矿山应急救援灭火孔优快钻井施工及效果分析

0 引言

矿井火灾严重影响着矿井的安全生产和职工生命安全 [1]。矿井一旦发生井下火灾事故，将会产生大量的有毒有害气体，甚至会伴随煤与瓦斯爆炸事故发生，无法直接从井下采取措施进行灭火工作 [2]。施工地面应急救援灭火孔可以直接从地面将封堵材料、灭火材料输送到井下指定巷道内，可以有效的避开人员与火灾、有毒有害气体接触，保证了灭火期间的安全 [3]。另外，进行应急救援灭火孔优快钻井技术研究，能够做到矿山应急救援钻探工作“快速响应、高效钻井、精准中靶”，能够大大缩短应急救援的时间，有效控制井下火灾的蔓延，减少井下火灾造成的损失，可为矿山灭火救灾提供技术保障，具有良好的经济和社会效益 [4～5]。为此，本文就以耿村煤矿为研究对象，结合现场情况针对性构建矿山应急救援灭火孔优快钻井方案，现场应用后效果较好，研究成果可为其他矿井类似应急救援灭火方案制定提供可靠借鉴经验。

1 工程概况

河南大有能源股份有限公司耿村煤矿井田面积约11.503km2，井田内含煤岩系为中侏罗统义马组，含煤5层，煤层总厚 22.73m. 。耿村煤矿目前主采 2-3 煤层，煤层厚度 0.24 ～ 26.06m，一般 10.18m 。2-3 煤层直接底板为炭质泥岩或煤矸互层，底板为砾岩。

耿村煤矿 2-3 煤层具有自燃发火危险性，该煤层与上覆、下覆可采煤层间层间距较小，是典型的浅埋近距离煤层。在井下煤炭开采时，发现 13 采区中部水仓泵房回风联络巷调节风窗周边出现有高温烟气且附近CO监测报警器数值超限，调节风窗周边碎煤体有自燃发火征兆，为保证井下安全生产，需采取地面钻孔灭火工艺对该区域进行防灭火工作。

2 13 采区火灾综合治理

2.1 防灭火技术分析

目前运用较为广泛的防灭火技术包括：注惰性气体、注浆、阻化剂、均压通风等。耿村煤矿煤层厚度适中，埋藏较浅，煤层间距极近，煤层间漏风情况严重且复杂，矿井火灾治理面临重大挑战，单一防灭火措施很难达到良好的灭火效果。本次抢险救援中，根据矿方提供的矿井资料，经由现场专家商议决定，通过地面钻井打通自燃发火区的巷道，注入惰性气体（氮气、二氧化碳）进行冷却灭火，再注入各式浆体对过火区进行封堵。

2.2 地面治理方案

结合耿村煤矿 13 采区井下有自燃发火征兆区域的情况，本次火灾治理共设计了 3 口 +4 组钻井，具体钻孔布置如图 1 所示，其中 1#、2#、3# 井为注氮气 （N₂） ）和二氧化碳 （CO₂） ）灭火孔，6#、7# 井组和 4# 井为注水泥砂石浆的封堵孔，5# 井为气体检测孔。通过1#、2#、3# 钻孔持续注入 CO2、N2，快速降低灾区温度和氧气浓度，使火区熄灭，防止发生次生事故。随后对发火区巷道进行胶体充填，封堵过火区。

图1 钻孔布置示意图

2.2.1 1# 钻孔施工方案

1# 钻孔终孔位于 13120 下巷车场与 13 采区回风下山交叉点塌陷处，设计井深 480.00m ，套管完井。钻孔为二开结构，具体为： ①- 一开采用 φ311.15mm 潜孔锤钻至稳定基岩，下入 Φ244.5mm 、壁厚 8.94mm 的表层套管；②二开采用 Φ215.9mm 钻头 + 空气螺杆以空气 （♯（♯） ）为循环介质钻进，采用电磁波定向仪器对井身轨迹进行时时监控，完钻后下入规格 ϕ177.8mm 、壁厚 8.05mm 生产套管。

2.2.2 2# 井组施工方案

2# 井组位于 13 采区回风下山与中部泵房回风通道交叉点附近，井型为灭火直井。2-1# 钻孔终孔位于交叉点以上 47.2m 处，井深 464.46m；2-2# 钻孔终孔位于交叉点以上 10m 处，井深 469.32m。具体 2# 井组井身结构为：

1）2-1# 孔井身为二开结构，具体为 ： ①- 开采用 φ311.15mm 潜孔锤钻至稳定基岩，下规格φ244.5mm、壁厚 10.03mm 的表层套管； ② 二开采用 φ215.9mm 潜孔锤以空气（氮气）为循环介质钻进，采用电磁波定向仪器对井身轨迹进行实时监控，完钻后下规格φ177.8mm、壁厚8.05mm 生产套管。

2）2-2# 孔井身为三开结构，具体为 ： ①一开采用 φ346mm 潜孔锤钻至稳定基岩，下规格 φ273.50mm、壁厚 8.00mm 的表层套管并用水泥固井；②二开采用 φ241.3mm 潜孔锤以空气（氮气）为循环介质钻进，采用电磁波定向仪器对井身轨迹进行实时监控，钻至距巷道顶 40m（预计 430.00m 左右），上部下规格 φ193.70mm、壁厚 8.33mm 生产套管，下部下规格 φ177.8mm、壁厚 8.05mm 生产套管；③三开采用 φ151mm 钻头以氮气为循环介质钻进，钻至巷道后裸眼完井。

2.2.3 3# 钻孔施工方案

3# 钻孔终孔位于 3120 上巷车场与 13 采区回风下山交叉点以下 10m 处，设计井深 428.00m。3# 钻孔井身为二开结构，具体为：①一开采用 φ311.15mm 潜孔锤钻至稳定基岩，下规格 244.5mm、壁厚 10.03 套管； ② 二开采用 Φ215.9mm 钻头 + 空气螺杆以氮气为循环介质钻进，采用电磁波定向仪器对井身轨迹进行控制，完钻后下规格 φ177.8mm、壁厚 8.05mm 生产套管。

2.2.4 4# 钻孔施工方案

4# 钻孔终孔位于 13120 下巷回风联络通道向里 71.1m 处，注骨料封闭 13120 下巷，设计井深 486.14m，直井封堵井，完井方式为套管完井。4# 钻孔井身为三开结构，具体为：①一开采用 φ346mm 潜孔锤钻至稳定基岩，下 φ273.50mm、壁厚 8.00mm 的表层套管；②二开采用 φ241.3mm 潜孔锤以空气（氮气）为循环介质钻进，采用电磁波定向仪器对井身轨迹进行实时监控，钻至距巷道顶 30m（预计 460.00m 左右），下 φ193.70mm、壁厚8.33mm 生产套管；③三开采用φ171mm 钻头以空气 ）为循环介质钻进，钻至巷道后裸眼完井。

2.2.5 5# 钻孔施工方案

5# 钻孔终孔位于 13 采区中部车场绞车房检修通道进风立眼向上 12m 处，设计井深 489.15m，定向观测孔，完井方式为套管完井。5# 钻孔井身为二开结构，具体为：①一开采用 φ241.3mm 潜孔锤钻头 +ϕ 238mm 扶正器 + 钻铤钻至稳定基岩，下入 Φ193.7mm 、壁厚 8.33mm 的表层套管； ② 二开先采用 φ171.50mmPDC 钻头+Φ 135 螺杆 mm+φ121mm 无磁 +φ89mm 钻杆，定向控制钻进，至钻进至 13 采区轨道大巷，下入 φ139.7mm、壁厚7.72mm 的生产套管，套管完钻。

2.2.6 6# 钻孔井组施工方案

6# 井组钻至 13 采区轨道大巷与第三通道交叉点以里 35m 处，从井口固料及混合浆体，达到封闭轨道大巷的目的。6# 钻孔井组包括 6-1、6-3 钻孔，钻孔井身均为三开结构，具体为：①一开采用 φ346mm 潜孔锤钻头 +ϕ 238mm 扶正器 + 钻铤钻至稳定基岩，下入 φ273.50mm、壁厚 6.00mm 的表层套管；②二开先采用φ171.50mmPDC 钻头 ^+ϕ 135 螺杆 mm+φ121mm 无磁 +φ89mm 钻杆，定向控制钻进至 2-1 煤顶 （ 预计 110m 左右 ），更换 Φ241.30mm 空气潜孔锤钻头 +Φ 238mm 扶正器 +ϕ 159mm 钻铤扩孔，钻至 2-3 煤工作面上巷采空区下 10m 左右，完钻后下 Φ193.7mm 、壁厚 8.33mm 生产套管；③三开采用 φ171.50mm 潜孔锤钻头 +Φ89mm 钻杆，钻进至13 采区轨道大巷，终孔位于2-3 煤底板以下56.20m 左右，裸眼完钻。

2.2.7 7# 钻孔井组施工方案

7# 井组钻至 13 采区皮带大巷与第三通道交叉点以里 40m 处，从井口固料及混合浆体，达到封闭轨道大巷的目的。7# 井组井身为三开结构，具体为：①一开采用 φ346mm 潜孔锤钻头 +Φ 238mm 扶正器 + 钻铤钻至稳定基岩，下 φ273.50mm/ 壁厚 6.00mm 的表层套管；②二开先采用 φ171.50mmPDC 钻头 ^+ϕ 135 螺杆mm+Φ 121mm 无磁 +Φ 89mm 钻杆，定向控制钻进至 2-1 煤顶 （ 预计 110m 左右 ），更换 φ241.30mm 空气潜孔锤钻头 ^+ϕ 238mm 扶正器 +ϕ 159mm 钻铤扩孔，钻至 2-3 煤工作面上巷采空区下 10m 左右，确保穿过 2-3 煤钻至稳定基岩，完钻后下φ193.7mm/ 壁厚8.33mm 生产套管；③三开采用φ171.50mm 潜孔锤钻头 +ϕ 89mm 钻杆，钻进至3 采区皮带大巷，终孔位于2-3 煤底板以下56.20m 左右，裸眼完钻。

图2 井身结构示意图

2.3 地面钻孔注灭火材料

现场共调集 4 台车载钻机参与救援施工，纯钻井时间 38 天 21 小时 50 分钟，钻井进尺 3793.40m，平均钻效4.1m/h，单井最高钻效6.2m/h。具体地面各钻孔施工情况统计结果如表1 所示。

表1 钻孔施工统计结果

地面钻孔钻进至指定位置后发现： ① 1#、2# 钻孔贯穿巷道后未发现有气体自井口涌出，现场未检测到一氧化碳、瓦斯等气体； ② 3# 钻孔贯穿巷道井口检测到少量一氧化碳气体； ③ 4# 钻孔贯穿巷道井口检测到少量一氧化碳气体；④ 5# 钻孔贯穿巷道井口未检测到一氧化碳、瓦斯等气体；⑤ 6#、7# 井组贯穿后有气体自井口涌出，主要为二氧化碳。

3 治理结果分析

为确保井下 13 采区火灾有效防治，利用地面钻孔井下注入氮气、二氧化碳、米石、水玻璃等防灭火及封堵材料，具体地面钻孔累计注入氮气约 25.56 万 m³，注入二氧化碳约 230 万 m³，注 米石692t，注水 349t，注沙599t，注水玻璃252t，胶注胶体4653.43t，注入水泥1717余t。利用地面钻孔向井下注入防灭火及封堵材料由，成功扑灭了井下煤层着火点，并建立封闭隔离墙隔离火区。

采用井下窥视仪对 1#、2#、3#、4#、5# 钻孔进行了窥视，具体部分窥视结果如图 2 所示。钻孔窥视未发现井下有明火，未发现有异常气体，未发现有高温蒸汽。根据窥视及矿方井筒气体监测情况基本判定井下火已熄灭。

图3 钻孔窥视成果图

（a）1# 钻孔 （b）2# 钻孔 （c）3# 钻孔

4 结束语

通过采空区注浆、注氮及封堵漏风等综合防灭火技术措施，成功解决了耿村煤矿井下煤层在回采期间的自燃问题，保证了工作面的安全回采，为现场煤矿开采及防灭火工作提供决策依据。

探索出了一套矿山应急救援灭火孔优快钻进工艺即：空气螺杆定向钻进工艺Ф215.9mm PDC 钻头 +C4LZФ172*7.0- 空气螺杆 ×1.25° +Ф165 mm 无磁钻铤 ×1 根 +EMWD（电磁波无线随钻测斜仪）+Ф127 mm 钻杆（若干）。

在今后的工作中，可通过建立完善地自然发火预测预报措施、调整工作面通风方式、注氮、注浆、减少采空区遗煤及井上下封堵漏风等综合防灭火技术措施，严格预防井下采空区遗煤自燃问题。

参考文献

[1] 韦海瑞 ， 孙红波 ， 贾明浩 ， 等 . 大口径地面钻孔救援技术与装备发展 [J]. 钻探工程 ，2023，50（02）：143-149.

[2] 吕英华 . 地面钻孔灌注液态 CO2 技术在采空区防灭火中的应用 [J]. 煤矿安全 ，2020，51（12）：179-183.

[3] 李磊 ， 霍中刚 . 我国矿山应急救援技术研究现状与趋势 [J]. 中国应急救援 ，2018，（04）：47-50.

[4] 张大伟 . 地面钻孔定向截流技术在煤矿防灭火中应用 [J]. 山东煤炭科技 ，2016，（06）：59-61.

[5] 杜凯 . 地面钻孔复合材料防灭火技术在柴里矿的应用 [J]. 煤 ，2016，25（05）：30-32.

作者简介：余德华（1989.4～），男，汉，河南省永城市人，本科，工程师，研究方向：矿山应急救援钻探技术。