深部突出礦井采空區瓦斯地面井高效抽采技術

中圖分類號：TD712 文獻標志碼：A

Abstract：The complex geological conditions of deep outburst-prone coal mines pose severe challenges to the stabilityand efficiency of gas extraction via surface wels.Currently，fixed negative pressure extraction is commonly used to extract gas from goaf areas through surface wells.During the retreat of the working face，the \"thre Zones\"in the goaf area undergo dynamic evolution，resulting inasignificant decline in extraction eficiency inthe later stages of extraction.Taking the l21oo coal mining face of Shoushan No.1 Mine of Henan Pingbao Coal IndustryCo.，Ltd.astheengineeringbackground，aneficient gasextractiontechnologyviasurface wels in goaf areas of deep outburst-prone coal mines was proposed.Regarding the impact of mining-induced strata movement onthe wellstructure，a three-stage directional wellstructure was adopted，optimizing thethre-stage drill sections tomatchthecasing，enhancing thewell'sresistancetostratashear damage，andensuringthestability of surface wells under complex geological conditions.Combining the \"O\"-shaped fracture distribution theory， numerical simulation of gas seepage distribution，and thecalculation of the \"three Zones\"distribution theory， surface wells were arranged 20m away from the high-extraction roadway， with the well end located within a 30m （2號 fracture zone above the roof of the working face，ensuring high efficiency of gas extraction.The gas extraction system of the surface wels achieved stable，efficient，and safe gas extraction through subsidence-resistant overhead pipelines，explosion-proof and backfire prevention measures，and regulationand monitoring of extraction operations.Based on diferent distances of the working face advancing past the surface wels，the negative extraction pressure was dynamically adjusted to maximize extraction efficiency.Field application results showed that after 1O days of surface well extraction， the gas volume fraction increased from 48% to 100% ，with a daily extraction volume exceeding 10 000m³ . The stable extraction stage lasted for 120 days， and the cumulative extraction volume over 260 days exceeded 2.35 million m³ . Surface well extraction did not interfere with the normal operation of the high-extraction roadway.The gas volume fraction at the upper corner of the working face decreased from 0.50% to 0.41% ，a reduction of 18% ，indicating that surface well gas extraction effectively alleviated gas accumulation in the upper corner of the working face.

Key words： gas extraction;surface wells;； goaf areas; three-stage directional well; negative extraction pressure; \"O\"-shaped fracture

0 引言

深部礦井開采過程中，采空區瓦斯超限風險突出，瓦斯治理是保障安全生產的關鍵[1-4]。現有采空區瓦斯抽采技術主要包括高抽巷、高位定向鉆孔、地面井。其中，高抽巷掘進工程成本高，高位定向鉆孔地應力高、鉆孔成孔率低，地面井因覆蓋范圍廣、抽采周期長、不影響井下采掘作業等優勢被逐漸應用[5-7]，但深部礦井的復雜地質條件對地面井的穩定性和抽采效率提出嚴峻挑戰。王爭[8研究發現地面井二開段容易發生套管傾斜問題，地面井井身結構的穩定性直接影響瓦斯抽采效果。路潔心等通過數值模擬研究發現減小地面井直徑并增大壁厚有利于防止地面井發生剪切破壞，但減小地面井直徑降低了地面井的瓦斯抽采效率。目前地面井普遍采用固定負壓抽采采空區瓦斯，然而工作面回采期間，采空區“三帶”處于動態演化過程，導致抽采后期效率衰減明顯[10-12]

本文以平寶煤業有限公司首山一礦12100采煤工作面為工程背景，提出一種深部突出礦井采空區瓦斯地面井高效抽采技術。采用三開定向井身結構，優化地面井位置，調控地面井抽采負壓，旨在解決深部突出礦井地面井穩定性差、抽采效率低的難題，可為同類地質條件下的采空區瓦斯治理提供技術參考。

1工程背景

首山一礦為煤與瓦斯突出礦井，12100采煤工作面走向長 1550m ，傾向長 260m ，回采己 15-17 煤層，厚度為 3.2～5.7m ，平均厚度為 5.3m 。采煤工作面標高為 -728.5～-771.6m ，地面標高為 +140.3～+200.5m 煤層埋深超 900m 。煤層圍巖多為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖等，工作面地質柱狀圖如圖1所示。

井下地質條件復雜，隨著埋深增加，采煤工作面瓦斯異常涌出愈發嚴重。己 15-17 煤層最大瓦斯壓力為 1.5MPa ，實測煤層最大原始瓦斯含量為 10.34m³/t 利用高抽巷或高位定向鉆孔抽采采空區瓦斯存在成本高、成孔難、盲區多、抽采瓦斯效率低等問題，因此在12100采煤工作面布置地面井抽采采空區瓦斯。

2地面井高效抽采技術

2.1井身結構

工作面回采過程中，采動引起的上覆巖層垮落變形導致地面井結構發生破壞。巖層移動產生的剪切滑移和離層拉伸是影響地面井井身結構的關鍵參量[13-15]。增大地面井直徑是保證巖層移動后地面井暢通的有效方法[16-17]。因此，地面井采用三開定向井身結構，如圖2所示。一開鉆進施工采用?425mm 鉆頭穿透松散層后延伸至基巖面以下10～20m（ 累計深度約 135m） ，下人 Φ^377mm 表層套管并固井。具體下入深度根據實際井位確定，固井水泥返至地面。二開鉆進施工采用 煤層頂板以上 4 0" m完鉆，采用懸掛式完井技術下入" 139.7 m m篩管。地面井井身結構參數見表1。

2.2地面井空間布局

改善地面井抽采采空區瓦斯效果的關鍵在于優化地面井空間布局[18-20]，包括地面井與高抽巷之間水平距離及地面井終孔位置。

工作面推進后，“O”形圈裂隙呈規律性分布：自高抽巷向外， 0～10m 為裂隙稀疏區， 10～20m 為瓦斯抽采靶區， 20～30m 為裂隙密集區（瓦斯富集核心區）， 30m 以外為采空區深部。為保證地面井抽采效果，將地面井布置在距離高抽巷 20m 處，如圖3所示。

煤層開采后，采空區內頂板垮落，形成垮落帶，向上依次為斷裂帶和下沉帶。垮落帶巖石破碎，孔隙度高，滲流能力強。斷裂帶內發育離層裂隙，是瓦斯流動的主要通道，因此地面井井底應保持在斷裂帶內[21]。

為精確模擬12100采煤工作面“三帶”分布特征，根據工作面地質賦存情況，利用PFC2D建立二維離散元數值模型，如圖4所示。模型采用粒徑為0.2～0.3m 的顆粒單元，共包含72354個顆粒。模型長度為 200m ，寬度為 80m 。模型兩側施加 20MPa 水平應力，頂面施加 15MPa 垂直應力，模型底面為固定約束邊界。

煤層開采后的頂板垮落形態及應力分布特征如圖5所示。可看出煤層頂板的損傷范圍呈梯形分布，煤層上方 15m 范圍內為垮落帶，斷裂帶發育高度為 50m ，在采空區中部形成了壓實區，而采煤工作面附近的頂板尚未發生破壞；垮落帶和斷裂帶內應力得到顯著釋放，有利于瓦斯抽采，在采煤工作面附近形成高應力集中區域，不利于瓦斯抽采。

進一步利用Fluent軟件建立瓦斯滲流數值模型，將采空區底板設置為瓦斯滲出源，并通過二次開發將圖5中采空區內的孔隙度分布導人瓦斯滲流數值模型，模擬結果如圖6所示。可看出垮落帶（煤層頂板上方 1 5 m 因高孔隙率形成密集瓦斯滲流網絡（圖中綠色范圍）；斷裂帶（煤層頂板上方 15～65m ））滲流能力隨深度增加呈階梯式衰減，距煤層頂板 30m 以淺區域滲流通路發達（圖中深藍色范圍）。

垮落帶高度 H_m 和斷裂帶高度 H_l 的計算表達式分別為

式中 M 為煤層厚度， m 。

首山一礦己 15-17 煤層平均厚度為 5.3m ，根據式（1）、式（2）計算可得垮落帶高度為 9.87～14.27m 斷裂帶高度為 38.27～49.47m 。

結合“O”形圈理論、瓦斯滲流分布數值模擬結果與“三帶”分布計算結果，兼顧高滲流性與穩定性，最終確定12100采煤工作面地面井終孔位置在距離工作面煤層頂板上方 30m 處。

2.3地面井瓦斯抽采系統

地面井瓦斯抽采系統如圖7所示。由于采動導致地面不均勻沉降，所有管路均選用無縫鋼管（金屬波紋管）并采用架空敷設;井口閘閥與單向閥組合控制瓦斯流入，單向閥防止瓦斯逆流引發危險；防爆防回火裝置實時阻斷火焰傳播，消除爆炸隱患；采用變瀕控制的抽采真空泵作為動力核心，在管路內形成負壓驅動瓦斯持續流動；流量計實時監測瓦斯流量與濃度，負壓調節閥根據設定參數自動調節管路壓力，確保抽采效率穩定；抽采出的瓦斯接入瓦斯發電系統，實現瓦斯安全高效轉化利用。

2.4地面井瓦斯抽采負壓調節

隨著工作面回采推進，地面井瓦斯抽采呈現明顯的階段性特征，可分為原始階段、暢流階段、阻流階段和乏流階段，各階段煤層裂隙發育、瓦斯運移通道狀況存在差異，需動態調整抽采負壓來精準匹配各階段滲流特性，如圖8所示。在原始階段，地面井距工作面距離 gt;50m ，煤層未擾動，滲透率 lt;9.869× 10^-17m² ，采用 -60～-80kPa 的高抽采負壓突破原始滲流阻力。在暢流階段，工作面推過地面井 0～ 50m ，垮落帶裂隙充分發育，瓦斯運移通道暢通且主要集中在垮落帶，滲透率 gt;4.9345×10^-15m². ，此時鉆井抽采瓦斯的阻力小，采用 -20～-30kPa 的低抽采負壓來維持高效抽采。在阻流階段，工作面推過地面井 50～150m ，裂隙部分壓實，瓦斯運移通道不暢，滲透率為 9.869×10^-17～2.9607×10^-15m² ，地面井抽采瓦斯的阻力逐漸增大，采用 -30～-60kPa 的中等抽采負壓來抵消流動阻力。在乏流階段，工作面推過地面井 gt;150m ，裂隙閉合，瓦斯運移通道堵塞，滲透率 lt;4.9345×10^-16m² ，地面井抽采瓦斯的阻力較大，因此采用 -60～-80kPa 的高抽采負壓強制疏通通道。基于工作面推過地面井的不同距離，通過“高一低-中-高”變負壓調節控制地面井瓦斯抽采，可保持瓦斯抽采效率的持續優化。

3現場應用效果

3.1地面井瓦斯抽采濃度和日抽采量

地面井瓦斯抽采濃度和日抽采量如圖9所示。可看出在瓦斯抽采初期，日抽采量相對較小，這是由于此時上覆巖層尚未充分垮落，地面井未完全進入采動裂隙“O”形圈范圍內。抽采10d后，隨著工作面推進，地面井進入采煤工作面與采空區形成的“O”形圈裂隙導通區，該區域作為優勢瓦斯運移通道，瓦斯抽采量和抽采濃度顯著增加，瓦斯抽采體積分數由初始的 48% 持續升高至 100% ，日抽采量突破

10000m³ ，最高日抽采量達 17846m³ 。瓦斯抽采16d后，地面井瓦斯抽采量進入穩定階段，日抽采量長期維持在 10 000m³ 左右。瓦斯抽采120d后，日抽采量逐漸降低，這是由于工作面持續推進至采空區壓實區，儲集空間壓縮效應顯現。地面井運行260d累計抽采瓦斯超過235萬 m³ ，實現了采空區瓦斯高效抽采。

3.2地面井瓦斯抽采對高抽巷瓦斯抽采的影響

為考察地面井瓦斯抽采井對高抽巷的影響，統計高抽巷瓦斯抽采情況，如圖10所示。地面井抽采15d內，高抽巷瓦斯抽采體積分數與抽采量均基本保持穩定，可見地面井瓦斯抽采初期并未對高抽巷瓦斯抽采產生十擾；15d后高抽巷與地面井的瓦斯抽采數據均出現明顯上升，二者共同作用，有效提升了采空區瓦斯整體抽采效果。

3.3工作面上隅角瓦斯濃度

地面井抽采前后各70d內工作面上隅角瓦斯濃度變化情況如圖11所示。可看出地面井未抽采采空區瓦斯時，工作面上隅角的日平均瓦斯抽采體積分數為 0.39%～0.65% ，70d內的平均值為 0.50% ；地面井抽采瓦斯后，工作面上隅角的日平均瓦斯抽采體積分數為 0.32%～0.55%， 70d內的平均值為 0.41% 平均瓦斯抽采體積分數降低幅度為 18% ，表明地面井瓦斯抽采有效降低了工作面上隅角瓦斯濃度。

4結論

1）地面并采用三開定向井身結構，提高了并筒穩定性；為保證地面井對瓦斯的抽采效果，地面井布置在距高抽巷 20m 處，并結合“O”形圈理論、數值模擬及“三帶”分布理論計算，將地面井終孔布置在距回采工作面頂板上方 30m 處；基于工作面推過地面井的不同距離，動態調節抽采負壓，保障了地面井在不同開采階段的高效運行。

2）現場應用效果表明，隨著工作面推進，地面井瓦斯抽采濃度和抽采量顯著提升，日抽采量突破10000m³ ，最高達 17846m³ ，且在運行260d內累計抽采瓦斯超235萬 m³ ；地面井抽采未對高抽巷瓦斯抽采產生干擾;地面井抽采后上隅角平均瓦斯體積分數降低了 18% ，有效保障了工作面生產安全。

參考文獻（References）：

[1] 呂有廠.千米深井煤與瓦斯協調安全高效開采技術 [J].煤炭科學技術，2016，44（1）：133-137. LYUYouchang.Coordinative safetyand high efficient coal and gas mining technology in underground coal mine with depthof 1000m[J] .Coal Science and Technol0gy，2016，44（1）：133-137.

[2] 袁振春，魏思祥.采場動壓分布特征及高效瓦斯抽放 技術研究[J].能源與環保，2020，42（12）：51-54. YUAN Zhenchun，WEI Sixiang. Study on dynamic pressure distribution characteristics and high-efficient gas drainage technology in stope[J]. China Energyand EnvironmentalProtection，2020，42（12）：51-54.

[3] 文光才，孫海濤，曹偈，等.深井煤巖瓦斯動力災害模 擬實驗系統[J].煤炭學報，2020，45（1）：223-231. WEN Guangcai，SUN Haitao，CAO Jie，etal. Simulation experiment system of coal and gas dynamic disasterin deepmineand itsapplication inaccident analysis[J].Journal of China Coal Society，2020， 45（1）：223-231.

[4] 唐輝.深井特厚煤層短壁工作面快速回采條件下瓦斯 防治技術[J].礦業安全與環保，2017，44（2）：79-83. TANG Hui. Gas control technology for fast winning of short-wall coal face of extra-think seam in deep mine[J]. Mining SaIety amp; Environmental Protecuon， 201/， 44（2）： 79-83.

[5］張永斌.高抽巷抽采作用下采空區瓦斯運移規律研究 [J].當代化工研究，2025（2）：70-72. ZHANG Yongbin. Research on the gas transport law in goaf under the effect of high drainage tunnel[J].Modern Chemical Research，2025（2）：70-72.

[6]林海飛，李樹剛，趙鵬翔，等.我國煤礦覆巖采動裂隙 帶卸壓瓦斯抽采技術研究進展[J].煤炭科學技術， 2018，46（1）：28-35. LIN Haifei，LI Shugang， ZHAO Pengxiang， et al. Research progress on pressure released gas drainage technology of mining cracking Zone in overburden strata of coal minein China[J]. Coal Scienceand Technology，2018， 46（1）：28-35.

[7］段志成，陳國平，康軍，等.高位鉆孔在黃白茨煤礦瓦斯 治理中的應用[J].能源與環保，2024，46（2）：40-44，49. DUAN Zhicheng， CHEN Guoping，KANG Jun， et al. Application of high level drilling in gas control in HuangbaiciCoalMine[J]. ChinaEnergyand Environmental Protection，2024， 46（2）： 40-44，49.

[8］王爭.晉城礦區采空區地面井井身結構優化分析及工 程應用[J].中國煤層氣，2024，21（6）：3-7. WANG Zheng. Optimization analysis and engineering application of wellbore structure for surface wells in goaf areas of Jincheng Mining Area[J]. China Coalbed Methane，2024， 21（6）： 3-7.

[9]路潔心，施式亮，羅新榮，等.顧橋礦煤層氣地面井穩定性 分析及結構優化[J].礦業工程研究，2022，37（3）：31-38. LU Jiexin， SHI Shiliang，LUO Xinrong， et al. Stability analysis and structure optimization of coalbed methane surface well in Guqiao Mine[J]. Mineral Engineering Research，2022，37（3）：31-38.

[10]李延河.地面井分區式瓦斯抽采技術體系及工程實踐 [J].煤炭科學技術，2023，51（3）：100-108. LI Yanhe. Surface well partition gasextraction technology system and engineering practice[J]. Coal Science and Technology， 2023，51（3）： 100-108.

[11]付軍輝.采動區瓦斯地面井井身結構設計及安全防護 研究[J].煤炭工程，2020，52（5）：48-53. FU Junhui. Study on structure design and safety protection of gas surface well in mining area[J]. Coal Engineering，2020，52（5）：48-53.

[12]劉愷德，侯晨，姜在炳，等.采動區綜采工作面地面 “L”型鉆井瓦斯抽采技術[J].采礦與安全工程學報， 2018，35（6）：1284-1292，1300. LIU Kaide，HOU Chen，JIANG Zaibing，et al. Gas extraction technology with L-shaped ground well drilling in mining area[J]. Journal of Mining amp; Safety Engineering，2018，35（6）：1284-1292，1300.

[13]張興華，張曉剛.基于摩爾-庫倫準則以孔代巷上隅角 瓦斯治理研究[J].煤炭技術，2024，43（7）：196-200. ZHANG Xinghua， ZHANG Xiaogang. Research on gas control in upper cormer of roadway replace lane with holebased on Mohr-Coulombcriterion[J].Coal Technologv，2024，43（7）： 196-200. 在新疆大傾角煤層中的應用[J].中國礦業，2023， 32（增刊2）：202-208. WANG Yazhou， TANG Jianping，LI Rifu. Application of surface well gas extraction technology in mining area of steeply dipping coal seam in Xinjiang[J]. China Mining Magazine， 2023，32（S2）： 202-208.

[15]唐建平，李日富.采動影響下地面井抽采瓦斯運移影 響因素數值模擬研究[J].中國礦山工程，2023， 52（4）：30-36， 61. TANG Jianping，LI Rifu. Numerical simulation of factors affecting gas migration in surface wells under the influence of mining[J]. China Mine Engineering，2023， 52（4）：30-36， 61.

[16]張建國，翟成.深埋藏高應力順層水力沖孔煤體卸壓規 律及應用[J].工礦自動化，2022，48（10）：116-122，141. ZHANG Jianguo， ZHAI Cheng. Pressure relief law and application of deep-buried high-stress bedding coal by hydraulic flushing[J]. Journal of Mine Automation， 2022，48（10）：116-122，141.

[17]薛彥平.近距離煤層群綜采工作面瓦斯治理優選措施 [J].工礦自動化，2021，47（2）：98-103. XUE Yanping. Optimal measures for gas control on fully mechanized working face of close-distance coal seam group[J]. Industry and Mine Automation， 2021， 47（2）： 98-103.

[18]李國富，付軍輝，李超，等.山西重點煤礦采動區煤層氣地 面抽采技術及應用[J].煤炭科學技術，2019，47（12）： 83-89. LI Guofu，FU Junhui， LI Chao，et al. Surface drainage technology and application of CBM in key mining areas of Shanxi Province[J]. Coal Science and Technology， 2019，47（12）： 83-89.

[19]童校長，文虎，徐鶴翔，等.地面井掏煤造穴卸壓增透 技術及工程應用[J].西安科技大學學報，2025， 45（1）：61-73. TONG Xiaozhang， WEN Hu， XU Hexiang， et al. Technology and engineering application of surface shaft coal mining for pressure relief and permeability enhancement through cavity formation[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology，2025， 45（1）：61-73.

[20]李延河，倪小明，賈晉生.礦區多煤層卸壓立體 抽采模式與工程示范[J].煤炭科學技術，2024， 52（9）：162-172. LI Yanhe， NI Xiaoming， JIA Jinsheng. Extraction mode and engineeringdemonstration of pressurerelief threedimensional of multi-coal seams in Pingdingshan Mining Area[J]. Coal Science and Technology，2024， 52（9）： 162-172.

[21]胡千庭，孫海濤.煤礦采動區地面井逐級優化設計方 法[J].煤炭學報，2014，39（9）：1907-1913. HU Qianting， SUN Haitao. Graded optimization design method on surface gas drainage borehole[J]. Journal of China Coal Society，2014，39（9）：1907-1913.