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。      

矿山灾害应急救援生命保障孔钻井工艺研究

近年来国内外开展的救援钻孔实践推动了矿山和地下工程应急救援技术的发展,探索出的“小直径生命保障孔+大直径救生孔”模式是进行矿山和地下工程灾害救援的一种有效途径。本文以矿山灾害救援地面生命保障孔钻井工艺为主线,分析了小直径生命保障孔井身结构设计和套管选用方法;分别介绍了泥浆正循环钻进工艺和空气潜孔锤正循环钻进工艺,并以山东栖霞笏山金矿生命救援孔钻进实例分析了当前生命保障孔钻井工艺难点。依据轨迹设计理论,针对笏山金矿救援3号生命保障孔出现的偏斜问题,创新提出了超短距离螺旋纠偏技术,并取得了良好的应用效果,为后续生命保障孔施工积累了宝贵经验。     

空气潜孔锤与风冷牙轮组合钻进在穿采空区大直径抽水孔中的应用

在穿多层采空区大直径抽水孔施工中,通过引入空气潜孔锤与风冷牙轮组合钻进工艺,解决了常规泥浆回转钻进钻遇多层采空区因孔内漏失无法成孔、空气潜孔锤钻进成孔孔径受限的问题。采用该工艺完成的2个φ550 mm抽水井工程均穿越4层采空区,φ350 mm潜孔锤冲击钻进平均钻速3.31 m/h,φ550 mm风冷牙轮扩孔钻进平均钻速2.27 m/h,在复杂地层中保持了较高的钻进效率,取得了明显的应用效果。介绍了该工艺在大同矿区φ550 mm大直径抽水井工程中的应用实例,经过实践验证了工艺的可行性,可为类似钻孔的施工提供参考。     

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。     

笏山矿难应急救援钻孔施工技术

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。     

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。      

深厚覆盖层堆积体破碎带锚固成孔偏心跟管钻进工艺技术研究

在深厚覆盖层、堆积体、破碎带的锚索成孔是地灾防治、边坡治理施工中难点。钻进成孔中卡钻、套管断裂等事故频繁发生,造成套管跟进深度无法达到设计基岩面,降低施工效率、增加施工成本。就潜孔锤偏心跟管钻进的成孔工艺作了系统总结,分析了偏心跟管钻进中碎岩能量,动力传递,冲洗介质的循环;偏心跟管钻具的工作过程,得出降低单位跟管进尺的冲击次数,会大大提高整个套管寿命期的跟管深度的结论。     

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。      

大直径集束潜孔锤正循环快速扩孔钻进技术试验

空气潜孔锤钻进是基岩尤其是坚硬岩石地区施工首选的一种高效钻进技术。但目前国内直径大于660 mm的空气潜孔锤一次性扩孔钻进的不多,特别是660 mm的集束潜孔锤正循环一次性扩孔排渣钻进更是屈指可数。在金能2号瓦斯抽放立井的钻进试验证明,660 mm集束潜孔锤扩孔能够实现正循环一次性扩孔排渣钻进,并具有扩孔速度快、钻进效率高、施工周期短、适应性强等优点。在较坚硬的岩石地层平均钻进速度6.36 m/h,最高钻进速度9 m/h,比正循环牙轮钻头钻进速度高10倍。对矿井发生灾害事故时,可在最短时间内进行被困人员施救提供了行之有效的方法,同时,也可解决缺水地区或严重漏失地层钻进技术难题。     

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。     

正循环潜孔锤实现反循环钻进双壁钻具配套研制

空气潜孔锤反循环钻进因其具有较强的携屑能力、上返冲洗液不冲刷孔壁、钻进速度快等优势,是施工大口径钻孔和抢险救援孔的首选方案。但由于反循环潜孔锤技术还不够成熟,制造成本高,使用寿命短,因此开展了用正循环潜孔锤实现反循环钻进工艺方法的研究。研制了这种工艺配套的钻具,包括大口径双壁钻杆、双壁稳定器、阻风环、正反接头等。研制的钻具在山东平邑石膏矿坍塌事故处理中得到了实践验证,完全能够达到预期目标,能够为大口径潜孔锤反循环钻进工艺推广提供硬件支撑。     

空气（泡沫）潜孔锤钻进工艺在王家岭煤矿紧急避险孔中的应用

空气（泡沫）潜孔锤钻进工艺在王家岭煤矿紧急避险孔钻进中,有效解决了钻孔垂直度要求高、地层漏失等施工难点,实现了高质量快速成孔。该工艺平均机械钻速高达7.99 m/h,终孔水平位移仅为0.48 m,二开孔段每米综合成本504.8元。邻孔SW1水文补勘孔以泥浆作为循环介质、采用牙轮回转正循环钻进工艺,平均机械钻速为0.86 m/h,二开孔段每米综合成本为820.5元。前者平均机械钻速约是后者的9倍,较后者节约成本38.5%。与邻孔泥浆正循环牙轮回转钻进工艺相比,该工艺不仅解决了紧急避险孔施工难点,还提高了孔身质量、节约了工期、降低了成本,达到降本增效的目的,值得类似工程借鉴。     

潜孔锤跟管钻进技术在应急抢险中的应用

灾害发生时,时间就是生命！如何在最短的时间内进行救援取得较好的效果,必须采取先进技术进行科学救援。潜孔锤跟管钻进技术是一种能适应各种复杂地层钻进的先进技术,通过应急抢险实践证明,该技术能够在生命通道钻进、地质灾害治理及抗旱抢险等方面发挥重要作用。     

空气潜孔锤钻进是提高钻进效率的有效途径

空气潜孔锤冲击钻进与常规回转钻进技术相比,是以动载钻头冲击破碎岩石方式取代静载切削岩石的方式;岩石的体积破碎代替了研磨剪切破碎;是目前提高钻进效率的最佳钻进技术之一。在同井同钻机钻进时,其钻效可较常规钻进提高11-18倍;在邻井相同地层、相同技术要求时,其钻效可提高13倍左右;在同一勘探区、相同技术要求时,其钻效可提高9倍左右。通过反复对比论证,认为空气潜孔锤钻进能有效提高钻进效率,较好的体现出其潜在的经济与环保价值。     

钻孔随钻三维轨迹测量技术研究

煤矿井下钻孔施工中,在缺少控制钻孔轨迹偏移测量技术的情况下,施工钻孔轨迹与钻孔设计轨迹偏差较大,无法满足煤矿瓦斯抽采的设计需求。阐述了随钻钻孔三维轨迹测量技术,目的是通过对随钻三维轨迹测量技术的研究,精确控制瓦斯钻孔轨迹,解决瓦斯突出煤层快速掘进及安全高效回采问题。钻孔随钻三维轨迹测量技术是通过对钻机开孔角度和钻孔轨迹的精确测量,使用三维轨迹成图方法显示。通过大量的数据采集与施工验证证明,该方法成为预抽钻孔煤层保安全、促生产过程中的重要环节,避免了钻孔设计及施工的盲目性,提高了抽采钻孔的利用率及施工速度。     

潜孔锤反循环钻进工艺在拉拉铜矿的试验应用

针对现有露天矿区空气钻孔作业存在的粉尘污染、岩矿心（样）丢失严重等问题。采用贯通式空气潜孔锤反循环钻进工艺在四川拉拉铜矿露天矿区进行了生产性试验,检验贯通式潜孔锤在露天矿区的钻进效率、粉尘控制以及岩心（样）采取率情况。试验共完成了3个试验孔,进尺483 m,平均钻进效率为8.83 m/h,岩心（样）总长度252.43 m,反循环效果良好,且不同的钻具组合对反循环形成效果无影响,试验现场无粉尘弥散现象。     

空气潜孔锤在松散地层中的钻进试验

空气潜孔锤钻探工艺在基岩地区已是首选的一种技术。传统观念认为空气潜孔锤钻进工艺适用于坚硬岩石（硬、脆、碎地层）,在松散地层中则需要常规泥浆回转钻进或冲击钻进。通过典型松散地层的试验证明：空气潜孔锤在松散覆盖地层中可以实现正常的钻进,并且具有效率高、成本低、劳动强度小等优点,在粘土和潮湿粘土地层中钻进效率最高可达87和72 m/h。为解决页岩气、地热、煤层气、地下水等能源资源勘探时上覆地层的开孔或一开钻进提供了行之有效的方法,同时,也解决了缺水地区或严重漏失地层钻井液用水困难和传统开孔或一开泥浆回转钻探工艺复杂等问题。