近距离煤层群开采条件下采空区瓦斯联合抽采优化——以中国西部布尔台煤矿为例

《Fuel》：Optimization of gas combined extraction in goaf under the condition of close-distance coal seam mining: A case study of Buertai coal mine in western China

　　

为了解决采空区瓦斯来源和运移路径的复杂性问题，研究人员建立了近距离煤层群三维复合采空区的物理和数值模型。通过结合数值模拟与物理相似模拟，研究了不同瓦斯抽采方式下采空区内瓦斯流场的分布和运移规律。结果表明，在没有CH₄抽采的情况下，采空区CH₄浓度沿走向和倾向均呈现递增分布。由于煤层漏风与上覆邻近煤层通过层间裂隙进入的CH₄共同作用，回风侧和上隅角形成明显富集区。单独的高位钻孔（high-level borehole）抽采可以有效截留深部和上覆地层的CH₄，但对浅部采空区的CH₄控制能力有限，上隅角仍存在超限风险。单独的埋管（buried pipe）抽采可以显著降低上隅角局部CH₄浓度，但对深部和上覆邻近层CH₄运移的控制效果较弱。在联合抽采过程中，高位钻孔位于CH₄富集的中上部裂隙带，50 m埋管间距产生持续均匀的负压场，有效捕获浅部CH₄并缓解上隅角积聚。最终，这种配置实现了对开采煤层深部CH₄的高效抽采，并有效拦截了上覆邻近采空区的CH₄越流。这降低了采空区整体CH₄浓度，扩大了低浓度区域，并将上隅角CH₄浓度维持在0.16%以下。本研究对于缓解近距离煤层群复合采空区多源CH₄排放条件下的上隅角CH₄积聚具有一定的指导意义。

**论文解读**

**研究背景、问题与意义**
煤炭作为中国主要能源，在经济发展中占据关键地位。随着浅部资源枯竭，开采深度增加，地质条件日趋复杂，瓦斯（CH₄）治理面临严峻挑战。中国西部（山西、陕西、内蒙古等）主要产煤基地已进入大规模近距离煤层群开采阶段。此类开采条件下，下煤层回采前，上覆煤层开采已导致顶板损伤，使得采动裂隙相互贯通，形成瓦斯运移通道。不同区域的瓦斯涌入采空区（goaf），导致工作面瓦斯涌出强度骤增，上隅角（upper corner）瓦斯超限风险显著升高。同时，采空区漏风与邻近层瓦斯涌入的叠加效应，加剧了遗煤自燃与瓦斯爆炸的耦合风险，对瓦斯抽采系统的效率与可靠性提出了更高要求。现有研究多单独优化高位钻孔（high-level borehole）或埋管（buried pipe）抽采参数，缺乏对二者协同效应与空间互补性的系统考量，对流场叠加机制及多源瓦斯排放规律的理论分析亦不充分。因此，研究人员开展了本研究，旨在通过建立多物理场耦合数值模型，揭示近距离煤层群复合采空区在不同抽采方式下的瓦斯分布规律，为高效瓦斯治理提供理论指导。该论文发表在《Fuel》期刊。

**主要关键技术方法**
研究人员采用理论分析、物理相似模拟与数值模拟相结合的方法。首先，基于砌体梁理论（masonry beam theory）计算覆岩垮落带（caving zone）高度，为模型建立提供几何参数。其次，搭建采空区瓦斯运移物理相似模拟实验平台，以中国西部布尔台煤矿（Buertai coal mine）为例，复现实际通风与瓦斯排放条件。最后，利用计算流体力学（CFD）方法建立三维复合采空区数值模型，模拟不同抽采方式（高位钻孔抽采、埋管抽采及联合抽采）下的瓦斯流场分布。模型经过物理实验数据验证后，用于参数优化分析。

**研究结果**
由于原文未提供完整结果小节标题，本解读根据摘要与结论推断并保留以下子标题：
- **无抽采条件下瓦斯分布**：数值模拟显示，未实施CH₄抽采时，采空区CH₄浓度沿走向和倾向均呈递增趋势。受煤层漏风及上覆邻近煤层通过层间裂隙进入的CH₄共同影响，回风侧与上隅角形成明显富集区。
- **单独高位钻孔抽采效果**：高位钻孔抽采可有效截留深部及上覆地层CH₄，但对浅部采空区CH₄控制能力有限，上隅角仍存在超限风险。
- **单独埋管抽采效果**：埋管抽采能显著降低上隅角局部CH₄浓度，但对深部及上覆邻近层CH₄运移的抑制效果较弱，整体抽采效率不足。
- **联合抽采优化配置**：联合抽采时，将高位钻孔布置于CH₄富集的中上部裂隙带，并采用50 m埋管间距，可形成持续均匀的负压场。该配置有效捕获浅部CH₄，缓解上隅角积聚，同时高效抽采开采煤层深部CH₄并拦截上覆邻近采空区越流CH₄。最终，采空区整体CH₄浓度降低，低浓度区域扩大，上隅角CH₄浓度维持在0.16%以下。

**讨论与结论**
讨论部分指出，联合抽采通过空间互补实现流场叠加，兼顾浅层与深层瓦斯治理，优于单一抽采方式。研究结果对类似地质条件下复合采空区瓦斯抽采设计具有指导意义。
结论部分翻译如下：
（1）无抽采时，采空区CH₄浓度沿走向和倾向递增，回风侧与上隅角因层间裂隙漏气形成富集区。
（2）高位钻孔抽采可拦截深部及上覆瓦斯，但浅部控制不足，上隅角仍可能超限。
（3）埋管抽采可降低上隅角局部CH₄浓度，但对深部及上覆层瓦斯运移控制弱。
（4）联合抽采中，高位钻孔定位于CH₄富集的中上部裂隙带，50 m埋管间距产生均匀负压场，有效捕获浅部瓦斯并减少上隅角积聚；该配置实现深部瓦斯高效抽采并拦截越流，整体CH₄浓度下降，低浓度区扩大，上隅角CH₄浓度低于0.16%。