|
269.69 |
0.53 |
293.20 |
269.67 |
0.16 |
-2.81 |
2.39 |
0.31 |
|
298.43 |
0.26 |
323.00 |
298.41 |
0.27 |
-2.97 |
2.58 |
0.35 |
|
327.10 |
0.26 |
67.50 |
327.08 |
0.35 |
-2.95 |
2.61 |
0.43 |
|
355.86 |
0.22 |
124.80 |
355.84 |
0.34 |
-2.85 |
2.52 |
0.24 |
|
384.84 |
0.13 |
204.30 |
384.82 |
0.28 |
-2.82 |
2.45 |
0.24 |
|
413.15 |
0.26 |
217.60 |
413.13 |
0.20 |
-2.87 |
2.45 |
0.15 |
|
442.23 |
0.40 |
197.10 |
442.21 |
0.05 |
-2.94 |
2.42 |
0.19 |
|
471.11 |
0.35 |
217.20 |
471.09 |
-0.12 |
-3.02 |
2.39 |
0.15 |
|
509.05 |
0.26 |
178.10 |
509.03 |
-0.30 |
-3.09 |
2.34 |
0.18 |
|
518.78 |
0.13 |
218.50 |
518.76 |
-0.33 |
-3.09 |
2.33 |
0.56 |
|
528.46 |
0.62 |
330.60 |
528.44 |
-0.29 |
-3.13 |
2.38 |
2.11 |
|
532.00 |
1.63 |
331.80 |
531.98 |
-0.23 |
-3.16 |
2.44 |
8.56 |
|
538.03 |
2.46 |
334.00 |
538.01 |
-0.04 |
-3.26 |
2.63 |
4.15 |
|
547.74 |
3.21 |
334.80 |
547.70 |
0.40 |
-3.46 |
3.05 |
2.32 |
|
556.87 |
2.77 |
341.10 |
556.82 |
0.84 |
-3.64 |
3.45 |
1.80 |
|
566.58 |
2.68 |
340.60 |
566.52 |
1.27 |
-3.80 |
3.83 |
0.29 |
|
576.23 |
2.64 |
343.40 |
576.16 |
1.70 |
-3.93 |
4.19 |
0.42 |
|
586.00 |
2.55 |
346.10 |
585.92 |
2.12 |
-4.05 |
4.53 |
0.47 |
|
628.00 |
1.50 |
344.00 |
627.89 |
3.56 |
-4.43 |
5.67 |
0.75 |
（1）直井段加足钻铤，同时控制钻压，发挥冲击回转钻进的防斜作用，确保直井段的垂直度，为定向造斜创造条件。
（2）直井段加密测斜，每30~50 m用单点测斜仪测斜1次。
（3）改定向钻进下钻过程中，连续测量顶角、方位，准确掌握井眼轨迹，为修正轨道设计提供可靠依据。
（4）定向钻进时，采用MWD随钻测量。
潜孔锤钻进工艺是利用压缩空气驱动冲击器活塞，以较大的冲击功和高频冲击潜孔锤钻头，使岩石破碎所产生的岩屑被高压空气携至地面。由于是通过锤击破碎，不依靠研磨或切削，故潜孔锤钻进工艺比常规钻进工艺具有钻进效率高、钻头寿命长、钻井质量好的特点。是一种高效钻井手段，特别适宜中硬-硬岩层钻进［14］。
| 井段 | 钻头 | 工艺方法 | 钻具组合 |
|---|
|
直井段 |
潜孔锤 |
空气潜孔锤正循环 |
潜孔锤+冲击器+Ø165 mm钻铤+Ø121 mm钻铤+Ø89 mm钻杆 |
|
定向钻进段 |
牙轮钻头 |
牙轮清水正循环 |
牙轮钻头+螺杆+Ø165 mm无磁钻铤+Ø165 mm钻铤+Ø121 mm钻铤+ Ø89 mm钻杆 |
| 孔径/mm | 311.1 | 219 | 215.9 | 152.4 |
|---|
|
钻压/kN |
30 |
|
|
|
|
转速/(r·min-1) |
30 |
|
|
|
|
排量/（m3·min-1） |
43 |
60 |
|
|
|
泵量/（L·min-1） |
|
|
30 |
|
|
小时效率/（m·h-1） |
25 |
30 |
3 |
30 |
|
钻进工艺 |
空气潜孔 锤正循环 |
空气潜孔 锤正循环 |
牙轮清水 正循环 |
空气潜孔 锤正循环 |
（1）直井段。生命通道钻孔依据矿井巷道的分布情况，布置孔位较多，要求钻进施工高效（钻进效率高、定向钻进精准）［15］。为争取时间，提高钻效，采用空气冲击锤钻进工艺，地层出水时，若出水量小，加入泡沫剂，改用空气泡沫钻进，以利于岩屑排出，保障钻进安全［14］。出水量过大，无法实施空气钻进时，更换清水或泥浆钻进，同时添加堵漏材料进行随钻堵漏。为加快钻进速度，争取救援时间，不采用停钻堵漏工艺。
（2）定向段泥浆钻进。鉴于岩层坚硬、井壁稳定，用清水代替泥浆，同时使用高效长寿命牙轮钻头，提高时效缩短定向钻进时间。遇井漏添加堵漏材料进行随钻堵漏。
透巷前必须下套管，并进行有效的止水，避免地层水进入巷道，危及井下人员安全。
考虑到巷道顶板的岩石强度，在距离巷道顶10 m停止二开钻进，并下套管。为节省宝贵的救援时间，不采用水泥浆固井，采用多级止水伞（止水伞内径177.8 mm，外径260 mm）止水，同时底部缠膨胀橡胶、海带，确保了止水效果。后期下入生命探测仪时可看到，井内无水进入巷道，说明此方法止水非常成功。
透巷采用空气潜孔锤吹出井筒内的钻井液，避免井筒内的钻井液进入巷道，同时能确保快速透巷。临近透巷前，降低钻速确保井内清洁，然后减少1台空压机，以小风量透巷，避免对井下被困人员造成冲击。
（1）整个钻孔从开钻到完钻用时116 h，由于现场条件所限，辅助时间较多，扣除辅助时间，空气潜孔锤钻进时效30 m/h，钻井液回转钻进约3 m/h，基本实现了在坚硬且强研磨性花岗片麻岩的高效钻进。透巷后证明，轨迹控制精准，止水效果可靠。
（2）定向钻进必须用螺杆，但由于螺杆的转速高，不能配冲击器采用冲击回转钻进，而只能用回转钻进，影响硬岩的钻进速度。
（3）若采用空气螺杆和电磁波随钻测量系统EMWD，则可减少钻井泵、固控设备等泥浆钻进的设备和材料，这在时间紧、场地受限的救援现场是必要的。在煤层气水平井钻进中，空气螺杆则能最大限度地保护煤层的透气性。
（4）建议尽快制定出台矿山钻探应急救援的行业标准，以指导救援工作。该类标准在国内外尚属空白。
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