高瓦斯突出矿井采空区瓦斯抽采多场耦合运移规律与高抽巷优化布置：三维瓦斯富集区反演、层位风流场匹配与抽采闭环控制指南

适用读者： 煤矿矿长、总工程师、通风副总、防突科长、通防队队长、安全调度中心主任、瓦斯抽采与通风网络优化专家

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、采空区多孔介质覆岩采动卸压瓦斯赋存与涌出机理

在综采工作面回采过程中，采空区覆岩受采动影响发生弯曲、破裂与离层垮落，形成具有非均匀多孔介质特征的采动裂隙网络。煤层群开采或特厚煤层分层开采时，临近卸压煤层、顶板遗煤赋存的巨量吸附瓦斯在采动减压作用下急剧解吸，以极高通量涌入采空区多孔空间。

[上邻近层受采动卸压 (高压吸附瓦斯急剧解吸为游离瓦斯)]
                          ↓
[采空区覆岩采动裂隙“O”形圈渗透通道 (高渗透率区)]
                          ▼
[高抽巷抽采负压流场核心作用区 (抽采浓度 35%~60%)] ════ 稳定捕获 70% 瓦斯
                          ▲
[采空区深部压实区 (低渗透率，低风速氧化升温)]
                          ▲
[工作面风流从进风巷向回风巷流经工作面] ────► [工作面上隅角 (极易瓦斯涡流积聚)]

1.1 多孔介质气体流动 Brinkman 动量方程与瓦斯组分运移

采空区风流流动属于低雷诺数非恒定渗流与扩散复合运动。基于多孔介质力学，采空区瓦斯与漏风空气的流动可由修正 Brinkman 方程与多组分对流-扩散质量守恒方程联合描述：

$$rac{ ho}{\phi} rac{\partial ec{u}}{\partial t} + rac{ ho}{\phi^2} (ec{u} \cdot

abla)ec{u} = -

abla p +

abla \cdot \left[rac{\mu}{\phi} (

abla ec{u} + (

abla ec{u})^T) ight] - rac{\mu}{k(ec{x})} ec{u}$$

$$rac{\partial (\phi c_g)}{\partial t} +

abla \cdot (ec{u} c_g) =

abla \cdot (\phi D_m

abla c_g) + S_g(ec{x}, t)$$

式中：

• $ec{u}$ 为采空区混合气体渗流表观流速矢量（$\text{m/s}$）；
• $\phi$ 为采空区冒落岩石空隙率分布函数，呈现“周边大、中部小”的马鞍形空间形态；
• $k(ec{x})$ 为空间渗透率张量（$\text{m}^2$），满足卡门-柯曾尼关系 $k = rac{\phi^3}{c_0 (1-\phi)^2}$；
• $c_g$ 为甲烷体积分数；
• $S_g$ 为邻近层及遗煤解吸瓦斯的空间质量源项（$\text{kg/(m}^3\cdot\text{s)}$）。

数值仿真与现场示踪反演表明：受工作面回风侧风压低于进风侧风压以及瓦斯浮力效应的共同驱动，采空区深部解吸的高浓度瓦斯持续向回风侧上部空间汇聚流动。在回采工作面上隅角附近，因断面风速断崖式下降形成风流死角漩涡，瓦斯极易越过临界安全红线（$\ge 1.0\%$），成为诱发重大瓦斯事故的最大安全黑天鹅。

二、采动裂隙“O”形圈演化特征与高抽巷空间层位精准计算

高抽巷（High-level Gas Drainage Roadway）作为治理工作面回采期间瓦斯超限的最强硬技术手段，其抽采效率完全取决于高抽巷所处的空间层位与采动覆岩破裂带的空间重合度。若层位偏低落入垮落带，高抽巷将被压裂塌陷并大量抽吸工作面新鲜风流；若层位过高进入弯曲下沉带，裂隙不发育导致渗透率过低，瓦斯无法有效进入巷道。

2.1 高抽巷空间三维坐标确定公式

高抽巷的合理位置必须位于“裂隙带下部富集区与‘O’形圈外边缘卸压区”：

式中：

• $H_g$ —— 高抽巷底板距采煤层顶板的垂直法向高度（$\text{m}$）；
• $M_{mining}$ —— 煤层采高（$\text{m}$）；
• $\Delta h_{strata}$ —— 岩层刚度岩性修正量（硬厚坚硬砂岩取大值）；
• $L_{in}$ —— 高抽巷轴线相对工作面回风顺槽的水平内错距离（$\text{m}$）；
• $eta_{break}$ —— 覆岩在工作面端头的侧向破断角（砂岩通常为 $65^\circ \sim 75^\circ$）；
• $\delta_{safe}$ —— 防治压架与防漏风的安全冗余错距（通常取 $5.0 \sim 8.0\text{ m}$）；
• $L_{face}$ —— 工作面工作面倾斜长度（$\text{m}$）。

#### 高抽巷不同空间层位抽采效果对账表

三、高抽巷全断面大断面快速支护与高负压抽采成套装备

3.1 高抽巷支护设计标准与防冲防塌加固

高抽巷掘进在坚硬顶板岩层中，在工作面采动应力波震荡下承受剧烈的动载扰动。必须采用高强度“高预应力恒阻大变形锚索（NPR）+ 梯子梁 + 喷射 C25 混凝土（厚度 $80 \sim 100\text{ mm}$）”联合支护：

1. 断面规格：推荐采用半圆拱或直墙圆弧拱断面，净宽 $4.0 \sim 4.5\text{ m}$，净高 $3.2 \sim 3.6\text{ m}$，确保通风断面满足抽采与检修安全流速；
2. 闭气密闭隔墙：在距高抽巷与回风大巷交叉口前 $30\text{ m}$ 处构筑两道双级防爆抗冲击密闭挡墙，墙体采用 C30 钢筋混凝土浇筑（厚度 $\ge 1.0\text{ m}$），周边掏槽深入坚硬基岩不少于 $0.5\text{ m}$；
3. 闭气管道穿墙：密闭墙内预埋 2 路直径 $\Phi 630\text{ mm} \sim \Phi 800\text{ mm}$ 优质无缝钢管或超高分子瓦斯专用管，安装高灵敏度防爆电动截止阀与孔板流量计。

3.2 负压调控数学模型与变频节能控制方程

高抽巷孔口负压并非越大越好。过大负压将通过采动裂隙强行抽吸工作面新鲜风流，不仅造成抽采瓦斯浓度骤降至爆炸界限内（$5\% \sim 16\%$），而且极易造成采空区深部遗煤因大量漏氧而发生低温氧化自燃。

高抽巷变频智能负压调节方程为：

式中：

• $P_{suction}$ 为高抽巷孔口实时目标抽采负压（$\text{kPa}$）；
• $Q_{face}$ 为工作面供风量（$\text{m}^3/\text{min}$）；
• $C_{limit}$ 为上隅角瓦斯设定安全警界值（通常设定为 $0.6\%$）；
• $K_{leak}$ 为采空区动态阻漏风系数；
• $lpha, eta$ 为闭环 PID 自适应动态权重因子。

通过地面变频抽采泵站与井下电动调风阀联动，使高抽巷孔口负压动态平衡在 $12.0 \sim 25.0\text{ kPa}$，抽采瓦斯浓度始终稳定在 $35\% \sim 55\%$，采空区自燃三带中的“氧化升温带”宽度被压缩在 $45\text{ m}$ 以内。

四、高抽巷抽采全流程作业与通风网络动态协同控制 SOP

4.1 高抽巷全生命周期投运实施 SOP

[高抽巷岩巷掘进贯通与全断面喷浆封闭] 
         ↓ (采用孔内全景窥视仪检查巷道顶底板层位与围岩微裂隙完整度)
[施工防爆抗震双级混凝土密闭墙与穿墙抽采主管] 
         ↓ (注入微膨胀化学胶质充填墙周周边围岩破碎圈，耐压试漏 30 kPa 保持 1h)
[回采工作面投产推进与高抽巷步距联动考核] 
         ↓ (当工作面推进至 25~35m，基本顶发生初次断裂垮落，“O”形圈裂隙初现)
[高抽巷启动低负压试抽采 (负压 8~10 kPa)] 
         ↓ (密切监测密闭墙外瓦斯浓度、一氧化碳与抽采管内纯甲烷流量)
[进入稳定回采阶段，启动变频闭环精准调控] 
         ↓ (以工作面上隅角瓦斯浓度 ≤ 0.5% 为目标函数，自动调节抽采阀门开度)
[工作面接近停采线，实施高抽巷注氮惰化与终结密闭] 
         ↓ (停采前 50m 调低抽采负压，向采空区注入高浓度液氮阻燃防灭火)

五、技术经济效益核算与资源化综合利用回报

5.1 投入产出综合财务分析模型

核算结果表明，构筑科学合理的高抽巷抽采系统，不仅全面解决了特厚煤层和突出矿井无法安全连续生产的“卡脖子”问题，而且依靠高浓度瓦斯清洁热电联产与碳减排交易，实现了“以气养抽、以气创收”，全生命周期净投资回报率高达 $185\%$。

六、真实矿区工程案例：山西某大型高瓦斯矿井 1305 大采高工作面治理

6.1 工程地质与瓦斯赋存条件

• 矿井与工作面概况：山西沁水煤田某年产 400 万吨高瓦斯矿井 1305 工作面，走向长 $2200\text{ m}$，倾斜宽 $220\text{ m}$，主采 3# 煤层平均厚度 $6.2\text{ m}$，采深 $680 \sim 740\text{ m}$；
• 瓦斯威胁：煤层原始瓦斯含量 $14.2\text{ m}^3/\text{t}$，回采期间工作面绝对瓦斯涌出量高达 $48.5\text{ m}^3/\text{min}$。在未布置高抽巷的前期试采阶段，上隅角瓦斯浓度多次飙升至 $1.8\% \sim 2.5\%$，导致采煤机频繁切电停机，工作面月推进度严重受阻不足 $40\text{ m}$。

6.2 方案实施与核心技术数据

1. 高抽巷空间精准定位：根据数值模拟反演计算，确定高抽巷底板垂高设计为 $H_g = 28.0\text{ m}$（约为 $4.5$ 倍采高），布置在坚硬细粒砂岩关键层下部；水平内错回风顺槽中线 $L_{in} = 20.0\text{ m}$；
2. 工程规格与密闭系统：高抽巷全长 $2150\text{ m}$，直墙圆弧拱断面（净宽 $4.2\text{ m}$、净高 $3.4\text{ m}$），全断面实施 NPR 恒阻锚索挂网喷浆；构筑两道 C30 钢筋混凝土阻爆穿管密闭墙；
3. 实测治理成果：

• 工作面进入正常推采后，高抽巷单路抽采混合风量达 $80 \sim 110\text{ m}^3/\text{min}$，抽采瓦斯浓度稳定在 $42\% \sim 58\%$；
• 高抽巷瓦斯纯抽采量高达 $36.8\text{ m}^3/\text{min}$，工作面采空区瓦斯抽采捕获率由传统千米钻孔抽采的 $38\%$ 跃升至 $76.2\%$；
• 回采工作面上隅角瓦斯浓度长年稳定控制在 $0.35\% \sim 0.50\%$ 极佳安全区间，彻底消除瓦斯超限停电报警；
• 工作面平均日推进度从治理前的 $2.8\text{ m}$ 提升至 $6.5\text{ m}$，月原煤产量突破 35 万吨，安全回采期间累计抽出纯瓦斯量达 1650 万立方米，全量供应矿区 12MW 瓦斯内燃发电机组，年创发电直接产值超 3200 万元。

七、常见工程突发故障与应急处置标准 SOP

在高抽巷运行全周期中，可能遭遇巷道局部冒顶塌闭、密闭墙漏气、采空区遗煤自燃及抽采负压失常等重大故障：

[高抽巷抽采瓦斯浓度在 1 小时内由 45% 暴跌至 8% 以下，流量骤增] 
         ↓ (表明高抽巷底板发生贯通性大开裂，大量抽吸工作面新鲜风流)
[立即调小高抽巷抽采管路防爆调节阀，限制抽采总排量] 
         ↓ (巡查回风侧裂隙带，对回风巷顶板裂隙实施深孔聚氨酯注浆封堵)
[待巷底裂隙封闭后，逐步提升负压至抽采浓度回升至 30% 以上]

[抽采管内 CO 浓度持续攀升超过 24 ppm，并检测出乙烯微量痕迹] 
         ↓ (表明高抽巷负压过大引起采空区深部遗煤发生低温氧化蓄热自燃)
[立即将高抽巷孔口负压调低 40%，减小采空区漏风压差] 
         ↓ (启动地面大流量注氮站，向采空区高抽巷投影区连续高压注氮)
[注入阻化三相泡沫或高分子阻化溶胶，彻底熄灭深部氧化火核]

[高抽巷密闭墙周边围岩发生劈裂掉渣，墙体出现微小渗水与风啸声] 
         ↓ (表明密闭墙承受过大采动集中压应力，密闭周边松动圈漏风)
[严禁作业人员靠近，向密闭墙外侧打设一排强化加固锚索梁] 
         ↓ (采用双液无机超细水泥砂浆向密闭墙四周掏槽围岩实施环形压力注浆)
[在原密闭墙外侧 5m 处抢建第二道高强度双曲拱形备用密闭墙]

八、总工程师现场自查台账与通风防突核查清单

高抽巷正式投运与工作面安全回采期间，矿总工程师与通风防突副总必须每旬对照台账检查销号：

• 空间层位核准：高抽巷施工轨迹三维坐标复测报告是否符合设计（垂高 $4.0 \sim 6.0 M$，内错距 $15 \sim 25\text{ m}$）？
• 密闭墙阻爆试漏：双级防爆密闭墙是否通过正负压严密性试验并建立永久压力观测水柱计？
• 多参数在线联锁：抽采管路内甲烷浓度、CO 浓度、温度、负压、差压流量是否 100% 接入矿井安全监控系统？
• 低浓度安全防护：当抽采浓度低于 $25\%$ 时，变频泵站与自动混气稀释系统是否具备自动报警与分流断电功能？
• 防回火与防爆装置：抽采管道是否严格按《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》安装铜网防回火器与水封阻爆泄压装置？
• 抽采达标评判闭环：工作面每月瓦斯抽采率考核是否坚决达标（高瓦斯大采高工作面抽采率 $\ge 75\%$）？

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九、高频技术问题答疑 (FAQ)

Q1：高抽巷与常规的“顶板走向高位大直径定向长钻孔”相比，各自的优劣势是什么？

答： 走向高位定向长钻孔施工灵活、不需掘进岩巷、初期投资省，适合煤层赋存稳定、采高相对适中（$< 4.5\text{ m}$）的高瓦斯工作面；但长钻孔存在单孔截面积小（一般孔径 $\Phi 153\text{ mm}$）、容易被垮落覆岩剪断闭塞、有效服务周期受限等缺陷。而高抽巷具备巨大的流通断面（$12 \sim 16\text{ m}^2$），抗采动变形破坏能力极强，抽采阻力极小，抽采总纯量是定向钻孔群的 $3 \sim 5$ 倍以上，是特大采高（$> 5.5\text{ m}$）、特厚放顶煤以及瓦斯绝对涌出量超过 $30\text{ m}^3/\text{min}$ 矿井的绝对首选终极方案。

Q2：高抽巷抽采会不会引发采空区煤层自燃？如何实现“既防瓦斯又防自燃”的平衡？

答： 高抽巷如果层位设计不当或负压抽采过猛，确实会加大采空区漏风并诱发自燃。实现“抽采防超限与防自燃协同控制”的核心原则是“负压精准调控 + 惰化覆盖”：第一，将高抽巷布置在裂隙带最优高度，避免直接抽吸工作面底板；第二，实施“瓦斯浓度闭环反馈调压”，维持抽采浓度在 $35\% \sim 50\%$，绝不低浓度盲目死抽；第三，常态化配备采空区注氮系统，将氮气注入点设在漏风风流上游，使自燃氧化带全域氧气浓度压低至 $7\%$ 以下，彻底阻绝煤氧链式反应。

Q3：高抽巷何时开始进气？初采阶段上隅角瓦斯如何控制？

答： 高抽巷通常在工作面推进 $25 \sim 40\text{ m}$，当直接顶大面积冒落、基本顶发生初次断裂垮落产生贯通性导流离层裂隙后，瓦斯才开始规模化涌入高抽巷。在初采初放阶段（未接通高抽巷前），必须采用“工作面上隅角插管负压抽采 + 临时走向小口径探顶裂隙钻孔 + 局部便携式瓦斯导流气动风机”作为前驱过渡手段，确保初采期间万无一失。

Q4：高抽巷停采后如何处置？如何避免报废工作面采空区瓦斯反涌？

答： 工作面回采结束后，高抽巷绝不能直接简单废弃。标准工艺是在停采线前 $20\text{ m}$ 处对高抽巷进行多道永久厚实体充填密闭。采用高强膨胀早强泡沫水泥砂浆对巷道实施全断面实心充填包裹（充填长度不少于 $15\text{ m}$），将抽采管路封死或保留专用带阀抽水放气管，使采空区转入永久封闭惰化状态，防止地表大气压突变诱发瓦斯向在生产邻近采区回风系统反溢。

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十、技术行动指南与专家支持通道

高瓦斯突出矿井采空区瓦斯多场耦合治理与高抽巷优化工程，是一项跨越采矿工程、流体力学、工程地质与安全工程的系统集成技术。

📋 第一步：采动覆岩破裂三带与三维瓦斯运移数值反演

运用离散元与流固耦合仿真软件，针对工作面特定采高、顶板岩性与推进速度，精确计算主关键层破断高度与“O”形圈高渗透率三维包络线。

📊 第二步：高抽巷断面支护与双级闭气防爆密闭墙深化设计

结合矿井瓦斯抽采管网负荷，精确核算高抽巷经济断面、抗采动冲击支护参数及孔板计量系统拓扑图。

💬 第三步：高瓦斯矿井通防技术诊断与专家现场指导

如您的矿井面临回采工作面上隅角瓦斯频发超限、高抽巷瓦斯抽采浓度低、抽采诱发采空区自燃等重大难题，欢迎联系张洁贞专家团队，获取成熟高瓦斯矿井全套工程图纸、抽采自燃协同控制算法及防突专项合规咨询支持。