矿井事故垂直救援孔快速钻进技术研究

近些年来,在矿井事故应急救援中,钻探垂直救援井是重要手段之一。当矿井事故发生后,人员被困井下,地面救护人员无法通过井巷进行快速救援的情况下,在被困井下人员生命尚存的“黄金救援”时限内,运用先进的钻探工程技术方法,可安全、快速、精准地打通地面直通井下巷道的钻孔,从而达到维持生命、营救井下被困人员的预期目的。本文根据宁东煤田羊场湾煤矿地质条件,进行矿山钻探垂直应急救援小口径钻孔孔身结构设计、钻井方法选择、钻具结构设计、钻井液设计及钻井参数设计等快速钻井技术研究,旨在为宁夏矿山钻探垂直救援孔提供支持,促进矿山事故救援成功率的提升。     

气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

气动潜孔锤作为一种高效冲击破岩工具,在国内外矿山事故钻孔救援中发挥了重要作用。笔者从破岩机理、结构型式、钻井方法与规程等方面阐述了气动潜孔锤的技术特点,着重分析了气动潜孔锤反循环类型及其特征。结合山西王家岭煤矿透水事故、山东平邑石膏矿坍塌事故、山东笏山金矿坍塌事故等成功救援案例,阐述了气动潜孔锤正循环钻进、气动潜孔锤与泥浆螺杆组合纠偏钻进在小直径钻孔中应用情况,以及气动潜孔锤随钻测量技术的研究进展。对于较浅小直径钻孔,气动潜孔锤采用保直钻进工艺可直接命中井下巷道;对于较深小直径钻孔,采用气动潜孔锤与泥浆螺杆纠偏组合钻进,方可命中井下巷道。结合国内外地面大直径救援钻孔成功案例,以及矿山大直径工程钻孔典型案例,介绍了气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等推广应用情况,气动潜孔锤下排渣最大钻深达688 m,气动潜孔锤反循环最大钻深达654.1 m。针对我国矿山开采逐渐向深部发展,矿山分布散、区域广,地质类型多、差异大的特点,面向复杂地层深孔救援,分析了小直径钻孔气动潜孔锤技术存在的不足之处,重点分析了大直径救援孔气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等技术面临的主要问题,明确其复杂地层钻进时技术缺陷实质,建议进一步开展气动冲击定向钻进技术、大直径钻孔气液双循环钻进技术的研究。      

矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏,人员被困井下时,通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式,井下具备施工条件时,构建穿过坍塌段的大直径救援通道,是最直接的方式;井下不具备施工条件或易发生次生灾害时,则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔,确定井下被困人员位置及身体状况,并及时输送给养,再构建大直径救援井,采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域,将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合,以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线,开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备,ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1 200 kN、最大转矩50 000 N·m,开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统,单根起下钻效率小于3 min/根;XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统,提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1 630 mm,最大顶推力8 541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术,地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术,井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范,完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔,用时46.83 h,井底水平位移偏移0.27 m,满足72 h黄金救援时间内成孔要求;完成井径830 mm、井深654.1 m救援井,井底水平位移0.19 m,介质溃入井下约7.5 m3,并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验,施工长度102.5 m,日进尺43.92 m,顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备,构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系,可满足600 m深度的矿山应急救援需求,为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。      

旋挖钻机在平邑石膏矿坍塌事故大直径救生孔钻进中的应用

2015年12月25日,山东省平邑县一石膏矿发生坍塌事故,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。救援过程中,多台钻机相互配合, BG26、BG38型旋挖钻机钻进上部孔段, RB-T90、T200XD型多功能钻机钻进下部孔段。钻达最终深度220 m后,成功将被困人员救出,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。主要介绍旋挖钻机在大直径救生孔成孔过程中关键技术点的控制,从钻头选择、护筒埋设、成孔钻进方面对钻孔垂直度进行控制;采用下入护筒、熟练人员精心操作、干成孔工艺等避免钻孔坍塌。     

山东笏山矿难3号救援钻孔施工技术

2021年1月10日下午2点,位于山东烟台栖霞市的山东五彩龙投资有限公司笏山金矿井下240 m发生爆炸事故,造成井下22名工人被困。事故应急救援指挥部首批布设了4个救援孔,山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队承担了3号救援孔的施工任务,采用“潜孔锤钻进+高精度测斜+套管护壁止水”的施工方案,快速钻进至521 m。之后配合国家矿山应急救援大地特勘队采用定向钻进技术完成剩余60 m施工任务,实现第一个透巷并收到井下被困矿工的回应。本次成功救援,开创了一种接力钻探救援的新模式,为矿山救援工作提供了借鉴与思路。     

山西中村煤矿抢险救援快速钻井施工技术

2016年7月2日,山西中村煤矿发生突水事故,12名矿工被困井下。采用CMD100型车载钻机、空气潜孔锤钻井技术准确钻孔至离地面114 m的巷道中心,快速建立了生命通道,给井下被困矿工送去急需的给养,为进一步抢险救援赢得了宝贵时间,最终8名被困矿工成功获救。本文介绍了该次矿山抢险救援中2号食物补给井的快速钻井施工技术,并对矿山应急救援钻井专业队伍建设和装备配套提出了建议。     

钻探技术在矿山灾害事故应急救援中的应用

钻探作为一种有效的应急救援手段在矿山灾害事故应急救援工作中得到了应用。本文根据应用目标不同将应急救援钻孔分为生命保障孔、救生孔、排水孔、灭火孔、瓦斯抽放孔等。生命保障孔钻探技术、排水孔钻探技术、大口径救生孔钻探技术等3种典型的矿山灾害事故应急救援钻探技术在矿山灾害应急救援工作中得到成功应用,取得了不错的效果。加强矿山灾害事故应急救援钻探技术配套设备的研发和相关钻探工艺研究将有力促进矿山灾害事故应急救援的发展。     

矿山钻探应急救援中生命通道的钻井技术以山东栖霞笏山金矿事故救援1号孔为例

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。     

地面大直径应急救援钻孔成孔工艺设计与分析

地面大直径钻孔可作为井下被困人员的逃生通道,是矿山事故造成人员被困井下时重要的应急救援方案之一。而常规大直径工程孔以泥浆正循环、多级扩孔工艺为主成孔,无法满足救援要求。着眼于大直径孔救援逃生目的,阐明包括精准透巷、优化孔身结构、高效成孔和安全透巷等四项成孔工艺设计原则;以此为指导,针对覆盖层钻进、二开基岩层钻进、下套管及固井具体施工情况,分析了全套管钻进、导向孔下导管钻进及集束式潜孔锤扩孔钻进、浮力法下套管及内插法固井等技术;借用巷道围岩松动圈及塑性区成熟理论,视透巷钻进所破坏的塑性区岩体为潜在垮落体,进行顶板稳定校核,提出了安全透巷距离及位置等关键参数设计选取方法,为地面大直径应急救援钻孔施工提供技术支持。      

地面救援车载钻机的研制

矿山发生事故导致人员被困井下时,通过地面钻孔进行救援是一种有效的手段。救援车载钻机可适应多种钻进工艺,具有地层适应性广、机动性高、事故处理能力强等优点,是矿山事故救援的理想机型。鉴于国产车载钻机在生命保障孔及大直径救援井施工中存在的不足,研制了ZMK5550TZJF50/120型车载钻机,开发了适应多种工艺的大能力动力头,采用大通孔主轴、大通径冲管、气举反循环气管安设接口等设计,转速转矩调节范围宽,可满足多种钻进工艺,实测最大转矩51350 N·m,具备施工大直径钻孔和处理事故能力;设计了油缸?钢丝绳伸缩式桅杆给进装置,实现长工作行程14 m,短运输尺寸13.6 m,实测最大起拔力1205 kN,具备孔内事故强力解卡的能力。将动力及电液控制系统集成至动力泵站,为车载钻机、钻杆输送系统、井口平台提供动力源和控制源,分体式布局解决了钻进能力提升与整机质量尺寸间的矛盾,满足道路运输要求,能充分发挥钻机的高机动性。为提高起下钻效率、机械化程度,减少工人数量并降低劳动强度,研制了钻具自动加卸系统,通过HG2-01型换杆装置、液压提引装置、自动拧卸装置协同作业,实现起下钻具效率小于3 min/根。钻机在宁夏梅花井矿完成了直径830 mm、深度624.1 m救援井的施工,平均机械钻速3.1 m/h,透巷井深654.1 m,具备600 m深度的钻孔救援能力,为我国矿山灾害救援提供了装备保障。      

大口径矿山抢险救援快速钻进技术

随着国家对矿山安全生产工作的高度重视,矿山应急救援钻井装备与施工技术迅速发展。快速钻进技术与工艺是提升矿山垂直钻进应急救援技术水平的关键。针对矿山救援所遇地层复杂,意外因素多,尤其在抢救被困人员过程中,施工所需时间长等问题,从抢险救援装备选择与工艺配套方面进行了讨论,对实现快速钻进紧急救援,降低事故伤亡率、减少经济损失,具有重要的意义。     

平邑石膏矿坍塌事故5号救生孔施工工艺及钻具配置

阐述了2015年12月25日山东省临沂市平邑县保太镇玉荣商贸有限公司石膏矿坍塌事故救援中成功救出4名被困矿工的5号救生孔的施工过程。详细介绍了在抢险救援中国家矿山应急救援淮南队采用德国宝峨公司RB-T90型钻机配套河北省地矿局国土资源勘查中心石家庄探矿机械厂（河北石探机械制造有限责任公司）SG219/152型双壁钻具空气反循环钻进施工5号大直径救生孔的整个过程,包括地层情况、钻孔设计、施工工艺、钻具配置、施工过程和施工中遇到的问题以及最终的解决方法。     

山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术

2015年“12.25”平邑矿难钻孔救援是我国首例通过钻孔救生的成功案例。由于地层不断坍塌变形,导致了复杂地层条件的产生,给救援钻孔的施工带来极大困难。针对这一特殊情况,采用空气反循环钻井工艺技术,处理钻孔事故时采用气举反循环工艺技术。总结了大口径钻孔施工经验,对今后施工大口径救援钻孔提出有待改进的问题和建议。     

矿山钻孔救援多源信息探测技术研究与应用

矿山钻孔救援是一种新型救援技术,在其救援过程中为快速准确获取钻孔通道信息、被困人员位置距离、灾区气体环境特征,实现井下被困人员与井上救援指挥人员的双向视音频通信,采用多源信息融合、双码流网络视频服务、边缘计算、本安型电路控制及超宽带雷达等技术方法进行理论攻关和技术研发,提出2个关键技术:灾区多种传感器数据实时采集与传输技术、隐蔽空间生命信息探测技术,前者能够实现钻孔救援过程中多源信息的实时探测与呈递,而后者能够实现障碍物后的人员生命信息探测和定位。在此基础上进行样机试制和现场试验,研发出矿山钻孔救援多源信息探测系列设备:大容量便携式本安电源、超宽带雷达探测系统(可穿透障碍物探测生命)、钻孔救援多源信息(视音频、温度、气体环境参数)探测系统,运用该套设备参与山东平邑石膏矿、山东笏山金矿事故救援,均成功探测到被困人员,检测了钻孔通道信息和井下环境信息;在新疆丰源救援事故中对井下涌水、气体环境进行了实时监测,避免了救援人员的二次伤亡。系统包括潜水、视音频环境监测钻孔探测器、基于双绞线的钻孔通信线轮盘、系统监测终端。成果的研发与应用能够为长距离钻孔内多源信息探测提供一定的装备支撑和技术借鉴。      

煤矿区钻探技术装备新进展与展望

我国煤层气资源非常丰富。在煤矿区,煤层气(瓦斯)开发具有增加洁净能源供给、提高煤矿安全生产保障能力、减少温室气体排放等多重效益。地面钻井开发与井下钻孔抽采是煤矿区煤层气(瓦斯)开发的基本途径,同时也是煤矿区应急救援的主要手段。本文介绍了煤矿区地面煤层气开发新技术装备,大直径钻孔施工技术与装备及井下中硬、松软煤层和岩层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备。在此基础上分析了在新形势下煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻孔成孔技术和装备发展需求,为我国煤矿区煤层气（瓦斯）钻孔成孔提供借鉴。     

钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用

钻探作为煤矿水害防治工作一种重要的技术手段,得到了广泛的应用。煤矿大口径排水井钻进技术、底板多分支水平井地面定向钻进及注浆加固改造技术、井下定向探（疏）放水钻进技术、注浆封堵突水通道钻探技术和矿井突水灾害快速钻进救援技术等煤矿防治水钻探技术,在煤矿水害防治工作中得到了广泛应用,取得了良好效果。加强防治水钻探配套设备的研发和相关钻探工艺技术研究,将有力促进煤矿水害防治工作的发展。