煤矿采空区煤层气地面抽采残煤自燃防治措施
一、引言
煤层气作为一种清洁高效的能源，其地面抽采是实现能源资源回收利用与煤矿安全生产双重目标的重要手段。然而，对于易自燃煤层而言，采空区地面抽采过程中，残煤与空气的接触机会增加、氧化环境改变等因素，极易引发残煤自燃灾害。煤层自燃不仅会造成煤层气资源浪费，还可能引发瓦斯爆炸、地表塌陷、环境污染等连锁风险，严重威胁抽采工程安全与周边生态环境。因此，构建科学、系统、全面的煤层自燃防治体系，是易自燃煤层采空区煤层气地面抽采工作顺利开展的核心保障。本文基于易自燃煤层的特性与抽采工程规律，从设计优化、工艺改进、监测预警、辅助防护等多个维度，详细阐述采空区煤层气地面抽采过程中的煤层自燃防治措施，为相关工程提供通用技术参考。
二、采空区煤层气地面抽采自燃风险机制
易自燃煤层采空区的残煤在地面抽采过程中，自燃风险的形成源于 “氧化 - 升温 - 聚热” 的链式反应。采空区形成后，岩层移动会产生大量裂隙，这些裂隙成为空气进入的主要通道；地面抽采产生的负压会进一步加速地表空气向采空区渗透，使残煤与氧气充分接触。残煤中的活性成分与氧气发生氧化反应，释放热量，若热量无法及时散出，会导致煤体温度逐步升高；温度升高又会加速氧化反应速率，形成恶性循环，当温度达到煤层自燃临界值时，便会引发自燃。此外，抽采参数不合理、井位设计疏漏、密封效果不佳等工程因素，会破坏采空区原有的气体平衡与结构稳定，进一步加剧空气涌入与热量积聚，增加自燃风险。因此，煤层自燃防治需围绕 “减少空气接触、抑制氧化反应、监控温度变化、快速处置隐患” 四大核心目标，贯穿抽采工程的全流程。
三、核心防治措施
（一）优化抽采井设计，从源头阻断空气涌入
抽采井的设计质量直接决定了采空区空气涌入的风险程度，需基于详细的地质勘察数据，从井位选择、井间距控制、井型优化三个维度进行科学设计，最大限度减少残煤与空气的接触机会。
1. 精准选择井位
井位选择需以 “避开风险区域、聚焦富集区域、保障岩层完整” 为原则，开展全面的地质勘察工作。首先，通过三维地震勘探、钻孔探测等技术手段，精准识别采空区范围内的地质构造复杂带（如断层、褶皱）、顶板塌陷坑、裂隙密集带等风险区域，此类区域岩层完整性差、裂隙发育，极易成为空气渗透的通道，必须严格避开。其次，优先选择地质构造简单、煤层气富集程度高、采空区之上覆岩层完整性好的区域布置抽采井，完整的覆岩层可有效阻挡地表空气通过岩层裂隙进入采空区，同时保障抽采过程中岩层结构稳定，避免因岩层垮落产生新的裂隙。此外，井位需远离保安煤柱影响区及地表敏感区域，防止抽采活动对周边煤体稳定性造成扰动，间接减少空气涌入路径。
2. 科学设计井间距
合理的井间距是保障抽采均匀性、避免负压失衡的关键。井间距设计需基于煤层透气性系数、煤层气含量、抽采半径等核心参数，通过数值模拟与现场试验相结合的方式确定。若井间距过大，单井抽采半径超出合理范围，会导致抽采负压在采空区内分布不均，局部区域负压过大易形成强气流场，裹挟空气进入煤体缝隙；若井间距过小，井群过度集中会破坏采空区岩层的动态平衡，引发岩层裂隙扩展，增加空气渗透风险。实践中，需根据易自燃煤层的特性，将井间距控制在抽采半径的 1.5-2 倍范围内，确保抽采范围均匀覆盖采空区，同时维持采空区内部压力平衡，从空间布局上阻断空气大规模涌入的通道。
3. 优化井型结构
根据采空区形态、煤层厚度及分布特征，选择合适的井型的是提高抽采效率、减少自燃风险的重要保障。对于层状分布、厚度较均匀的采空区，可采用直井布置，施工成本低、操作简便，且便于进行井壁密封；对于不规则形态、煤层厚度变化大或裂隙发育不均的采空区，可采用水平井或分支水平井，能够更大范围地覆盖煤层气富集区域，减少抽采盲区，同时降低单点高负压抽采带来的空气涌入风险。无论采用何种井型，均需在抽采管柱下入深度、筛管位置等方面进行优化，确保抽采管柱精准位于煤层气富集区域，避免管柱位置不当导致抽采效率低下或负压分布失衡。
（二）改进抽采工艺技术，抑制氧化反应与热量积聚
抽采工艺的合理性直接影响采空区的气体流动状态与温度变化，通过采用低扰动抽采、强化密封、惰化干预等工艺技术，可有效抑制残煤氧化反应，阻止热量积聚，降低自燃风险。
1. 低扰动负压抽采工艺
针对易自燃煤层的特性，实施 “低负压、稳流速” 的抽采工艺，避免高负压抽采引发的强气流扰动。抽采初期，采用低负压启动（通常设定为 0.02-0.05MPa），逐步建立采空区内的稳定气流场，待抽采气体中甲烷浓度稳定后，根据监测数据缓慢调整负压参数，最终将负压控制在 0.1-0.3MPa 的合理范围内（具体数值需基于煤层透气性与含气量确定）。低负压抽采可减少空气被裹挟进入采空区的动力，同时避免因气流速度过快导致残煤颗粒扰动，降低氧化反应的接触面积。此外，需严格控制抽采流速，确保气流速度不超过临界值（一般不大于 1.5m/s），防止高速气流破坏煤体结构，加剧氧化进程。
2. 强化井壁密封技术
井壁密封是防止地表空气沿井壁间隙渗漏进入采空区的关键环节，需采用 “多层封堵、高强度密封” 的技术方案。抽采管柱下入预定位置后，首先在套管外环空采用高强度水泥浆进行初次封堵，确保套管与井壁之间无空隙；然后在采空区段管柱外环空注入环氧树脂或聚氨酯复合密封材料，此类材料具有密封性好、抗老化、抗压强度高的特点，能够有效阻断空气通过管柱与岩层之间的微小裂隙渗透；最后在井口位置设置密封装置，对管柱顶端与井口套管之间的间隙进行封堵，形成 “井口 - 管柱 - 采空区” 全流程密封体系。密封施工完成后，需进行密封性检测，采用压力测试、气体泄漏检测等手段，确保密封效果达标，无空气渗漏通道。
3. 惰化气体注入系统
在抽采系统中增设惰化气体注入系统，作为抑制煤层自燃的应急干预手段，实现 “早发现、早干预”。惰化气体优先选择低温液氮或液态二氧化碳，两者均具有降温快、惰性强、无二次污染的特点：液氮的降温效果显著，能够快速降低采空区环境温度，抑制氧化反应升温；液态二氧化碳汽化后密度大于空气，可在采空区底部积聚，有效隔绝空气与残煤的接触，同时具有一定的降温作用。
惰化气体注入系统需包括存储设备、注入管线、流量控制装置及监测反馈模块。注入管线与抽采管柱并行布置，末端延伸至采空区氧化风险较高的区域；流量控制装置可根据监测数据自动调节注入量，确保惰化效果。当监测到采空区出现氧化前兆（如 CO 浓度升高、O2 浓度异常、温度上升）时，立即启动惰化气体注入系统，根据采空区体积、氧化程度计算注入量（一般按每立方米采空区注入 0.8-1.2m³ 惰化气体计算），持续注入至氧化风险完全解除。注入过程中，需实时监测采空区气体成分与温度变化，动态调整注入参数，确保干预效果。
（三）建立全流程监测预警体系，实现动态防控
实时、精准的监测是及时发现自燃隐患、快速处置的前提，需建立覆盖 “采出气成分、环境温度、抽采参数” 的多维度监测预警体系，通过 “监测 - 反馈 - 调整” 的闭环机制，动态平衡抽采效率与自燃防控需求。
1. 明确监测参数与监测标准
监测系统需重点监测以下核心参数，全面反映采空区残煤氧化状态与抽采运行情况：
氧气（O₂）浓度：直接反映空气涌入程度，是判断残煤是否具备氧化条件的关键参数，正常情况下需控制在低于初值的 2 倍且不高于 10%；
一氧化碳（CO）浓度：煤层自燃初期的标志性气体，浓度升高表明氧化反应已启动，预警阈值设定为 24ppm，超过该值需重点关注；
甲烷（CH₄）浓度：反映抽采效率，同时影响采空区氧气分压，正常抽采状态下需维持在 40% 以上；
乙烯（C₂H₄）浓度：煤层自燃发展阶段的特征气体，一旦出现表明氧化反应已进入加速阶段，需立即采取处置措施；
环境温度：直观反映采空区热量积聚情况，温度异常升高（如超出正常范围 5℃以上）是自燃风险的重要信号。
监测参数的初始值需在抽采启动前通过现场实测确定，确保后续监测数据的对比准确性。
2. 优化监测设备与监测频率
采用 “在线监测 + 现场巡检” 相结合的监测模式，确保监测数据的实时性与可靠性。在抽采井口、采出气处理管线等关键位置安装高精度在线监测仪器，包括气体传感器、温度传感器、压力传感器等，传感器需具备响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强的特点，能够实时采集各项参数数据，并通过无线传输技术上传至监控中心。
监测频率需根据煤层自燃特性与抽采运行阶段动态调整：抽采初期及稳定运行阶段，监测频率不低于 15-30 分钟 / 次；当监测数据出现异常波动（如 CO 浓度接近预警阈值、O₂浓度持续升高）时，将监测频率加密至 5-10 分钟 / 次，确保及时捕捉隐患变化趋势。同时，每周开展一次现场巡检，对监测设备进行校准维护，检查传感器灵敏度、数据传输稳定性，避免因设备故障导致监测失效。
3. 制定科学预警阈值与处置流程
基于易自燃煤层的自燃特性试验数据与现场实践经验，制定明确的预警阈值与分级处置流程，确保隐患处置的规范性与时效性（通用阈值标准如下）：
正常状态：CO 浓度 0-24ppm、CH₄浓度≥40%、无 C₂H₄、无温度异常、O₂浓度＜初值的 2 倍且低于 10%，维持正常抽采；
一级预警（潜在隐患）：CO 浓度 0-24ppm 但 O₂浓度≥初值的 2 倍或高于 16%，或 CO 浓度＞24ppm 但其他参数正常，需加强监测频率，评估抽采参数合理性，必要时调整负压；
二级预警（明确隐患）：CO 浓度＞24ppm、出现 C₂H₄、温度异常或 O₂浓度≥初值的 2 倍且高于 16%，无论 CH₄浓度高低，立即停止抽采，启动惰化气体注入系统；
紧急处置：当监测到温度持续升高、CO 浓度快速攀升且出现明火迹象时立即切断抽采系统电源，扩大惰化气体注入范围，同时启动应急救援预案。
建立与矿方的联动监测机制，监控中心实时共享监测数据，当出现二级及以上预警时，第一时间通知矿方协同处置，组织现场勘查，分析隐患成因，制定针对性处置方案。隐患解除后，需持续监测 24 小时以上，确认各项参数稳定在正常范围，经矿方与抽采单位共同验收后，方可恢复抽采。
4. 构建闭环管理机制
通过 “数据采集 - 分析研判 - 参数调整 - 效果验证” 的闭环管理机制，实现动态防控。监控中心安排专人负责监测数据的实时分析，利用大数据分析技术建立参数变化趋势模型，预判自燃风险发展方向；根据分析结果，及时调整抽采负压、流速等参数，或启动惰化气体注入等干预措施；干预实施后，持续跟踪监测数据变化，验证处置效果，若隐患未解除，需优化处置方案，直至风险完全消除。同时，建立监测数据档案，记录各项参数的变化过程、处置措施及效果，为后续抽采工程的优化设计提供数据支撑。
（四）强化辅助防治措施，构建全方位防控体系
在核心防治措施的基础上，结合采空区地质条件与抽采工程实际，实施采空区充填、地表防护、日常维护等辅助措施，进一步减少自燃风险，构建全方位、多层次的防控体系。
1. 采空区充填处理
对于裂隙发育严重、地表塌陷明显的采空区，采用充填技术减少空气渗透通道。根据采空区体积与地质条件，选择合适的充填材料，常用材料包括粉煤灰、膏体材料、惰性颗粒等：粉煤灰来源广泛、成本较低，适用于大面积浅部采空区充填；膏体材料流动性好、充填密实度高，适用于裂隙发育复杂的采空区；惰性颗粒（如石英砂）抗压强度高，可用于支撑采空区顶板，减少岩层垮落产生的裂隙。
充填方式采用钻孔注浆充填，在采空区上方布置充填钻孔，间距根据充填材料扩散半径确定（一般为 10-15m），通过高压注浆泵将充填材料注入采空区，填充裂隙与空隙，压缩残煤与空气的接触空间。充填完成后，对充填效果进行检测，采用钻孔探测、地质雷达等技术手段，确保充填密实度达到 85% 以上，有效阻断空气流通路径。
2. 地表防护处理
地表防护的核心是减少雨水渗入与空气通过地表裂隙进入采空区。首先，对抽采井场及采空区地表进行平整处理，清除地表杂物，填补地表塌陷坑与裂缝；然后，在地表铺设防渗膜，防渗膜采用高密度聚乙烯材料，厚度不小于 0.5mm，铺设过程中确保膜体平整、无破损，接缝处采用热焊接技术密封，防止雨水渗入带动空气流动；最后，在防渗膜上方覆盖一层厚度不小于 30cm 的压实土层，增强地表稳定性，减少风力对地表的侵蚀，进一步阻断空气渗透通道。
3. 设备与管线维护
抽采设备与管线的正常运行是保障抽采工艺稳定、减少自燃风险的基础。建立设备定期维护制度，每周对抽采泵、压缩机、阀门等设备进行检查，重点排查设备运行状态、密封性能，及时更换老化部件；每月对抽采管线进行压力测试与泄漏检测，采用肥皂水涂抹、气体检测仪检测等方法，排查管线接头、焊缝等易泄漏部位，发现泄漏立即修复，防止空气通过泄漏点进入管线或采空区。同时，建立设备维护档案，记录维护时间、维护内容、故障处理情况，确保设备始终处于良好运行状态。
四、防治措施的实施保障体系
（一）技术保障
建立专项技术支撑团队，由地质勘察、抽采工程、安全监测等领域的专业技术人员组成，负责防治措施的设计优化、技术指导与效果评估。开展易自燃煤层特性试验，通过程序升温氧化试验、自燃发火期测定等，获取煤层氧化动力学参数，为预警阈值设定、抽采参数优化、惰化气体注入量计算等提供科学依据。利用数值模拟软件（如 FLAC³D、COMSOL）建立采空区气体流动与氧化升温耦合模型，模拟不同抽采参数、井位布局下的自燃风险演化规律，优化防治方案。
（二）管理制度
制定完善的安全生产管理制度，包括抽采工程操作规程、监测数据管理制度、隐患排查治理制度、应急处置制度等，明确各岗位人员的职责与工作要求。建立隐患排查治理台账，对发现的隐患实行 “编号登记、限期整改、验收销号” 管理，确保隐患闭环处置。实行安全生产责任制，将自燃防治工作纳入绩效考核，明确责任分工，强化全员安全意识。
（三）人员培训
加强对现场操作人员、监测人员、技术人员的专业培训，培训内容包括易自燃煤层自燃机理、抽采工艺技术、监测设备操作、预警阈值识别、应急处置流程等。定期组织培训考核，确保相关人员熟练掌握防治措施的核心要求与操作技能。开展应急演练，每年至少组织 2 次自燃隐患应急处置演练，模拟不同类型的自燃隐患场景，提升人员应急响应与协同处置能力。
（四）应急处置
制定专项应急预案，明确应急组织机构、应急响应程序、处置措施、物资保障等内容。储备充足的应急物资，包括惰化气体存储设备、应急监测仪器、消防器材、个人防护装备等，确保应急处置时能够及时调用。建立应急联动机制，与当地应急管理部门、消防救援机构、矿方等建立沟通协调渠道，发生重大自燃隐患时，及时启动应急联动，形成处置合力，最大限度降低灾害损失。
五、结论
易自燃煤层采空区煤层气地面抽采的煤层自燃防治是一项系统工程，需贯穿抽采工程的设计、施工、运行全流程，核心在于 “源头阻断、过程抑制、实时监控、快速处置”。通过优化抽采井设计减少空气涌入通道，改进抽采工艺抑制氧化反应与热量积聚，建立全流程监测预警体系实现动态防控，强化辅助措施构建全方位防护网络，并依托技术保障、管理制度、人员培训、应急处置构建完善的实施保障体系，能够有效规避残煤自燃风险，实现煤层气地面抽采的安全、高效开展。
在实际工程中，需结合煤层自燃特性、采空区地质条件、抽采工程规模等具体情况，对各项防治措施进行针对性优化，注重各项措施的协同配合，形成 “设计科学、工艺先进、监测精准、处置高效” 的防治模式。同时，持续积累现场实践经验，结合新技术、新材料的应用，不断完善防治技术体系，为易自燃煤层采空区煤层气资源的安全开发提供有力支撑。