浅谈井下钻探主要危险因素辨识及防治措施

2013-09-27孙天学陈遵义王秋旺郭振华

采矿技术 2013年1期

孙天学，陈遵义，王秋旺，郭振华

（五矿邯邢矿业邯郸地质勘查有限公司，河北邯郸市 056107）

0 前言

钻探技术是获得地下蕴藏的真实地质资料和直接信息的一种技术。通过钻探可对所取得的地质和矿产资源参数作出评价（李树德等，2007）。在矿山开采过程中，井下钻探发挥着至关重要的作用，一方面可以获得可靠的地质资料，为矿山的采矿设计提供依据；另一方面井下钻探已纳入了井下生产，是井下开拓工程必不可少的工序之一，再加上井下钻探相对于坑探来说具有成本低、操作方便等特点，在矿山得到了广泛推广和应用［1］。

随着我国经济的发展，对矿山资源的开采步伐也在加快。许多老矿山经历了多年开采，资源日趋紧张，探采深部资源迫在眉睫。然而由于深部地质条件相对复杂，矿山在探采深部资源的同时，也面临着严峻的安全问题。由于受场地及施工环境等因素的影响，井下钻探施工也面临着各种危险因素的威胁，如断钻、冒顶、突水等，如何辨识各种危险因素并采取相应的预防措施，值得探讨。

1 井下钻探事故统计分析

对公司2000～2009年井下钻探事故类型进行了统计分析，主要为孔内事故（折钻、烧钻）、地压危害（冒顶、片帮）和水害，其中孔内事故又是三类事故中常发生的。

事故统计数据表明，孔内事故主要发生在地质条件相对复杂地段，特别是在软岩层、断层破碎带钻进时，易发生折钻和烧钻，这也符合复杂地层对钻探的影响。冒顶片帮事故主要发生在采场进路的顶板和拱脚处钻探施工中，是由于围岩受钻进扰动，其应力重新分布或是破坏了岩体整体结构等方面的原因，若钻探人员没有及时撤离或空区冒落时形成空气冲击气浪冲击井下钻探人员，则会造成采空区顶板冒落伤人或拱脚片帮伤人事故。水害主要发生在超前探水（矿区稳定水位下）期间，由于孔口装置安装不合格或施工地点地质条件复杂，大量空区水或构造裂隙水沿钻孔或裂隙处瞬间高压释放，井下钻探人员没能及时撤离则引起事故的发生。

2 主要危害因素分析及辨识

2．1 孔内事故危害

2．1．1 事故发生原因分析

井下钻机类型各异，公司使用的井下钻机主要为KY－200全液压坑道钻机、HD－150全液压坑道钻机、XY－2岩心坑道钻机及履带式双臂液压凿岩台车等，以上钻机主要被用于进行探矿、探空区、超前探水、采场中深孔施工及井下各种工程孔的施工等，钻探施工深度较浅，孔深一般不超过200m。通过对公司2000～2009年井下孔内事故进行统计分析，井下钻探事故的原因主要有以下几种。

（1）没有选择合理的钻进参数，这是引起事故的主观原因。钻机的钻进参数是指钻压、钻速、冲洗液（一般为水或空气）。当钻机钻进到软岩层或断层破碎带时，特别是施工上斜孔时，孔壁易坍塌，同时对钻杆施加了一定的力，而操作人员在没有察觉的情况下，继续对钻杆施加钻压，在复合力的作用下，钻速没有减缓，钻杆就会发生弯曲断裂。当钻具被岩屑等堵塞时，冲洗液无法正常循环，钻头不能被及时冷却，若继续钻进，很容易发生烧钻事故。

（2）地质条件相对复杂。主要是指岩层蚀变段、断层破碎带、岩溶等构造发育段，当钻进到该层段时，孔壁易发生坍塌，从而引发折钻、烧钻等事故。

（3）钻探设备老化，管材质量不合格。

（4）钻探操作人员违章作业。没有按规程操作，现场注意力不集中，在钻探异常发生的同时没有察觉而贻误了采取相应对策的时机。

2．1．2 事故危害分析

孔内事故危害是施工单位需要解决的重要难题，是影响井下正常生产的危害因素之一。

（1）孔内事故影响钻孔的施工质量，增加了施工成本，贻误了工期，从而顺延了其它工程的施工，给矿山的正常生产带来一定影响。

（2）危及人身安全。孔内故障的情况看不到、摸不着，全凭经验判断来决定采取处理方法，如处理事故不科学，操作不好就会伤人［2］。

（3）损失钻机设备。当发生折钻或烧钻等事故时，如果事故处理不顺，遗留在孔内的钻杆可能无法打捞上来，给施工方带来一定的经济损失。

2．1．3 孔内事故辨识

钻探施工人员在现场只要注意力集中，凭借其操作熟练程度和经验，可以对孔内事故进行辨识。

（2）钻具摇摆严重，回转吃力，提动困难且孔内有异常响声；

（3）孔口冲洗液突然中断或泵压升高；

（4）钻具上附有大量堵塞物，应及时清理［3］。

2．2 地压危害分析及辨识

地压危害问题是矿山急需解决的难题，同时也是井下钻探需要高度关注的安全问题。井下钻探人员要严格遵守操作规程，提高技术操作水平，不断探索各种钻探新工艺的试验研究，合理选择各钻进参数，配合矿山加强地压的安全管理，摸索地压发生的规律，从而采取相应的预防措施，以减少安全事故的发生。

2．2．1 巷道围岩变形和破坏原因分析

该公司井下钻探施工的矿床为矽卡岩型矿床，该类型矿床是指产在中酸性（少数情况下可以是酸性或基性～超基性）侵入岩、火山岩与碳酸盐类岩石或其它岩石接触带或其附近岩石中的矿床（薛春纪等，2006）。矿床顶板一般为奥陶系灰岩，该岩层节理较发育，但稳固性较好；矿体为致密块状磁铁矿，矿层完整体性好，稳固；底板为矽卡岩和闪长岩，由于受构造影响，该岩层局部发生蚀变，强度降低，岩层稳定性极差。发生巷道围岩变形层段主要为矽卡岩段和蚀变闪长岩段。

辛北尔康普(Siempelkamp)公司与Action Tesa公司在几年前的IndiaWood展会开始合作。

由于岩层蚀变后强度明显降低，钻探在该区段施工时，钻杆旋转对岩层有一定扰动，再加上节理裂隙发育，局部支护不及时，岩层应力集中处很容易释放，从而发生巷道变形。

2．2．2 采空区顶板冒落原因及危害分析

采空区顶板冒落是矿山主要的危险因素，特别对于矽卡岩型矿床，由于接触带岩性一般强度较低，在岩石受扰动后很容易破坏，从而发生应力释放。岩体冒落主要取决于岩性与结构面。由于空区的位置、形成的时间、围岩的稳固程度等不同，造成的危害形式也不同。在复杂空区矿体中，空区冒落危害有以下几种形式：

（1）空区冒落时形成空气冲击气浪冲击井下人员；

（2）空区底部冒落危及上部作业人员；

（3）空区顶板落块或冒落引起的滚石碰砸邻近作业人员［4］。

2．2．3 地压危害辨识

发生地压危害的条件，一是地压应力的释放一般要有一定的高差和时间，围岩发生变形时有异常声响；二是地压危害发生时钻探人员正在危险区施工。因而，钻探人员在地压危害发生前要及时辨识并撤出危险区。

2．3 水害分析及辨识

2．3．1 水害分析

井下钻探人员在富水矿区深部（稳定水位）进行超前探水，由于地质条件等多种因素的影响，钻探人员面临着空区突水、构造裂隙突水的威胁。

（1）民采空区水害。该公司井下钻探施工的矿山，大都经历了多年开采，矿区长期遭受周围民采矿井的非法盗采。民采掠夺式的无规划、无设计的私采滥挖，遗留下了大量不明采空区。这些采空区形成之后，在有水源补给的情况下，长年累月逐渐汇集，使采空区大量积水，对矿山的安全生产形成了严重威胁。同时，由于这些民采采空区开采很不规范，越层越界现象严重，分布无规律，地表无痕迹，积水范围、积水量无据可查，给矿山防治水工作带来了极大的困难［5］。

（2）构造裂隙水害。由于矿床受构造影响，矿区内的含水岩层奥陶系中统灰岩裂隙、岩溶较发育，且含有一定量的构造裂隙水，对钻探施工有一定的威胁。

（3）大气降水水害。矿山大都经历了多年开采，对地表生态环境有一定的破坏，特别是越界的民采空区，采矿后没有对采空区及时进行充填，造成了地表不同程度的塌陷及形成了大小不等的地裂缝，为大气降水向矿坑渗透提供了通道，在雨季易引发矿井回灌，从而引起水害的发生。

2．3．2 水害辨识

水害是威胁井下钻探施工的主要危险因素，根据多年的生产实践，对水害的辨识总结了以下几点：

（1）围岩发出异常声音且周围水气变浓；

（2）钻机钻进过程中钻杆突然进尺迅猛，压力表突然增大，钻孔中有“臭鸡蛋”味气体逸出。