适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通防科长、防灭火队长、瓦斯抽采队长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 高瓦斯易自燃煤层采空区“抽防矛盾”与通防安全红线
在我国陕甘宁及新疆矿区，许多主力采区属于典型的高瓦斯且煤层极易自燃（自燃发火期最短仅 15 至 30 天）的双重高危矿井。
在这类矿井的回采过程中，传统通防手段面临极其严峻的技术矛盾与安全红线：
- 强行大负荷瓦斯抽采诱发采空区深度漏风自燃：为防止采空区瓦斯涌入工作面造成瓦斯超限停产，通防部门被迫采取高负荷高位钻孔或埋管抽采。然而，强负压抽采将工作面新鲜空气剧烈拉入采空区氧化带，诱发遗煤迅速氧化自燃。
- 采空区自燃发火产生高温火源引发瓦斯爆炸：一旦采空区深部遗煤自燃形成隐蔽火源，火源与抽采积聚的高浓度瓦斯混合，极易引发毁灭性的采空区瓦斯爆炸事故。
- 传统单一定项治理顾此失彼：单纯洒水或注氮只能短暂压制温度，无法消除漏风通道；而盲目停止抽采又会导致工作面上隅角瓦斯屡屡超限（\(> 0.8\%\)），导致矿井频繁触发安全红线被逼停产。
因此，实施“瓦斯高位定向抽采与采空区注浆封堵防灭火”的时空协同控制，是破解高瓦斯易自燃矿井本质安全的终极出路。
二、 采空区多孔介质流场耦合与气体运移力学模型
2.1 采空区渗流-扩散-反应多场耦合方程
采空区遗煤多孔介质内部的气体流动服从 Brinkman 修正的 Darcy 渗流方程：
式中：\(k\) 为采空区碎石垮落渗透率；\(\mu\) 为混合气体动力黏度；\(\nabla P\) 为负压抽采与通风压差共同作用下的三维压力梯度。
氧气浓度 \(C_{O2}\) 与瓦斯浓度 \(C_{CH4}\) 的对流-扩散-化学反应消耗方程为：
当注浆封堵墙将进风侧和回风侧裂隙区渗透率 \(k\) 降至 \(10^{-12}\text{ m}^2\) 以下时，漏风速度 \(\mathbf{v} \rightarrow 0\)，使采空区氧化带宽度缩短 70% 以上，自然发火隐患彻底消除。
2.2 高位钻孔抽采裂隙带裂缝演化与抽采位点判据
高位钻孔终孔层位应精准定位在覆岩裂隙带中上部（距煤层顶板 \(H_j = (4 \sim 6) M\)，\(M\) 为采高）。该层位瓦斯富集度高且离风流漏风区较远：
确保抽采出的瓦斯浓度高、带入的氧气极少。
高位定向钻孔精准抽采瓦斯
定向钻孔精准布置在顶板裂隙带上部，抽采瓦斯浓度维持在 35% 以上高纯状态
采空区进回风侧注胶封堵漏风
向沿空挂网区压注高水阻化凝胶，形成 2 米厚高密闭挡风墙，漏风降至接近 0
束管监测系统连续采样
KJ90N 束管系统高频监测 O2、CH4 及 CO 痕量气体浓度演化趋势
氧气/瓦斯浓度双红线管控
采空区氧浓度压降至 5.0% 以下，上隅角瓦斯维持在 0.3% 绝对安全线
液氮惰化辅助防灭火
大流量液氮连续注入采空区深部，快速冷却遗煤并稀释残留氧气
安全高效回采
工作面推进速度提升 177%，实现高瓦斯易自燃煤层本质安全高效回采
三、 瓦斯抽采与注浆防灭火协同控制技术参数设计
通防科与防灭火队长需严格设计高位钻孔层位、注浆阻化剂配比及采空区气体指标。
3.1 瓦斯抽采与防灭火协同控制参数对账表
| 控制参数 | 工程设计边界标准 | 检测手段与设备 | 瓦斯抽采与防灭火安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 高位钻孔终孔层位 \(H_j\) | 距顶板 \(18 \sim 24\text{ m}\) (采高4.5m) | 钻孔轨迹仪现场校验 | 抽采富集瓦斯，避免抽吸采空区下部新鲜空气 |
| 高位钻孔抽采负压 | \(13 \sim 18\text{ kPa}\) (流量 \(40\text{ m}^3\text{/min}\)) | 流量计与负压传感器 | 控制抽采强度，防止抽取采空区低层气体 |
| 防灭火塑性凝胶配比 | 复合阻化剂(3%) + 高水凝胶(5%) | 凝胶时间测定仪 | 快速凝固封堵采空区进回风侧垮落缝隙 |
| 采空区漏风风速 | \(\le 0.005\text{ m/s}\) | 示踪气体 \(\text{SF}_6\) 测定 | 将漏风风速压降至氧化发火临界风速以下 |
| 采空区氧化带氧气浓度 | \(C_{O2} \le 5.0\%\) | 束管监测系统 (KJ90N) | 阻断遗煤低温氧化链式反应，根除自燃 |
| 工作面上隅角瓦斯浓度 | \(C_{CH4} \le 0.5\%\) | 便携式瓦斯检测仪 | 确保工作面上隅角瓦斯绝对不超限 |
四、 采空区通防异常预警与应急处置 SOP
在回采过程中，若束管监测发现一氧化碳（CO）浓度陡升或上隅角瓦斯超限，启动应急 SOP：
SOP 1：束管监测 CO 浓度陡升突破 24ppm 且温度升高应急预案
- 触发判定：KJ90N 束管监测系统在 采空区距工作面 35 米处连续 3 次采样显示 CO 浓度突破 24ppm，且乙烯（\(\text{C}_2\text{H}_4\)）痕量气体检出。
- 应急处置步骤：
- 步骤 A：通防指挥部立即下达预警，适当调低高位钻孔抽采负压 30%（从 16kPa 降至 11kPa），减少对采空区的抽吸。
- 步骤 B：启动采空区进回风巷高水阻化湿凝胶压注泵，向挂网沿空留巷处注入 50 吨高浓度阻化湿凝胶，形成 2 米厚的密闭封堵墙。
- 步骤 C：开启采空区液氮注氮系统，以 \(1200\text{ m}^3\text{/h}\) 大流量向自燃异常区连续惰化注氮 48 小时。
- 步骤 D：监控至 CO 浓度降至 5ppm 以下且乙烯消失，恢复正常抽采与推进。
五、 陕西彬长高瓦斯易自燃矿井协同控制工程案例
5.1 工程背景与协同方案
陕西彬长某大型矿井，主采 4 号煤层，属高瓦斯且极易自燃（发火期 18 天）矿井。过去由于高位钻孔盲目加大抽采负压，导致采空区多次发生自燃冒烟，被迫停产封闭工作面。
为根治这一顽疾，矿井设计实施“高位钻孔定向抽采 + 采空区边沿高水凝胶封堵 + 液氮惰化协同控制技术”。
5.2 协同控制实施前后通防指标对账表
| 对比项目 | 传统单一定项治理 | 瓦斯抽采与注浆防灭火协同控制 | 通防与安全治理效果 |
|---|---|---|---|
| 采空区自燃发火次数 | 1 次/半年 (被迫封闭) | 0 次/年 | 彻底消灭采空区自燃火灾 |
| 抽采瓦斯平均浓度 | 12.5% (空气稀释严重) | 42.8% (高纯富集) | 瓦斯抽采利用效率提升 242% |
| 采空区漏风量 | \(45\text{ m}^3\text{/min}\) (强剧漏风) | \(3.2\text{ m}^3\text{/min}\) (微弱流失) | 采空区漏风量下降 92.8% |
| 工作面上隅角瓦斯浓度 | 0.85% (频繁超限警报) | 0.28% (安全红线内) | 彻底解决上隅角瓦斯超限难题 |
| 工作面平均月推进度 | 45 米/月 (走走停停) | 125 米/月 (安全高效) | 月开采推进效率提升 177% |
六、 瓦斯抽采与防灭火协同控制设计与准备清单
通防科与防灭火队长在开展协同控制设计前需准备以下基础资料：
- [ ] 煤层自燃倾向性与最短自然发火期鉴定报告：获取煤的氧吸附量与活化能数据。
- [ ] 采空区垮落带与裂隙带高度实测图谱：精准确定高位钻孔的终孔偏角与高度。
- [ ] 采空区三维漏风流场数值模拟报告：定位进风侧与回风侧的最强漏风通道。
- [ ] 高水阻化凝胶胶凝时间与阻化效率试验数据：确保凝胶在 15-30 分钟内完成固结。
七、 常见问题 FAQ
Q：在采空区注入高水凝胶，会不会增加井下的湿度，导致工作面湿热环境恶化？
A：不会。高水凝胶在固结后，90% 以上的水分被高分子网状结晶固化在凝胶内部，不会向空气中蒸发散失。同时，注浆地点位于采空区内部，与工作面风流通过封堵密闭墙隔开，对工作面空气湿度没有任何负面影响。
Q：高位钻孔抽采的瓦斯浓度如果太高，会不会有爆炸危险？
A：不会。根据气体爆炸极限理论，甲烷（瓦斯）在空气中的爆炸极限浓度为 5%~15%。当高位钻孔抽采浓度维持在 30% 以上（高于 15% 上限），或者通过注氮将氧气浓度降至 5% 以下时，混合气体处于非爆炸安全区，极其安全。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于高瓦斯易自燃煤层采空区通防综合治理、高位钻孔定向抽采及高水凝胶防灭火技术。
联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室，为您提供通防评估、制浆系统建设与气体监测一体化交付服务。
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*声明：文中技术参数已脱敏。采空区通防治理方案需结合具体矿井瓦斯涌出量与自燃特性定向设计。*