矿难回顾: 智利圣何塞(San Jose)铜金多金属矿救援钻探计划

1 引言

保佑1月10日山东栖霞金矿矿难的22名矿工平安回家

尽管一些理论学家整天鼓吹建设智慧矿山，但采矿工程仍然是目前最危险的职业之一。特别是对于地下采矿，采场冒顶，冲击地压，瓦斯爆炸，地下水涌，机械失灵等不确定的危险因素每天都伴随和威胁着矿工的生命。

当井下事故发生之后，对于暂时还活存活下来的人来说，最悲惨的境况是所有出口被堵死，地面救援又不知道井下人所处的位置，这给救援带来了极大的困难。例如，2009年美国犹他州的Crandall Canyon煤矿发生了矿难，6名矿工被困在井下，当时采取了许多救援措施，包括钻孔，放入生命探测设备和井下机器人巡航等，在经过10多天的努力之后，还是得不到井下一点儿响应，最终被迫放弃了救援，永久地关闭了这座煤矿。这个事故当时我做过一个笔记，记录下每天的救援进程，后来不知什么原因给删除了。不过也有救援出奇成功的案例。2010年智利圣何塞(San Jose)铜金多金属矿发生事故，被困的33名矿工在经过69天的艰苦努力后全部被救出，当时这是轰动全世界的救援行动，CNN每天都在报道，因此印象颇为深刻。本文简要回顾了这个成功的救援钻探计划。

2 事故回放

2010年8月5日，圣何塞(San Jose)铜金多金属矿由于井上山体巨石崩落，导致矿井的螺旋型斜坡道在地下400m至500m处发生坍塌，堵塞了出口，33名矿工被困在井下，起初被困的矿工们试图通过通风井逃生，但发现没有安全规范要求的梯子，最后只能躲进了地下700m处的避难硐室。

救援人员试图通过其他通道绕过主斜坡道的落石，但发现每条路线都被掉落的岩石阻挡，或受到持续的岩石运动的威胁。8月7日发生第二次塌方后，救援人员被迫使用重型机械，同时试图通过一个通风井进入。但由于担心这样做会引起进一步的地质运动，因此停止了使用先前存在的竖井联系被困矿工。

所以，剩下唯一的救援措施是从地表打钻。首先需要确定被困人员的位置。为了寻找矿工的位置，钻了直径约16厘米的勘探孔，但由于这是个老矿，矿井的设计图纸早已过时，另一方面由于岩石地层坚硬，而且钻孔深度大，钻不下去，几个钻孔都偏离了目标，致使救援工作变得复杂化。直到8月19日，事故发生15天后，其中一个探测器钻到了估计的矿工被困的空间，但不幸的是没有发现生命迹象。

2010年8月22日，第8个钻孔钻至深度688m，正好钻到避难硐室附近。当钻机探入他们的空间时，他们在钻头上贴了一张纸条，写着"我们33个人在避难所里都很好"，然后用绝缘胶带贴在钻机的尖头。他们还在钻头撤出之前敲打钻头，这些敲打声在地表上都能听到。几小时后，井下的摄像机拍到了矿工们的第一张黑白照片。

2010年8月23日，第二个探测器送到井下，从此救援人员可以与矿工们进行通讯，并给矿工们送来了食物和水。在此之前的近二十天，矿工们靠分享避难硐室里的少量金枪鱼，鲭鱼和水来生存。

被困矿工的确切位置确定后，接下来的问题是如何把人从地下700m处提升到地面，这才是救援真正困难的开始。

3 钻探计划

所幸的是这项救援行动是一项国际合作，来自世界各地的公司和个人提供了技术及资源，包括拉丁美洲、南非、澳大利亚、美国和加拿大。三支独立的钻探队伍、美国国家航空航天局NASA和来自世界各地的十几家公司合作完成了这次救援。根据不同的进入策略，制定了同时钻三个逃生井的计划，哪个先钻到使用哪个提升，同时也作为备用，如果其中一台设备坏了，其它两台可以替补。

A计划：Strata 950型钻机 (目标深度702m，90°钻探)

B计划：Schramm T130XD型钻机 (目标深度638m，82°钻探）

C计划：RIG-421型钻机（目标深度597m，85°钻探)

A计划和B计划使用了两台不同型号的升孔机，在加宽井筒(直径70cm)之前需要先钻一个先导孔(直径14cm); C计划使用的钻机通常用于石油工业，它可以直接钻出直径70cm的钻孔。

(1) A计划

A计划使用了澳大利亚制造的Strata 950型加高钻孔钻机，这种钻机通常用于在不使用炸药的情况下在矿井的两个中断之间建立圆形竖井。该钻机由南非矿业公司Murray & Roberts提供，钻头重达28.5吨。Strata 950是第一个进场钻探逃生井的钻机，8月30日开始开凿先导孔，目标是避难硐室。这种钻机的优点是它能保持钻孔的垂直度。当钻机往下钻时，显示屏上显示数字零，这意味着钻机的钻进是垂直的。如果数字开始偏离零，如0.05或0.03，则说明钻头偏离了垂直方向。在这种情况下，回转式垂直钻井系统会对其进行修正。

当完成先导孔后，从底部开始扩充孔径，由于要使用救生舱，所以逃生井的直径至少得70cm，钻下的岩石碎屑不能提升到地表，需要被困的矿工们清除数吨钻探过程中落下的破碎岩石 。因此这台钻机的钻进速度很慢。

(2) B计划

B计划于2010年9月5日开始实施，使用了钻进速度更快的Schramm T-130型钻孔机，计划的钻探深度是678m, 目标是距离避难硐室几百米的一个机械车间。Schramm T-130钻机首先需要将直径14cm的引导孔扩大到30cm，然后，再把30cm的的孔钻成直径71cm的孔。如果直接从14cm的孔钻到71cm的孔，钻杆的扭矩会太高，让钻头承受太大的压力，导致钻头很快就损坏。救援人员无法进行垂直钻探，因为这需要将重型钻机放在已经发生塌陷的不稳定地面上，而且救援人员还必须避免钻进避难硐室上方的生产巷道。

2020年9月6日，14cm的钻头碎裂，不得不用大的磁铁将碎片吸出，直接改用30cm的钻头，到9月17日钻至既定目标点。

通常情况下，Geotec S.A. (智利-美国合资钻探公司)拥有的Schramm T-130XD空气岩心钻机，主要用于石油和天然气工业以及矿产勘探和水井的钻孔。这种锤式冲击钻机使用了四个重锤，因此每天可以钻进深度超过40m。

(2) C计划

C计划使用的是加拿大卡尔加里Precision Drilling公司制造的RIG-421石油钻机，它是救援过程中增加的最后一台钻机，于9月19日投入使用，该钻机通常用于油气井钻探，理论上可以在没有先导孔的情况下一次性钻出足够宽的逃生井。RIG-421钻机是一个庞然大物，钻架高度43m，它能在地下深处钻出直径大的钻孔，而且钻进速度比采矿钻机快，许多矿工家属最初对这个钻机寄予了厚望，但是由于这样大型的钻机难以瞄准如此小的目标，被迫缩小钻头尺寸，致使这一计划遭遇了重大挫折。此外，岩石的硬度导致钻头偏离了预定的路线，拆卸钻头调整尺寸和重新定位都需要实践，从而减缓了钻探进度。

4 钻探结果

2010年10月9日，B计划的Schramm T130XD率先到达既定目标，到10月8日，A计划的Strata 950的先导孔只达到了要求深度的85%(598m), 还没有开始拓宽井筒; C计划的RIG-421是现场唯一能够在没有先导孔的情况下钻出足够宽逃生井的机器，其深度达到372m(完成了62%)。

5 提升矿工

竖井完成后，用加固的塑料管作为套管保持钻孔位置，使救援舱的行程更加平稳。救援舱由NASA的工程师设计，就像一个小型的罐笼，直径为54cm，这么小得尺寸可以避免在提升过程中与孔壁发生碰撞。它有一个可伸缩的轮子，以便更平稳地到达地面，笼内有氧气补给，照明、视频和语音通讯系统，供矿工与救援人员通话；还有一个加固的顶盖，以防止岩石坠落；还有一个带有安全装置的逃生舱门，如果出现紧急情况，救援舱在中途被卡住，可以打开舱底部分，矿工能够自己滑回到井下。

2010年10月13日，33名矿工在经历了69天的磨难后全部返回地面。

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