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矿山灾害钻井救援关键技术

发布时间:2021年11月02日
来源:探矿工程技术信息(2021-11-02)

完成单位:中煤地质集团有限公司、北京大地高科地质勘查有限公司(国家矿山应急救援大地特勘队)

主要成果:根据矿山灾害具体灾情及地形、地质构造特征,利用救援钻孔准确定位技术、救援钻孔快速钻进技术、复杂地质条件下救援钻孔钻进技术、救援钻孔定向钻进技术、大孔径救援孔钻进技术等,参与国家煤矿、金属矿山,铁路、公路隧道、城市地质塌陷等32起事故救援,快速、准确、安全施工通信联络孔、维持生命孔、救生钻孔、瓦斯抽放孔及抽水孔等救援钻孔,使被困人员191人、遇险人员300余人脱险,为国家和企业挽回了上百亿元的经济损失,得到了应急管理部的充分肯定。

 


 


 

应用范围

近年来,随着矿山开采不断向纵深发展,安全生产事故发生的趋势有所减弱,但重大事故仍时有发生。瓦斯爆炸、老窑透水、底板突水、顶板冒落等仍然是煤矿生产的主要灾害。事故或灾害发生后,当救援人员无法靠近实施救援时,通过地面钻孔与井下被困人员取得通信联系,为井下输送氧气、食物、药品等救援物资维持被困人员生命,再通过大孔径钻孔解救被困人员便成为一种重要的救援方式。

 由于矿山事故灾害类型千差万别,矿井构成形式也有不同,钻探在矿山灾害事故应急救援中起着不同作用,相应地,钻孔也分多种类型。

 1.生命保障孔

 生命保障孔一般终孔直径应大于215毫米,主要有侦测险情、通信联络、输送给养3种作用。

1)侦测险情。井下发生事故后,事故区往往会和外界隔离,由于种种原因外界救援人员无法直接进入事故区实施救援。此时,可向井下事故区域施工钻孔,再通过钻孔下入相关探测装置,探测井下生命和环境参数,指导后续救援工作。

2)通信联络。通过生命保障孔侦测到井下存在被困人员时,从钻孔内下放通话器及对讲机,与井下被困人员取得联系。

3)输送给养。通过生命保障孔向井下提供水、食物、药品等维持生命的基本物品,必要时输送小型设备,让井下被困人员听到亲人问候,同时医生也可以进行心理辅导。

 2.救生钻孔

 救生钻孔的作用是将井下被困人员通过钻孔提升到地面,也称逃生孔。救生钻孔的透巷直径必须大于650毫米,才能保证提升设备顺利提升。救生钻孔的救援特点是被困人员以钻孔作为逃生通道,要求钻孔孔壁具有良好的稳定性,以避免救援过程中救生通道被堵。

3.排水孔

 排水孔是指矿井发生透水事故后,在井下安全区域的适宜位置施工钻孔,通过钻孔疏水、排水,作为巷道排水的辅助措施。排水孔直径须大于311毫米,以便下入潜水泵,加快人员被困区域的排水速度,为营救被困人员创造条件。

 

技术内容

根据矿山灾害具体灾情及地形、地质和构造特征,除常规钻井技术外,国家应急救援大地特勘队形成了一些新技术、新工艺,例如空气、空气泡沫潜孔锤钻进工艺技术,井底定向井、超直井钻井技术,大口径钻井技术,水平井、水平对接等。同时,针对救援钻孔“快速、准确、安全”三原则,构建了一套涵盖救援钻孔准确定位技术、救援钻孔快速钻进技术、复杂地质条件下救援钻孔钻进技术、救援钻孔定向钻进技术、大孔径救援钻孔钻进技术为主的钻孔救援技术体系,开展被困人员的救援工作。

 

 

1.钻孔准确定位技术

 结合GPS定位技术、物探测量及磁定位等技术,研发了救援钻孔快速定位技术,实现了快速、精准、便捷确定救援钻孔井口坐标,确保钻井救援工作快速开展。准确定位是救援钻孔选择施工方法和采取施工工艺的重要前提。

2.救援钻孔快速钻进技术

实施救援时,时间极为宝贵,最快的钻进速度是救援钻孔的核心,尽可能快地建立地面与井下被困人员的联系是钻孔救援的最主要任务,施工时间越短意味着营救成功的可能性越大。为了实施快速钻进,大地特勘队研发了以空气潜孔锤/泡沫钻进技术为主,PDC钻头+螺杆组合钻进技术为有力补充的快速钻进技术,并研发了两种工艺快速转换的配套设备,解决了钻进工艺转换慢、影响救援速度的问题,实现钻进技术快速切换。

3.复杂地质条件下救援钻孔钻进技术

针对救援钻孔施工中经常会遇到的松散地层、裂隙、断层带、采空区、坚硬地层等复杂地质条件,总结形成相应的钻孔钻进技术,可根据现场地层复杂程度,快速选用不同的钻进技术,克服了复杂地质条件下钻进难、成孔难等问题。

4.救援钻孔定向钻进技术

救援钻孔地面井口位置确定后,即可实施钻孔救援施工,但在钻进过程中受地层等各种因素的影响,钻孔轨迹会发生偏斜,导致钻孔最终钻不到目标救援位置,达不到救援目的。运用定向钻进技术,可在钻进中及时发现偏斜、及时纠斜,使钻孔始终在竖直位置上,并最终达到目标救援位置。此外,当地面钻孔定位后,若孔口位置正好处在障碍物、建筑物上,而此类障碍物又无法移除,为避开障碍物,只能另择钻孔位置,并采用定向钻进技术造斜钻进至救援目标位置,达到救援目的。

5.大孔径救援钻孔钻进技术

在确定被困井下人员还有生命迹象、无法实施井下救援时,就需要从地面实施大孔径钻孔,采用救生舱将被困人员提升至地面,达到救援目的。基于气动潜孔锤反循环钻进、气举反循环钻进工艺,研发了大孔径救援孔的钻进技术,在山东平邑石膏矿坍塌事故救援中运用该技术成功将被困的4名矿工安全救出。

 

技术的创新性与解决的突出问题

1.建立了钻井救援技术体系,应用于矿山应急救援实战,改变了以往只能在井下开展救援工作的状况,实现了通过地面钻孔开展救援工作,丰富了我国矿山应急救援的手段,提高了矿山应急救援水平。

2.研发的快速钻进技术,可在救援黄金时间72小时内完成600米以浅的地面生命保障孔,用于投放水、营养品等物资,确保被困人员维持生命并等待救援。

3.研发的大孔径救援孔钻进技术,实现了从地面大口径救援井内将被困人员从有限空间(坍塌巷道)提升到地面,完成直接从地面救援被困人员的工作。

4.总结形成的复杂地质条件下救援钻孔钻进技术,可让救援人员根据现场地层不同复杂程度,快速选用不同的钻进技术,克服了复杂地质条件下钻进难、成孔难等问题。

  

案例一:20211月山东笏山金矿爆炸事故钻井救援

 

案例二:202011月华电茂华万通源煤业透水事故钻井救援

 

 

 

案例三:201512月山东平邑万庄石膏矿采空区坍塌钻井救援

[责任编辑:矿业报]

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