某垮塌矿区大直径救援钻孔旋挖钻进施工技术

2016-07-04宋钢锁

地质装备 2016年3期

关键词：救援钻孔

宋钢锁

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁　272100； 2.山东省华鲁工程总公司，山东济宁　272100)

某垮塌矿区大直径救援钻孔旋挖钻进施工技术

宋钢锁1,2

(1.山东省鲁南地质工程勘察院，山东济宁272100； 2.山东省华鲁工程总公司，山东济宁272100)

摘要：山东某石膏矿发生垮塌事故，多人被埋井下。由于救援人员通往井下的通道被堵死，利用巷道进行救援很难实施，为避免次生事故，决定采用大口径钻机打孔救援方案。在救援过程中，多台钻机相互配合，旋挖钻机钻进上部孔段，多功能钻机钻进下部孔段。钻到最终深度后，成功地将被困人员救出，创造了中国矿山救援史上第一个通过地面打孔救援的案例。本文主要介绍了旋挖钻机在大直径救援孔成孔过程中相关的技术措施。

关键词:旋挖钻机；垮塌；大直径；钻孔；救援

0前言

2015年12月25日，山东省平邑县某石膏矿发生垮塌事故，多人被埋井下。事故发生后，我单位第一时间响应，发挥地质专业优势，积极参与抢险救援，在救生孔及大直径救援孔的设计、定位、施工等方面发挥了重要作用。由于事故地层复杂，又是首次通过大直径钻孔实施救援，没有现成的经验可供借鉴，广大救援工程技术人员发挥了聪明才智，创造了历史，也为今后的矿山抢险救援积累了经验。我国首例大直径钻孔救援成功，旋挖钻机发挥了极其重要的作用。

1事故情况简介

该石膏矿发生垮塌事故后，引发振动致使山东省临沂市平邑县(北纬35.5°，东经117.7°)发生4.0级地震。事故还引发了次生灾害，致使平邑县保太镇万庄村附近农田出现多条裂痕，路面发生大面积坍塌断裂，部分路段悬空。经过认真分析，并结合现场情况，确定石膏矿垮塌是由临近的废弃石膏矿采空区坍塌引发，属非天然地震。塌陷地震是地震种类的一种，是因岩层崩塌陷落而形成的地震，主要发生在石灰岩等易溶岩分布的地区，这是因为易溶岩长期受地下水侵蚀形成了许多溶洞，洞顶塌落而造成。

由于事故现场地质条件复杂、井下状况不稳定，所有救援人员通往井下的通道都被堵死，实施巷道救援方案已不现实，为避免次生事故，大口径钻机打孔救援方案成为唯一可行的办法。我单位临危受命，参与了本次救援，采用新购置的德国宝峨BG26旋挖钻机，与德国宝峨天津分公司投入的BG38钻机及淮南矿业救援队投入的RB-T90多功能钻机一起，担负起大直径救援孔的钻进成孔任务。在这场与时间赛跑的生命大营救中，救援人员通力协作，并肩战斗，集思广益，全力以赴，救援钻机更是24小时昼夜施工。经过不懈的努力，2016年1月29日，被困井下36天的4名幸存矿工成功升井获救。

2大直径钻孔救援方案的确定

面对井下岩层破碎、水文地质条件极其复杂等诸多不利因素，救援人员最初采用通过连续不断的井下巷道掘进、生命探测和钻孔等多种方式实施搜寻失联人员。但在随后的救援过程中，井下坍塌不断发生，积水不断攀升，一氧化碳浓度不断提高，为避免次生事故，指挥部组织专家进行论证，决定停止实施巷道救援方案，启动采用小口径钻机打救生孔输送食物，大口径钻机打救援孔救人的方案。

钻孔救援是指在井下被困人员所处位置附近先打通小口径保命孔，在与被困人员取得联系后第一时间开钻大口径救援孔，打通后下放救生仓或救生绳救人。此前，大直径钻孔救援两次成功先例分别发生在美国和智利。2002年7月，美国宾夕法尼亚州奎溪煤矿发生透水事故，救援人员通过地面大直径钻孔，历时77小时将被困80多米井下的9名矿工成功救援升井；2010年8月，智利圣何塞铜矿发生井筒坍塌事故后，利用地面钻孔的方式，历时68天将被困700多米井下的33名矿工成功救援升井。

时间就是生命！为确保万无一失，根据地质情况，指挥部确定了先采用BG26、BG38旋挖钻机钻进上部孔段，再由淮南矿业救援队利用RB-T90多功能钻机钻达最终深度的方案。3台钻机发挥各自优势，相互配合，共同作业，同时施打了3号、4号、5号三个大直径钻孔。钻孔具体位置见图1。

图1　被困矿工位置及救援孔布置示意图

3旋挖钻机在大直径救援孔钻进中的应用

3.1关于旋挖钻进工艺

旋挖钻机施工工艺在日本、欧洲应用相当普遍，我国在青藏铁路修建时大规模应用，近几年，该工艺在我国逐渐成为发展最快的一种新型钻孔施工方法。旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高及多功能等特点，是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械，广泛用于市政建设、公路桥梁、高层建筑等地基础施工工程，配合不同钻具，适应于干式(短螺旋)，或湿式(回转斗)及岩层(岩心钻)的成孔作业，但用于矿山抢险救灾还是第一次。

本次用于平邑矿难救援的旋挖钻机为德国宝峨集团生产的BG26型、BG38型钻机。宝峨钻机善于处理复杂、坚硬地层，能打硬仗的优势在这里得到了充分地发挥。由于更适合于大直径钻孔的开孔，且在覆盖层破碎岩石中钻进时，具有成孔质量好，钻进效率高等特点，BG26、BG38旋挖钻机主要负责大直径救援孔的开孔和上部孔段的施工任务。

3.2旋挖钻机钻进过程中关键技术点

对于在黑暗中的被困矿工，我们争分夺秒的努力给他们带来的是生存的希望和活下去的勇气。与小直径钻孔相比，大直径钻孔救援的难度高出许多。

首先，需要准确判断井下可能有人幸存的位置。西安科技大学提供的“生命信息钻孔探测系统”很好地发挥了作用，通过该系统，地面指挥人员清晰地看到了井下被困矿工，指挥部确定4号井底部巷道很可能存在气穴，这里因坍塌而渗出的水体进不去，还存在一定量的气体可供人呼吸。

确定位置之后，最重要的便是确保打准钻孔、不跑偏。然而，事发矿区地质结构复杂，从地表至井下巷道顶板220m，依次为表土层、灰岩层、砂岩层和石膏层，除表土层外，其他3层均夹杂着石灰岩并有两层含水层。钻头行至软泥和石头相接处，便会向软泥一侧偏斜，打准的难度很大。此外，事发矿区在矿震发生后地层极不稳定，持续塌方，井筒不断有水、泥浆、砂石等涌出，救援人员不得不在钻孔的同时，不断地采取护筒加固措施。

3.3垂直度控制问题

大直径救援孔的钻进对钻孔垂直度的控制有着更加严格的要求，因为被困矿工所处巷道宽度有限，如果钻孔垂直度控制不好，救援孔与巷道对接不上，形不成通路，被困矿工就无法顺利升井。经过研究分析，对于钻孔垂直度控制出现较大偏差的原因，总结如下：

(1)旋挖桩机钻进过程中地质软硬不均匀，钻头的选择不能满足不同地质情况的需求，导致钻头发生偏位，进而出现垂直度偏差超出要求；

(2)护筒埋设出现偏位；

(3)钻孔过程中因地层软硬不一及孔壁探头石导致钻杆出现偏移；

为确保救援孔与被困矿工所处巷道贯通无误，钻进过程中垂直度偏差应采取相关控制措施。

3.3.1根据地层情况选用钻头

(1)表层黏土：选用单层底的旋挖钻斗；

(2)砂岩层：配备截齿筒式取心钻头—锥形螺旋钻头—双层底的旋挖钻斗，或者截齿直形螺旋钻头—双层底的旋挖钻斗，根据钻进情况及时更换；

(3)灰岩层：配备牙轮筒式取心钻头—锥形螺旋钻头—双层底的旋挖钻斗，根据钻进情况及垂直度偏差控制情况及时更换。

3.3.2护筒埋设

钢护筒埋设前，进行准确测量放样，保证钢护筒顶面位置偏差满足要求，埋设中保证钢护筒斜度不大于1%；钻机就位，钻头精确对准基准点。埋设钢护筒前，采用较大口径的钻头先预钻至护筒底的标高位置后，使用吊车吊起护筒下入孔口，用旋挖钻机的钻斗将钢护筒压入到预定位置。

埋护筒时为保持护筒垂直度，应通过以不同的引桩到钻孔中心距离进行交汇控制，直至护筒顶到指定标高。护筒埋好之后以此间距离和之前定好的方向恢复钻孔中心位置，并检测护筒中心是否与钻孔中心重合，同时对护筒周围进行夯实，使其稳固不会在钻进过程中偏移。

3.3.3成孔钻进

由于事发矿区地质结构复杂，钻头行至软泥和石头相接处，便会偏向软泥侧，垂直度很难控制。因此，钻孔开孔时应轻压慢转，缓慢钻进，旨在形成良好稳固的护壁，保证孔位正确。在钻孔过程中定期用距离交汇校核钻杆位置，发现偏位立即调整，直到把偏差控制在允许范围内。

在钻孔作业之前需要对桅杆进行定位设置，作业的过程中也需要对桅杆进行调垂。调垂有手动调垂、自动调垂2种方式，在调垂过程中，可通过显示器的桅杆工作界面实时监测桅杆的位置状态，使桅杆最终达到作业成孔的设定位置。

在经过近30天紧张作业之后，5号大直径救援钻孔终于钻至预定深度，但与巷道有0.8m的偏离。随后，救援人员通过小直径救生孔向井下被困矿工递送了工具，指导他们用1天时间打通井下巷道，准确找到了大口径救援钻孔。

3.4钻孔坍塌问题

3.4.1地层因素

由于事发矿区地质结构复杂，地层破碎严重，在矿震发生后地层极不稳定，持续塌方，井筒不断有水、泥浆、砂石等涌出，钻进过程中如不能及时采取相应措施稳定住易塌地层，随时都有塌孔的可能。为确保孔壁稳定，需不断地下入井筒，加固孔壁。

3.4.2人为因素

操作人员在钻进过程中操作不当也会造成孔壁坍塌。钻具在提下钻的过程中会产生抽吸力，抽吸力作用到孔壁上对孔壁产生扰动，从而造成孔壁坍塌，所以操作人员的水平和经验起着至关重要的作用。在破碎地层钻进，钻具应轻提慢放，为确保成孔质量，我公司选派山东省首届地勘技能大赛冠军得主王延攀赶赴事故现场，负责旋挖钻机的钻进成孔任务。

3.4.3其他因素

因为本次抢险救援情况的特殊性及地层的复杂性，抢救方式稍有不当，产生的后果不堪设想，所以在钻进设备、成孔工艺选择上有严格的限制。为确保井下被困矿工的安全，旋挖钻机成孔过程没有使用液体循环介质(泥浆)，采用干成孔工艺。RB-T90多功能钻机钻进下部孔段时停用潜孔锤而采用气举反循环工艺。

3.5岩溶地层入岩钻进问题

在成孔钻进过程中，地质条件复杂各异，没有“全能钻机”，也没有“万能功法”，每种钻机都有其适用范围。旋挖钻机破岩的原理是：依靠加大压力将钻具截齿压入岩石，在强大的动力头输出扭矩的作用下，使岩石产生剪切破碎。旋挖钻机能否顺利钻进不同的岩层，需要考虑钻机的动力、整机稳定性以及岩石破碎问题。

笔者最早接触该工艺是在十多年前贵州某电厂项目。该工程所处地区属典型的喀斯特岩溶地区，开工之初遇到了很多问题：地质情况复杂，钻孔中有溶隙、溶洞存在，给施工、入岩判定带来了极大难度；地层中有孤石存在，钻进、纠偏难度大；入岩施工难度大，设备损坏非常严重；桩长匹配问题不好解决等等，工程处于停滞状态。后来业主邀请了多名专家来施工现场，一起研究想办法。根据诸位专家的意见，在后续的施工中主要采取了静压注浆法、冲击成孔法、孔内爆破法和补桩法等解决了相关问题，可谓费尽周折。随着科技的发展，近几年设备研发水平不断提高，旋挖钻机“入岩施工难”的问题，得到了有效解决，入岩钻进靠冲击钻的局面发生了改变，潜孔锤、旋挖工艺等，均能进行入岩施工，只是考虑到本次救援工作的特殊性，为确保被困人员的安全，钻进过程尽量不产生振动，旋挖工艺的优越性就凸显出来。

由于事发矿区地层情况复杂，灰岩地层中有大小不一的溶洞存在，溶洞中充塞软泥，现场使用的钻头很难将软泥顺利从孔内提出，给施工带来了很大难度，钻进效率一度迟滞不前。提高钻进效率的措施一般从3个方面着手：调整钻机的操作方式，更换适用的钻具，优化钻齿的布置。针对本工程的特殊性和时间的紧迫性，操作人员与宝峨天津公司驻现场人员讨论、研究后，加工制作了一个筒体加长的旋挖钻头，专门用于充塞软泥的岩溶地层钻进，有效地解决了岩溶地层成孔钻进和软泥提取问题。

3.6旋挖钻机施工成果

该石膏矿坍塌事故救援为国内第一次施工大口径提升井救人，具有以下难点：地层为第三系半成岩，泥岩遇水就垮塌，矿层上部有100多米灰岩含水层，且富水性强；事发地周围有6个废旧矿山，地下老窟水有随时涌入的威胁；所处地层地质条件本身就比较破碎，发生矿难事故后，造成地层情况更加复杂，矿区整体垮塌，并受到地下水浸泡，石灰岩地层中又有溶洞存在，给钻进施工带来很大难度。RB-T90多功能钻机在这样的地层中钻进极易糊钻、埋钻，进尺缓慢。而旋挖钻机的适应能力比较强，能够进行大直径钻孔的开孔和上部孔段的钻进，且成孔质量好，钻进效率高。以5号救援孔为例，旋挖钻机采用直径1.25m钻头开孔，历时4天5夜，钻孔深度54m。经检测，钻孔垂直度满足要求，随即下入直径800mm的钢护筒。因旋挖钻机使用伸缩式钻杆，不能在孔口加接钻杆，成孔深度已到极限，护筒埋设完毕后，换用RB-T90多功能钻机换径钻进，钻孔直径711mm，用时近1个月(孔深170m时卡钻，停待了几天)，最终钻至预定孔深220m，实现了大直径救援孔与被困人员所处巷道的贯通。

旋挖钻机顺利完成大直径救援孔的开孔和上部孔段的施工任务，为下部RB-T90多功能钻机继续钻进创造了有利条件：

(1)有利于钻孔中心偏移的调整控制。旋挖钻机钻进过程中钻孔垂直度控制虽然满足要求，但钻孔中心毕竟还存有一定偏差，正是由于旋挖钻机成孔直径比较大，在多功能钻机开钻前可通过护筒埋设进行偏差修正，为RB-T90多功能钻机准确就位创造了可调空间。

(2)为多功能钻机钻进过程中应对意外情况留有余地。由于地层破碎，地质条件复杂，钻进过程随时都可能有意外发生，而进行变径钻进是应对意外的方法之一，旋挖钻机采用1.25m钻头开孔，为下一步多功能钻机成孔钻进和护筒的下入、安放的方案调整留出了余地。由于救援钻孔的特殊性，终孔直径的大小受到限制，要能够满足救援工作的需要，即必须确保救生舱顺利下入孔底将被困人员救出。而最后被困人员提升方式由救生舱变为救生绳，主要就是因为钻孔下部孔径小，无法使用救生舱救人而改用救生绳直接提升。

4结语

在本次大直径救援孔施工过程中，现场来自全国各地60多名钻探、地质、水文、机电、测井等行业专家集思广益的指导性意见起到了关键的作用，加上投入钻机的先进性，高水平的工法技术支持，钻机操作人员的操作经验和随机应变的能力，以及全体救援人员的共同努力，创造了我国矿山救援史上的一个奇迹。

本次事故救援中采取的“地面大口径钻孔救人”是国内首例，也是世界第三例通过钻井打孔实现井下救援的案例。国内首次大直径钻孔救援的成功，为日后我国事故救援积累了非常宝贵的经验。以后无论是煤矿还是非煤矿山，发生坍塌、爆炸、透水等事故时，又多了一条新的救援途径。

雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。作为从事钻探和桩基工程施工的企业，我们有信心、有能力应对、处理好今后我们所属领域出现的各种复杂、突发性问题，愿意承担相应的社会责任，希望能够更多地参与类似的抢险救灾事件，为我们国家的抢险救灾事业尽一份力，为国家的和谐和社会的稳定做出我们应有的贡献。

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