煤炭資源枯竭礦井煤層氣運移及富集規律研究

尹志勝，桑樹勛，周效志

(1.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

引 言

煤炭資源枯竭礦井煤層氣是一種不可忽視的新型清潔能源。中國煤炭資源枯竭礦井多，殘煤量大、瓦斯含量高[1]，煤層氣資源量及開發潛力大。國內外就此類資源開展了多方面研究，主要涉及賦存狀態[2]、資源量估算方法[3-4]、計算范圍[5]及開發潛力評價方法等，但目前較少涉及廢棄礦井煤層氣運移富集規律。以煤層氣吸附(解吸)機理為基礎[6]，結合“三帶”發育理論[7-8]，從殘煤類型劃分及殘氣特征入手，對礦井關閉后煤層氣運移規律進行研究，明確了礦井關閉后采空區垂向上及傾斜方向上富氣區的位置，為后續研究和工程實踐提供理論依據。

1 殘煤及殘氣類型劃分

1.1 殘煤類型劃分

殘煤是資源枯竭礦井煤層氣的來源，殘煤類型劃分是運移富集規律研究的基礎。考慮到礦井關閉后煤層氣垂向運移，依據空間位置，將殘煤劃分為開采層殘煤和采動影響范圍內鄰近層殘煤兩大類，并進一步細分為煤柱殘煤、邊角殘煤等(圖1)。

圖1 煤炭資源枯竭礦井殘煤類型劃分示意

1.2 殘氣特征分析

礦井關閉后，殘氣以不同的相態賦存于采空區、鄰近煤巖層裂隙帶、本煤層殘煤及應力釋放的鄰近層殘煤中，既包括通風遺留的游離煤層氣，也包括采動影響范圍內煤巖層中的吸附煤層氣。開采層采落煤、冒落破碎煤等殘煤中的殘氣主要是以濃度擴散的形式釋放，運移動力為濃度差，從煤層氣高濃度區向低濃度區運移;而建筑物壓煤、煤柱等規模殘煤中的殘氣則是在內部殘余瓦斯壓力和濃度共同作用下發生運移。鄰近層殘煤中的殘氣則主要受瓦斯壓力驅使發生運移，濃度影響較小。采空區瓦斯壓力降低后，若煤儲層壓力低于臨界解吸壓力，則殘煤中吸附狀態的殘氣可進一步發生解吸運移，直至達到平衡。

2 氣體運移及富集的影響因素

2.1 廢棄采空區深度

廢棄采空區深度直接影響著地應力和煤層氣儲層壓力的大小。采空區深度較大時，地應力相對較大，儲層壓力也隨之增大。根據吸附(解吸)理論，儲層壓力的增大增加了礦井關閉后殘煤中吸附煤層氣的解吸難度。高的地應力減小了圍巖裂縫的開啟率，對氣體運移產生了一定的阻礙作用。采空區深度較小，則煤層氣逸散概率增大;若礦井封閉質量不達標，大氣壓力升高時可能造成空氣涌入巷道，產生富含空氣的煤層氣，不利于形成高濃度富集區。

2.2 儲層及圍巖滲透條件

煤炭資源枯竭礦井的儲層和圍巖一般具有較好的滲透條件。煤炭開采產生的井巷工程和采空區以及“三帶”裂隙為煤層氣運移提供了通道。采動影響范圍內有效儲氣空間的體積及裂隙發育程度受礦井關閉時間影響。巖石具可壓縮性，覆巖壓力作用下，采空區后方垮落巖石逐漸被壓實。隨著礦井封閉時間增加，壓實程度不斷增大，采空區體積逐漸變小，最終穩定，垮落巖石在縱深方向上的滲透系數具有明顯的分區。若采空區壓實程度高，垮落巖石內部空隙率相對就低，覆巖采動裂隙場不發育，減少煤層氣運移通道。

2.3 斷層構造

開放性斷層是煤層氣運移的重要通道。斷層與采空區交界處的上、下端頭位置受應力最大[9]，致使采空區的煤層氣向此處擴散運移，通過“三帶”裂隙向上運移[10]，若斷層連通地表或存在一系列連通地表的貫通裂隙，則會造成煤層氣逸散。

2.4 水文地質條件

礦井充水對煤層氣運移富集極為不利。礦井水恢復(涌入)減少現有井下氣體儲氣空間，發生解吸運移的殘氣減少，若聯絡巷道被淹，則各采區、煤層無法形成聯通的儲氣空間;部分未采煤層被淹，殘氣在較高的水壓作用下主要為吸附狀態，較難解吸運移;長期積水可能造成大量殘氣溶解于水中，降低儲氣空間中甲烷濃度，若徑流條件較好，地下水的流動帶走大量殘氣，減少煤層氣資源量。

3 煤炭資源枯竭礦井煤層氣運移及富集規律

3.1 近水平煤層單采空區運移及富集規律

煤炭枯竭礦井采空區煤層氣運移主要以瓦斯壓力差和濃度差為驅動力。煤層開采后采空區正上方區域均為卸壓區。礦井關閉初期，近水平煤層單采空區煤層氣垂向運移過程整體表現為殘煤解吸的殘氣在瓦斯壓力梯度驅使下，由開采層殘煤和鄰近層殘煤，經采動裂隙，向采空區方向運移。由于CH4密度比空氣小，不考慮個別高瓦斯礦井關閉后仍保留的機械風流的影響，則殘氣首先向采空區頂部方向擴散運移。采空區上方“三帶”形成時覆巖應力降低，冒落帶和裂隙帶孔裂隙增大、增多，部分形成貫通裂隙，且初期裂隙帶中殘氣濃度較采空區頂部低，濃度梯度和壓力梯度共同驅使殘氣由采空區經垮落帶區域裂隙向裂隙帶方向擴散運移，若裂隙帶上覆巖層封蓋條件較好，頂部無大型開放性斷層或者豎向貫通裂隙發育較少，則最終以裂隙帶頂部為界形成一個高濃度富氣區(圖2)。否則殘氣經大型斷裂向淺部運移，并于地表薄弱處涌出，造成地表煤層氣泄露。在水動力條件較好的關閉礦井中，地下水回灌且未淹沒整個采空區時，水位上升導致采空區壓力升高，部分殘氣溶于水中成為溶解態隨礦井水流動運移，另有部分已解吸殘氣重新吸附。此外，若煤層為構造煤，則煤層中較難形成長久的孔裂隙，不利于煤層氣運移和聚集。

圖2 近水平煤層單采空區煤層氣垂向運移及富集示意

3.2 傾斜煤層相鄰采空區運移及富集規律

傾斜煤層單采空區煤層氣運移及富集區與近水平煤層類似，均在裂隙帶頂部形成高濃度富氣區，但受到浮力影響，煤層上傾一端殘氣濃度較高。相鄰采空區煤炭開采過程中，采動條件直接影響鄰近先形成采空區殘氣的運移結果。假設相鄰采空區Ⅰ、Ⅱ，采空區Ⅰ煤炭先行開采并封閉，區內殘氣向上傾裂隙帶方向運移，并于上方裂隙帶內先形成富氣區，相鄰采空區Ⅱ煤炭開采會造成多方面的影響。首先采空區Ⅱ的煤炭開采對開采層和鄰近層殘煤具有一定的解放作用，殘煤中的殘氣可發生進一步解吸運移，采空區Ⅰ中殘氣解吸運移均為氣相滲流。其次，采空區Ⅱ采動裂隙帶和彎曲下沉帶與采空區Ⅰ的重疊情況直接影響殘氣的運移結果。不發生重疊時，采空區Ⅱ煤炭開采不會影響采空區Ⅰ中殘氣富集區形態，Ⅱ封閉后將形成2個相互獨立的富氣區。若采空區Ⅱ覆巖移動導致采動影響范圍擴大，兩采空區裂隙帶及彎曲下沉帶發生明顯重疊，產生大量導通裂隙和離層裂隙，加之淺部采空區瓦斯壓力較低，采空區Ⅱ封閉后，半空區Ⅰ上方先行富集的殘氣，可在壓力梯度作用下沿這些貫通的裂隙向采空區Ⅱ方向發生二次運移，最終在采空區Ⅱ煤層上傾方向裂隙帶頂部形成一個面積較大、濃度較高的富氣區(圖3)。此時，采空區Ⅰ、Ⅱ瓦斯壓力達到共同平衡。此區域為煤炭資源枯竭礦井煤層氣開發最為有利的區域。

圖3 傾斜煤層相鄰采空區煤層氣運移及富集示意

4 實例分析

貴州省六枝礦區涼水井礦可采煤層共6層，總厚度為10.2 m，其中主采3號煤層，煤層平均厚度為1.17 m。井田為單斜構造，構造較為簡單。該礦井于1958年建井，1960年投產，并于2001年關閉。該礦煤層多，資源潛力大，盤江煤電集團準備對其關閉礦井煤層氣資源進行開發。2013年針對該礦采空區運用大功率高密度電阻率層析成像法進行勘探，初步查明勘探區域內采空區“三帶”發育情況及煤層氣運移、富集情況。結合該區已知點試驗資料、鄰近礦區電性資料和實測數據統計分析，認為采空區“三帶”波及范圍內基本為含氣區域(圖4)，煤層氣富集區域(V)位于采空區上方裂隙帶內。分析導致該現象的主要原因為CH4(煤層氣主要成分)密度相對較小，CH4可沿著開采形成的覆巖裂隙通道上運移。由于垮落帶和裂隙帶中的裂隙較為發育，對CH4向上運移的阻力較小，滲透率相對較大。然而彎曲下沉帶中裂隙不發育，對CH4向上運移的阻力較大，滲透率相對較小。因此，最終在裂隙帶內形成了煤層氣富集區。

個別煤層氣富集區域靠近地表(Ⅲ)，主要原因是礦井關閉時間較長，采空區上方地表發生沉降，彎曲下沉帶豎向裂隙增多，導致富集位置上移;由于第四系和風氧化帶封蓋性能較差，CH4氣體向大氣逸散，因此該區域中殘留氣體主要為N2等。采空區中部存在含氣較少的區域(Ⅳ)，分析認為原因是該處存在充水現象，煤層氣溶解并隨水流動，難以保存。

5 結論

(1)煤炭資源枯竭礦井殘氣主要賦存于采空區、鄰近煤巖層裂隙帶、本煤層殘煤及存在應力釋放的臨近層殘煤中。

(2)煤炭資源枯竭礦井煤層氣運移富集受廢棄采空區深度、儲層及圍巖滲透條件、斷層構造、水文地質條件等多種因素的影響，共同決定了關閉礦井煤層氣資源開發潛力。

(3)礦井關閉后，近水平煤層煤層氣垂向上由采空區經垮落帶向裂隙帶方向運移，并以裂隙帶頂部為界形成高濃度瓦斯富集區;傾斜煤層淺部采空區煤炭開采會影響深部已封閉采空區煤層氣運移，若相鄰采空區裂隙帶未重疊，則形成獨立的富氣區;反之，則深部采空區煤層氣發生二次運移，于淺部采空區煤層上傾方向形成統一的富氣區。

圖4 六枝礦區某礦采空區煤層氣資源評價

[1]孟鵬飛.廢棄礦井資源二次利用的研究[J].中國礦業，2011，20(7):62-65.

[2]魏慶喜，劉麗民.廢棄礦井煤層氣來源及賦存狀態[J].科技情報開發與經濟，2008，18(16):119-121.

[3]張培河.廢棄礦井瓦斯資源量計算主要參數確定方法[J]. 中國煤層氣，2007，4(3):15-17.

[4]韓保山，李健武，董敏濤.用下降曲線估算廢棄礦井煤層氣資源量[J]. 中國煤田地質，2005，17(5):37-46.

[5]韓保山，張新民，張群.廢棄礦井煤層氣資源量計算范圍研究[J]. 煤田地質與勘探，2004，32(1):29-31.

[6]張杰，林珊珊，曲永林，等.煤層氣氣驅吸附及解吸規律實驗研究[J]. 特種油氣藏，2012，19(6):122-125，148.

[7]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2003，173-193.

[8]王春曉，陳開巖，郭一鵬.采動裂隙橢拋帶內瓦斯運移理論基礎[J].黑龍江科技學院學報，2011，21(3):173-176.

[9]唐巨鵬，潘一山，梁政國.斷層構造對北票礦區煤層氣地表泄漏的影響[J].巖土力學，2007，28(4):694-698，704.

[10]唐巨鵬，潘一山，梁政國.北票礦區廢棄礦井煤層氣泄漏氣源集聚數值模擬[J].煤炭學報，2005，30(3):301-304.