我国大部分矿山以地下开采为主，地下矿山资源禀赋条件复杂^[1]，生产环境恶劣，随着开采深度的不断加深，“三高一扰动”的恶劣条件加剧^[2-4]，矿山事故救援难度急剧增大^[5]。快速、精准、高效的救援技术是降低矿山事故发生初期事故损失的关键一环^[6]。在坍塌、透水、爆炸等事故发生后，目前常采用水平救援对被困人员展开救援^[7]，但在救援初期，若矿井巷道发生严重堵塞，井下施工条件困难，极易发生次生灾害，水平救援难以有效开展^[8]，对此矿山钻孔垂直救援技术应运而生^[9]。该技术可在地面快速、精准钻进小直径生命保障孔，通过救援设备确定井下被困人员位置以及身体状况，并及时输送补给，而后构建大直径救援孔，运用救援提升设备帮助被困人员脱困^[10-12]。

矿山钻孔垂直救援技术在国内外已有多次成功救援案例。2002年美国宾州奎溪煤矿透水事故和2010年智利塞铜矿坍塌事故通过此技术均实现了矿井救援，在智利圣何塞铜矿坍塌事故中成功营救井下700 m处33名被困矿工^[13]。在国内，救援专家通过该技术在山东平邑石膏矿坍塌事故和栖霞笏山爆炸事故两起事故中实现了成功救援^[14-15]。

矿山钻孔垂直救援技术虽有多次成功应用案例，但在应用过程仍存在人员定位不明晰、钻孔易受煤岩与地质性质影响等问题。基于此，综合分析矿山典型事故的主要经过、成功要素及限制因素，结合实际，从多元角度提出未来矿山钻孔垂直救援的发展方向，探索发展有效途径，为地面救援指挥人员的救援决策提供依据与有效手段。

1.   矿山钻孔垂直救援技术原理及优势

1.1   技术原理

钻孔垂直救援技术是一种应用于事故发生后巷道被损毁或通道阻塞的情况下的紧急应变措施^[16-17]。钻孔垂直救援技术原理如图1所示。

图  1  钻孔垂直救援技术原理

Figure  1.  Technical principle of drilling vertical rescue technology

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救援专家首先根据矿山分布图以及救援经验大致定位被困人员位置，而后利用地面大型救生钻机，借助地面定向钻井技术打通安全通道，从而向被困人员提供必要的空气、食物和通信设备等，最后进行扩孔行动以解救被困者。这一技术的核心目标在于确保被困人员的生命与生理健康安全，为其提供必要的生存条件和救援资源。

钻孔垂直救援技术常采用“小直径生命保障孔＋大直径救生孔”的救援模式进行。采用精准定向快速钻井技术打通小直径生命保障孔，结合井下生命探测器与被困建立通信，并通过探测装置为井下被困人员提供营养补给，维持其生命状态。采用地面大直径钻井技术打通大直径救生孔，结合地面救援提升装备将被困人员提升至地面。整个救援过程中实时监测地质、水文、空气等情况，防止次生灾害对救援人员以及被困人员造成的二次伤害。

1.2   技术优势

钻孔垂直救援是一种利用钻孔工程和相关技术措施相结合的救援方式，该技术可在不接触井下被困人员的条件下，通过远距离、高效的钻孔技术，实现与被困人员的救生。钻孔救援涉及钻孔探测、钻孔通风、钻孔排水、钻孔支护、钻孔通讯、钻孔生命支持、钻孔提升等多种技术措施，多技术融合运用不仅可以提升救援效能，同时大幅降低矿山事故的救援难度。救援过程中钻孔救援技术优势主要表现为高效率、远距离、非接触式等。

1）高效率。钻孔垂直救援技术综合利用大型救生钻机、地面定向钻井技术以及快速提供生存条件和救援资源的能力，以及灵活应对救援行动的特点，使其具备高效率的优势。这种技术在救援行动中能够快速、准确地为被困人员提供支持和帮助。

2）远距离。在救援过程中，生命探测仪通过小直径生命保障孔与井下被困人员实现远距离的信息通讯交流、营养补给输送等，同时通过钻孔实现远距离实时监测井下环境信息，为地面救援专家提供实时准确的第一手信息，专家根据实时情况进一步制定救援方案。

3）非接触式。在矿山事故救援过程中，钻孔垂直救援技术可实现多维度、多参数的综合测量，地面救援专家在非可视化的条件下运用该技术可对被困矿工生存情况与灾变矿井环境信息（气体浓度、地质、水文）进行非接触式探测，实现被困人员的健康状态实时监测，提高了矿山救援的便利性与安全性，保障救援人员与被困人员的生命安全。

2.   典型事故案例

2.1   王家岭煤矿透水事故应急救援

2010-03-28T14:30，山西省乡宁矿区的华晋焦煤有限责任公司王家岭煤矿发生了严重透水事故^[18]。当天下井作业人员261人，事故发生后，108人紧急撤出，但仍有153人被困井下。矿山救援队伍以GPS定位技术为主，以RTK以及GPS静态复测技术为辅，结合施工现场图，1^#孔确定在井底积水巷道最低点，作为地面抽排水孔，2^#孔确定在辅助运输大巷掘进头中心辅助线上，作为生命保障孔，运用T130XD多功能全液压顶驱车载钻机打通2个钻孔。经过8 d连续奋战，115人成功救出，最后1名被困人员遗体4月26日被找到。

王家岭矿山事故的成功救援离不开国家领导的高度重视、救援指挥部对事故的科学研判、多措并举的精准实施、指挥协调能力以及科学救援方案等因素，由此次展高水平的专业救援，可以归纳出以下几个关键的成功因素：

1）高层领导高度重视。事故发生后，国家高层领导第一时间作出指示，国务院副总理亲自赶赴现场督察指挥救援工作。国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局的领导也率领工作人员到达事发地。他们一直坚守在一线，发挥了重要的组织协调和激励作用。

2）极强的社会动员和调度能力。被困人员的成功获救离不开专家、领导干部、救援队员、技术工人、医务人员、电力抢修员以及通信工程师的参与救援和善后工作，同时调集了大量的急救药品、电缆、管道、救援机器人、特征救援车辆等救援设备，对可能发生的问题及时做出有效应对，保障矿山救援工作顺利进行，最短时间内帮井下被困人员脱困。

3）指挥协调规范有力。事故发生后，地方政府迅速成立了抢险救援指挥部，由副省长担任总指挥，国家煤矿安全监察局副局长担任副总指挥，并及时调动其他相关部门和事故单位协助指挥部的工作，实时判定井下安全态势，并根据实际情况实时调整，好的指挥协调能力是保障救援工作顺利开展的基础。

4）依靠专家科学应对。矿山救援专家对现场情况进行科学评估，而后制定对应的应急救援方案，包括人员定位、精准钻孔、营养补给输送等等，同时实时研判井下灾情态势，防止次生灾害的发生，保障井下被困人员的脱困的同时避免救援人员的伤亡损失。

2.2   山东平邑石膏矿坍塌事故应急救援

2015-12-25T07:56 AM，山东省平邑石膏矿因邻近废弃石膏矿采空区坍塌引起地震而引发了严重的矿山坍塌事故，29名矿工被困于井下200 m深处^[19]。事故发生后，救援指挥部对坍塌事故的现场实际情况进行了判断识别，初步评估事故导致的落石重达几十吨，井筒也出现了严重的变形扭曲，且事发矿区还在持续塌方，通向被困人员的井下救援通道被严重封堵，钻孔救援技术成了矿山救援工作的唯一途径。钻孔救援经历主要分2个阶段：①救援专家研判被困人员位置，根据位置先打通小口径生命保障孔，通过小直径探测钻孔搜寻被困井下的幸存矿工，并进行音视频通信并为其提供营养补给，同时探测被困矿工生存环境，进一步制定精准的应急救援方案；②利用抢险救援钻机直接向巷道顶板钻进完井直径不小于580 mm的竖井，通过大直径生命保障通道下放救生吊舱，帮助井下被困人员脱困。在长达36 d、累计850 h的救援行动中，4名被困人员成功地通过大直径垂直救援通道脱井并获得救援。

利用地面大口径垂直救援逃生并获救是我国首次，世界上第6例，此次救援是中国矿山救援史上一个具有里程碑意义的事件，它展示了我国矿山救援的高度综合技术水平。这次救援的成功，其主要成功因素可总结为以下几点：

1）坚持科学施救。救援专家根据经验以及施工分布图纸确定井下被困矿工的大致空间指标，采用“大直径＋小直径”钻孔救援技术对井下被困矿工展开救援行动，保障被困矿工顺利脱井。

2）实时监测井下环境情况。现场救援专家运用监测技术实时对地质、水文、空气、气体等情况进行监测，并根据监测情况提前制定应急预案，实时落实应对措施，防止次生灾害对救援人员或被困人员造成二次伤害，确保全体人员安全，同时为钻孔救援争取宝贵时间。

2.3   山东栖霞笏山金矿事故救援案例

2021-01-10T13:13，山东五彩龙投资有限公司栖霞市笏山金矿因井下违规混存导爆雷管、导火索和炸药，井口违规动火作业引发回风井爆炸事故，造成22人被困井下^[20]。高层领带、矿山救护队、消防救援队等救援力量在第一时间赶赴事故现场，根据“人民至上、生命至上”理念和“不惜一切代价、穷经一切手段，抢夺救援时间”的原则。矿山救援专家首先根据事故实际情况制定救援方案，但是救援存在井筒内障碍物堆积物量大、空间狭窄、地质环境复杂等困难，运用综合技术研判，矿山救援指挥确立了“先建联系、后行施救”的针对性应急救援方案。

1）首先是打通小直径生命保障孔，建立和井下被困矿工的联系通道。2021-01-17T13:55，通过3#钻孔与五中段巷道贯通，救援人员经敲击钻杆与被困人员取得联系，并通过视音频联系、补给联系、心理联系等第一时间了解被困矿工的生理健康状况，及时提供营养补给（糖盐水、手电、纸、笔）、心理安抚等支援。

2）救援采取大直径钻孔救援，帮助被困人员脱困。在确定被困人员稳住健康状态后，经各方面专家研判灾变矿井安全态势，确定采用“3＋1”通道救援方案，“3”即生命维护检测通道、生命救援通道、排水保障通道；“1”即辅助探测通道。经全力援救，11人成功获救，11人不幸遇难，其中9名矿工因受二次爆炸冲击遇难，1名因伤势过重在救援期离世，另有1名矿工因爆炸产生的堆积物掩埋于井下，最后1名矿工仍下落不明。

3.   矿山钻孔救援技术的思考及发展趋势

3.1   存在难题

1）人员定位难度大。矿山通常由多个巷道、洞穴等组成，形成了一个复杂三维空间，同时塌方、爆炸等矿山事故导致矿山发生变形或崩塌，导致被困人员的位置发生变化，同时矿山中可能存在着大量的金属、岩石、水分等物质，电磁波、光波等信号无法长距离穿透阻碍物，地面救援专家难以准确研判被困人员的位置，救援工作难以顺利开展。

2）钻孔速度慢。在进行钻孔救援时，至关重要的是在黄金救援时间内完成钻孔，并成功地建立与被困人员之间的联系通道。然而，钻孔过程中会遇到一系列复杂的地质条件，如松散地层、裂隙、断层带、采空区和坚硬地层，松散地层通常具有不稳定性，容易发生坍塌和堵塞，增加了钻孔的困难和风险；裂隙和断层带的地质结构可能导致钻头偏移或卡住，使钻孔无法顺利进行；采空区是矿井开采后形成的空洞区域，其地质条件复杂且不稳定，具有较高的硬度和抗压强度，需要更强大的钻探设备和工具来应对，这些条件会对钻进效率和成孔质量产生极大的影响。

3）井下被困人员难以被精准、有效探测。目前，在钻孔救援过程中主要采用基于视音频探测技术的矿井钻孔通信装置与生命探测系统，但救援过程中如果所处地质偏软，或地层松软破碎、强富含水以及裂隙多，导致在钻孔过程易出现钻进效率慢、钻头偏移等，造成新的局部塌方，传统的生命探测系统难以穿透障碍物探测被困人员，被困人员生命信息获取困难，无法满足生命信息探测需求，救援难度增大。

3.2   发展趋势

经过十几年的发展，我国矿山钻孔救援技术持续地进步和提高，理论研究也极为丰富。但面对灾变矿山复杂救援环境，仍存在被困人员难以被精准定位、矿山救援难以快速精准成孔等问题，救援行动的展开较为被动，灾变矿山井下环境较为复杂，地质、水文、易燃易爆有毒气体情况不明晰，探查困难，盲目展开矿山救援易引发次生灾害，对救援人员或被困人员造成二次伤害。因此，矿山救援技术仍需从以下几个方面进行深入研究。

1）打造长距离、高精度、高效率的灾变矿山井下被困人员定位系统。深入研究5G等新兴技术与目前主流技术的融合技术，大幅提升定位系统的工作效率；融合二维/三维GIS技术，建立高精度三维定位模型，提升井下被困人员定位精度；结合矿井本安型设计要求，研发应用于井下被困人员的长距离无线识别设备，实现灾变矿山井下被困目标的长距离定位。

2）高效、精准、安全快速成孔技术需深入研究。采用理论分析、室内试验及数值模拟等方法探究典型复杂冲击地层对冲击动载的响应特征，揭示复杂地层对冲击荷载作用下孔壁失稳机理；基于全空间瞬变电磁法理论，结合数值模拟方法深入研究钻孔瞬变电磁法扫描探测方法，实现钻孔径向方向全方位探测，保障矿山钻孔救援安全开展；定量分析破碎不同煤岩体所需激光能量范围，研发适用于长距离传输及灾变矿山复杂作业环境的激光破岩技术，提升钻孔效率。

3）灾变矿山井下穿墙探测技术需深入研究。构建基于深度的多源异构数据融合模型，深入研究异质传感器数据同步采集及长距离传输技术，结合UWB超宽带探测技术，研发具备红外/可见光双音频、环境多参数在线监测、雷达穿透探测等多功能的钻孔救援多源信息探测系统，实现可视与非可视化探测。

4）完善矿山钻孔垂直救援方案，普及救援求生知识。结合环境、心理及心理等多领域研究成果，构建并完善多元化矿山医疗急救体系，保障被困人员生命安全；完善矿山钻孔救援技术规程、标准，确保矿山钻孔救援的顺利开展；深入研究基于虚拟现实技术的灾变矿山应急演练系统，积极开展灾变时期矿工自救的相关培训，提高矿工自救互救能力。

4.   结　语

我国矿山应急救援经过多年的探索和发展，已经形成了一套较为完善的技术、管理、制造和装备体系，为钻孔垂直救援提供了坚实的支撑。钻孔垂直救援是一种高效、安全、灵活的矿山救援方式，具有突破地下空间限制、实现救生与救助相结合、提高救援成功率等优点。钻孔救援在近年来的一些重大矿难事故中发挥了重要作用，展现了较强的实战能力。然而，与国际先进水平相比，我国钻孔救援仍然存在一些不足和问题，如钻孔救生理论和方法不够成熟、钻孔救援装备和技术不够先进、钻孔救援管理和协调机制不够完善等。因此，我们应该在充分借鉴国外成功经验的基础上，进一步明确钻孔救援的发展目标和方向，加强钻孔救生的理论研究和技术创新，充分发挥各领域高新技术在钻孔救援中的应用价值，加强各行业技术和装备资源的整合和共享，提高钻孔救援的综合实战水平和能力，努力构建一个更加高效、完善、科学的矿山应急救援体系。