摘要
2021年笏山矿难钻孔救援是我国钻孔救援成功的典型案例。由于地层坚硬且裂隙发育，导致钻孔易偏斜且易发生卡钻事故，针对这一特殊情况采用潜孔锤空气泡沫钻进及螺杆马达纠偏等钻进工艺，成功完成了小口径生命保障孔钻探救援任务，同时本文也对生命保障孔、排水孔和大口径救生孔钻探救援技术进行了总结，对今后开展钻孔救援工作提出有待改进的问题和建议。
随着煤矿和非煤矿山开采深度的增加，矿井透水、矿井瓦斯问题已成为制约矿山开发的因素之一。矿山发生灾害事故后，工作人员被困在狭小空间而救援人员又无法靠近事故区域时，除了传统的井下疏通巷道救援外，地面快速钻孔技术为实现快速透巷、快速施救增加了一条有效途
山东省栖霞市笏山金矿设计新建一条混合井和一条回风竖井形成提升、运输、通风、排水等系统，-450 m中段以下采用盲竖井+盲回风井开拓。井下0~-650 m标高内，每50 m为一个中段，共14个中段，其中0 m中段为回风中段。2021年1月10日14时，山东省烟台市栖霞市笏山金矿发生爆炸事故，风井井筒装备部分损坏，阻断井下人员升井，致22名矿工被困井下。事发时，笏山金矿处于基建期，正在进行混合井、回风井间的巷道贯通工程施工。由于回风井井口实施罐笼气割作业产生的高温熔渣块掉入井内，碰撞井筒设施，弹到一中段马头门内乱堆乱放的炸药包装纸箱上，引起纸箱等可燃物燃烧，导致杂乱存放在硐室内的导爆管雷管、导爆索和炸药爆炸。此时，一部分工人在五中段进行支护作业，一部分在六中段安装临时泵站水泵和启动柜。主要救援钻孔位置见
图1 主要救援钻孔位置示意
“1·10”矿难事故发生后，山东省委及烟台市成立了救援指挥机构，组织力量进行救援。12日，现场救援指挥部一方面积极组织井筒修复；另一方面，决定实施地面钻孔救援，布置了小口径生命保障孔、大口径排水孔和大口径救生孔等3类救援钻孔，主要目的是探寻被困人员、输送给养、疏排矿井内积水及打通生命救援通道。17日地面小口径生命保障孔探寻到被困矿工，并输送给养及通讯设备，24日风井清障取得突破性进展，成功将被困人员由风井提升至地面。各救援钻孔参数见
小口径生命保障孔主要目的是探寻井下被困人员，与井下被困人员取得联系，为被困人员提供饮用水、食物、药品等维持生命的基本物品，必要时输送小型音响设备，建起生命支持、心理疏导和医疗指导的通道，为后续救援争取宝贵时间。根据爆炸时矿工在五中段和六中段作业，布置了4个小口径生命保障孔，其中1号孔目标为六中段，2号、3号和4号孔目标为五中段。17日3号孔在五中段探寻到被困矿工，并输送给养及通讯设备；18日1号钻孔顺利贯通六中段但未探测到被困矿工；20日4号钻孔顺利贯通五中段接替3号孔保持与被困矿工的联系并提供给养，同时3号孔顺利完成封孔堵水作业。
小口径生命保障孔施工采用了国外进口的雪姆车载钻机以及国产的车载钻机、水井钻机，钻机的性能参数见
由于矿区钻遇的主要为花岗岩等坚硬的岩石，所以选用空气潜孔钻进工艺。生命保障孔采用三开结构：一开用Ø311 mm潜孔锤钻进穿过覆盖层后下入Ø245 mm护筒，二开用Ø216 mm潜孔锤钻进至距巷道5 m，下入Ø178 mm套管固井，最后5 m地层用Ø152 mm潜孔锤进行透巷。钻孔结构见
图2 生命保障孔钻孔结构
一开：Ø311 mm潜孔锤+Ø178 mm钻铤。
二开：Ø216 mm潜孔锤+Ø178 mm钻铤+Ø114 mm钻杆。
三开：Ø152 mm潜孔锤+Ø121 mm钻铤+Ø89 mm钻杆。
3号钻孔采用正远SL1000型水井钻机利用空气潜孔锤钻进工艺进行施工，钻至521 m距离巷道还有60 m时，停钻测斜发现井底水平位移达7.4 m，而矿井的巷道宽度是3 m，中靶半径是1.5 m，若不采取纠偏措施将无法实现贯穿巷道。受正远SL1000型水井钻机动力头行程限制，其采用的6 m钻杆，无法与现场的定向钻具及随钻仪器配套，所以纠偏作业由雪姆T200型钻机采用“螺杆马达+随钻测斜仪（PMWD）”定向钻进方法完成。纠偏完成后，为了避免透巷时孔内泥浆涌入巷道，先利用空压机将孔内泥浆吹出，然后采用空气潜孔锤钻进工艺在井深580 m处顺利贯通巷道。
4号钻孔同样也采用空气潜孔钻进工艺。为了控制井底位移量，严格控制钻压，保证钻压中合点落在钻铤上，同时加快动力头的转速，使得钻孔轨迹为一条螺旋线，确保将井底位移量控制在一定范围内，最后成功透巷。通过测量，4号孔孔底位移仅有0.14 m。在井深420 m处，钻遇破碎带，裂隙发育但出水量不大，采用潜孔锤空气泡沫钻进工艺顺利穿过破碎带。在井深582 m处，顺利贯通巷道。该孔采用空气潜孔锤钻进工艺一次成孔，无需纠偏，实现快速、安全、精准的钻进目标。
爆炸发生后，矿井的排水系统遭到破坏，如果矿井内的积水不能及时排出水，将会威胁被困矿工的生命安全，因此指挥部布置了7号和8号地面大口径排水孔，主要目的是通过钻孔排水，排出被困区域的矿井积水，为营救灾区被困人员创造条件。
为了争取宝贵的救援时间，一开采用Ø580 mm正循环单体潜孔锤进行钻进，待泥浆泵组、固控设备及地面管汇连接好后，下入孔口管进行二开钻进。排水孔采用三开结构：一开孔径为580 mm，下入Ø508 mm孔口管，二开孔径为445 mm，下入Ø340 mm石油套管，三开（透巷）孔径为311 mm。钻孔结构见
图3 大口径排水孔钻孔结构
钻具组合：
一开：Ø580 mm潜孔锤+Ø203 mm钻铤。
二开：Ø445 mm三牙轮钻头+单弯螺杆+Ø203 mm钻铤+Ø127 mm钻杆。
三开：Ø311 mm PDC钻头+Ø203 mm钻铤+Ø127 mm钻杆。
7号钻孔设计井深637 m，于20日开钻，一开采用Ø580 mm正循环单体潜孔锤钻进，为了保证开孔垂直度以便孔口管顺利下入井中，钻进过程中严格控制钻压，实施“吊着打”。钻进至18 m深时，泥浆泵组、固控设备及地面管汇已连接好，接着下入Ø508 mm孔口管，然后采用泥浆钻进工艺钻进二开井段，同时采用2台3NB-F1300泥浆泵组并泵来加大排量从而提高泥浆上返速度。24日上午，风井清障取得突破性进展，指挥部下达停钻指令，此时7号孔钻至井深210 m。
8号钻孔设计井深637 m，采用与7号一样的钻进工艺。于22日开钻，一开采用Ø580 mm正循环单体潜孔锤钻进至井深8 m，下入Ø508 mm孔口管，然后采用泥浆钻进工艺钻进二开井段，24日上午，风井清障取得突破性进展，指挥部下达停钻指令，此时8号孔钻至井深56 m。
爆炸发生后，风井井筒装备部分损坏，阻断井下人员升井。为了确保被困人员能顺利升井，指挥部一方面积极组织救援人员修复风井井筒，计划从风井井筒将被困人员提升至地面；另一方面组织钻机在地面施工10号大口径救生钻孔至5中段，直接通过10号钻孔提升营救井下被困人员。
大口径救生孔采用三开井身结构，一开：Ø1000 mm，下Ø900 mm护壁管；二开：Ø711 m，下Ø600 mm套管，三开：Ø580 mm，裸孔。钻孔结构图见
图4 大口径救生孔钻孔结构
钻具组合：一开：1000 mm旋挖钻头，接Ø316 mm旋转钻杆。二开：Ø711 mm潜孔锤+正反循环接头+Ø680 mm扶正器+Ø279 mm双壁钻铤+Ø219 mm双壁钻杆，接空气反循环动力头。三开：Ø580 mm潜孔锤钻头+正反循环接头+Ø279 mm双壁钻铤+Ø219 mm双壁钻杆，接空气反循环动力头。
10号钻孔设计井深579 m，于20日开钻，一开采用Ø1000 mm旋挖钻头钻进，钻进至18 m深时见基岩，接着下入Ø900 mm孔口管，然后采用Ø711 mm正循环潜孔锤配合正反循环转换接头、多层橡胶封堵器来实现空气潜孔锤反循环钻进工艺钻进二开井段。如
图5 多层橡胶封堵器气动潜孔锤反循环钻进工艺示意
1-双壁钻杆；2-正反循环转换接头；3-多层橡胶封堵器；4-气动潜孔锤
（1）救援中无法对矿井遇险人员进行精准探测定位，生命保障孔布置和轨迹设计依据不足、救援孔定位精度差，透巷发现遇险人员几率低，建议开展适用于矿山灾害事故应急救援的遇险人员定位技术及装备研究。
（2）3号生命保障孔利用泥浆钻进工艺完成纠偏作业后，转换为气动潜孔锤钻进工艺耗时6 h，影响救援速度，建议开展适用于矿山灾害事故应急救援的气动螺杆定向钻进技术及装备研究，实现快速、精准、安全钻进小口径生命保障孔。
（3）7号和8号排水孔主要采用常规油气井钻井工艺试算，机械钻进速度仅为2 m/h，不能满足应急救援要求，在提高机械钻速、优化井身质量等方面存在很大提升空间，建议开展矿山灾害事故应急救援的排水孔快速钻进技术及装备研究。
（4）本次钻井救援中出动近10台钻机，但大部分是油气勘探开发、固体矿产勘探、水文水井钻凿等领域的钻进技术装备，存在钻井周期长、效率低、标准不统一等问题，给钻井救援带来极大挑战，建议开展矿山灾害事故应急救援专用钻井技术装备研究，统一钻井救援的技术装备标准。
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