深部煤層瓦斯賦存機制研究現狀及展望

秦玉金，陳煜朋，3，姜文忠，3，于笑晨，蘇偉偉

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.煤炭科學研究總院，北京100013；4.兗礦集團有限公司，山東 鄒城273500）

經過幾十年持續大規模開采，我國淺部礦產資源已趨于枯竭，礦產資源采深已進入1 000～2 000 m 以深水平[1]，截止2015 年，全國千米深礦井近80余座。目前，我國礦井開采強度平均每年以10～25 m的速度向地下延伸[2]，預計2030 年左右我國多數礦井采深都將進入千米級。深部礦產資源豐富，就煤礦而言，中國1 000 m 以深的煤炭資源量占已探明煤炭資源總量的53%[3-4]；就煤層氣而言，中國埋深1 200～2 000 m 的煤層氣地質資源量約為16.67×1012m3[5-6]，主要盆地埋深2 000～3 000 m 的煤層氣地質資源量達18.47×1012m3[6-7]。深部煤炭和瓦斯資源開采是新時代下能源經濟健康、快速發展的重要支撐，在未來實現深部資源規模化開采程度之前，準確認識深部開采環境基本特征、建立完善的深部資源開采理論是新時代深部開采的研究主題。近年來，為了解決深部煤層瓦斯資源開采及瓦斯災害治理等面臨的技術難題，國內眾多學者圍繞著深部煤層瓦斯賦存機制開展了相關研究，取得了重要研究成果，極大豐富了深部開采理論。

1 深部煤層的內涵

關于深部的概念與內涵目前還沒有統一共識。國際巖石力學學會把硬巖發生軟化的深度作為進入深部工程的界限，大多數專家結合我國的客觀實際，認為中國深部煤礦的深度可界定為800～1 500 m[2]。謝和平院士[8]提出了亞臨界深度、臨界深度、超臨界深度等概念和定義，并指出“深部”不是深度，而是一種由地應力水平、采動應力狀態和圍巖屬性共同決定的力學狀態，通過力學分析可給出定量化表征。何滿潮院士等[9]提出將工程巖體開始出現非線性力學現象的深度及其以下深度區間定義為深部開采工程。秦勇[10]通過研究地應力分布的規律以及煤層氣含量臨界深度的出現，提出用側壓系數和含氣量反轉來表征臨界深度。可以看出，有關深部界定主要采用地應力、采動應力、圍巖屬性為主的量化指標，從煤巖體力學性質角度進行研究。對于深部煤層瓦斯而言，單一的力學體系已不能完全反應瓦斯賦存的真實狀態，涵蓋應力之外的滲流擴散、吸附解吸、孔隙特性、地溫變化等因素構成的應力場、溫度場、流體場等多物理場耦合環境才是研究深部煤層瓦斯賦存機制的客觀條件。當前，煤層瓦斯賦存特征影響研究主要集中于單一物理場，間接造成深部煤層瓦斯界定的片面性和不客觀性，開展多物理場耦合作用對煤層瓦斯賦存影響研究不僅進一步補充深部瓦斯賦存理論，也必將推動構建更為完善的深部煤層體系。

2 深部煤層瓦斯賦存特征研究現狀

從淺部到深部，煤層瓦斯賦存環境發生顯著變化，高地應力、高地溫、高瓦斯壓力、低滲透率的“三高一低”特征決定煤儲層的受力狀態、孔隙率和滲透率，進而影響著煤層瓦斯賦存、吸附解吸平衡及在煤儲層中的擴散與滲流。近年來許多學者針對單一特征對瓦斯賦存的影響做了較為細致的研究。

2.1 地應力對深部煤層瓦斯賦存的影響

地層中垂直應力可近似看作線性變化，隨著埋深增加，垂直應力線性增加[11]，而水平應力的分布規律則更為復雜[12]。康紅普院士等[13]分析我國各礦區地應力分布數據發現：埋深1 000 m 以淺井區的地應力狀態以水平應力為主，1 000 m 以深的圍巖地應力狀態轉變為以垂直應力為主，表明了三軸受壓是深部煤儲層應力分布的真實狀態。劉大猛[14]、謝曉彤[15]、何偉鋼[16]等研究得出煤巖滲透率隨著垂直應力、最大和最小水平主應力的增大而減小，兩者呈負指數關系。王登科[17]、李曉泉[18]等研究分析了復雜圍壓加載路徑下和循環荷載下煤巖滲透率的變化規律，得出結論：含瓦斯煤巖的滲透率隨著軸壓和圍壓的增大而減小，呈指數關系變化。尚宏波等[19]利用自主研制的破碎巖石三軸滲流實驗系統，通過實驗得出三軸應力作用下破碎煤樣的孔隙率隨圍壓的增大而減小，兩者之間的關系符合對數函數。孟雅[20]、尹光志[21]等進一步研究指出煤樣滲透率和孔隙度與有效應力之間存在負指數函數關系。

無論滲透率與地應力之間是指數函數關系還是對數函數關系，都符合前期滲透率急劇減小，后期減小緩慢的規律。當地應力較小時，煤層主要以煤巖體骨架承壓，煤巖體骨架發生大的結構變形，孔隙和裂隙急劇減少，導致孔隙率與滲透率明顯下降；當地應力較大時，由于煤巖體中游離瓦斯受到應力壓縮，孔隙壓力增大，部分地應力被分擔，有效應力增加減緩，由此隨著地應力的增加，孔隙率和滲透率的敏感性也將減弱。

在淺部，煤巖地質體的彈性較大，地應力小，表現出應力對瓦斯壓力的影響不明顯，煤層敏感特性以瓦斯壓力為主；進入深部地區之后，因地應力較大，瓦斯壓力及瓦斯賦存狀態發生變化，深部煤層應看作為固相和氣相的結合體。對于高地應力、有效應力和瓦斯壓力三者之間的關系還需進一步深入研究。

2.2 溫度對深部煤層瓦斯賦存的影響

每個礦井所處的地質環境不同，受區域地質構造、地下水等因素影響，礦井的地溫梯度變化不一樣[22]。但隨著煤層埋藏深度的不斷增加，煤巖溫度往往不斷升高。高溫對于煤層瓦斯賦存有重要影響。張翔[23]、侯程[24]等試驗結果表明壓力保持一定時，煤的瓦斯吸附量隨溫度升高而減少。何滿潮等[25]研究得出溫度升高是導致煤層氣體大量解吸的主要原因之一。郭平[26]通過實驗測得吸附常數a 隨著溫度的升高呈現先增大后減小的變化趨勢，吸附常數b 隨著溫度的升高逐漸減小，減小幅度不斷減緩，最終趨于1 個極限值。秦玉金等[27]通過數值模擬分析得出在深部煤層中溫度升高所導致的瓦斯吸附量減少抵消了壓力增大導致的瓦斯吸附量增加。張丹丹等[28]研究發現原煤和型煤的滲透率與溫度之間符合負指數關系，同時敏感性隨溫度升高而降低。嚴敏等[29]研究得出：瓦斯在煤體中初始有效擴散系數及動力學擴散參數隨溫度升高而增大。王玲玲等[30]實驗發現高溫將使得煤的孔隙結構發生變化。李志強等[31-32]進一步研究發現溫度對于煤體滲透率的影響并不單調，低有效應力條件下，滲透率與溫度正相關，高有效應力條件下，滲透率與溫度負相關。

可以看出溫度對瓦斯吸附和解吸具有顯著影響，并能引起吸附參數和滲透率的變化。根據吸附勢理論，溫度升高，瓦斯分子吸附勢增大，吸附難度增大，吸附量因此減少。吸附參數的減小表示瓦斯的極限吸附量隨著溫度的升高而減小，溫度的負效應大于瓦斯壓力的正效應。溫度升高與滲透率之間的關系從微觀上進行分析：當煤體所受有效應力較小時，高溫所引起的煤體骨架膨脹和瓦斯氣體膨脹將形成熱應力使得煤體內孔隙和裂隙增大，連通度加強，進一步引起吸附瓦斯解吸成為游離態瓦斯，滲透率和滲透量同時增大，而當煤體所受有效應力較大時，高溫引起的膨脹將表現為向內膨脹，擠壓煤體內孔隙和裂隙，降低滲透率。

實際條件下，高溫是深部煤層中瓦斯含量反轉的重要原因，又由于地應力大，深部環境滿足熱應力小于有效應力的條件，煤體中的孔隙和裂隙被壓縮和堵塞，瓦斯運移困難。對于高溫與滲透量之間的關系還可以進一步深入研究。

2.3 瓦斯壓力對深部煤層瓦斯賦存的影響

對于煤層瓦斯壓力與埋深的關系有3 種解釋：線性關系、指數函數關系和冪函數關系[33]。無論符合哪種函數關系，煤層瓦斯壓力隨著埋深總是增加的。一些學者通過實驗研究以及數值模擬的方式對瓦斯壓力與瓦斯吸附-解吸、瓦斯運移的關系進行了探索研究。趙麗娟等[34]通過對長焰煤、肥煤、瘦煤以及貧煤進行等溫吸附實驗，指出在給定溫度的情況下，煤對瓦斯的吸附量隨著瓦斯壓力的增加先是呈指數式增長，而當壓力達到5 MPa 以后，吸附量變為緩慢增加。當瓦斯壓力升高到一定程度后，吸附量趨于穩定。李奇等[35]采集了我國典型礦區的涵蓋褐煤-無煙煤的14 個煤樣，進行等溫吸附實驗后得出結論：此14 組煤樣在吸附平衡壓力小于1 MPa范圍內，瓦斯吸附量變化明顯，隨著壓力升高，瓦斯吸附量增加趨勢逐漸減小，最后趨于穩定，整體變化趨勢符合Langmuir 方程曲線，終極趨向極限瓦斯吸附量。聶百勝等[36]經過實驗得出吸附平衡壓力越大，顆粒煤中初始有效擴散系數越大，瓦斯解吸率越大；而李志強等[37]在對柱狀原煤樣進行瓦斯擴散實驗時發現，擴散系數和有效擴散系數隨平衡壓力增高而減小。

可以發現瓦斯壓力對于瓦斯吸附量是正相關的，并且在瓦斯壓力增加的初始階段，瓦斯吸附量可看做線性增加，進入高壓力和超高壓階段，瓦斯吸附量增加放緩。原因在于當瓦斯壓力不太大的時候，隨著壓力的增大，瓦斯分子由于壓差的存在可以比較輕易地進入煤體中較大的孔隙和裂隙，所以煤體對瓦斯的吸附量增加趨勢明顯，而對于微孔隙，即便瓦斯壓力繼續增大，瓦斯分子也很難進入，只能利用濃度差以擴散的形式進入，因此當瓦斯壓力超過一定值后，吸附量隨壓力增大的趨勢逐漸減緩。

2 個瓦斯擴散實驗得出相反結論的原因在于煤骨架吸附瓦斯后發生膨脹變形，這種膨脹變形在有束縛的情況下方向向內，如在柱狀煤樣中，導致瓦斯運移通道變窄，孔隙率降低，吸附量越大，向內的膨脹變形越大，孔隙率越小，擴散系數也越小。而在顆粒煤中，由于煤骨架不受約束，因此膨脹應力與瓦斯壓力使得顆粒煤中孔隙和裂隙發育，孔隙率增大，擴散系數也隨之增大。

2.4 滲透率對深部煤層瓦斯賦存的影響

煤作為一種多孔隙介質，內部孔隙結構復雜，隨機分布著大小從納米級至微米級的孔隙，還有肉眼可見的裂隙，它們決定了煤體滲透性能的好壞。滲透性對于瓦斯賦存具有重要影響，它是煤層瓦斯運移難易程度的指標，煤體滲透率越低，孔隙率相對就小。王公忠等[38]研究發現在恒溫條件下，孔隙率和滲透率之間符合二次函數關系，孔隙率越小，滲透率越低。

深部煤層由于地應力和溫度的增加，內部孔隙和裂隙體積減小，煤體結構更加密實，瓦斯賦存和運移通道直徑縮小，運移困難，因此達西滲流非常不明顯，瓦斯運移以擴散為主。而胡國忠等[39]通過實驗得出瓦斯在低滲透率煤層中的滲流和水不同，具有顯著的滑脫效應，影響瓦斯運移速度，同時瓦斯吸附于孔隙和裂隙表面，使得有效運移通道縮小，瓦斯運移速度明顯減慢。此外研究證明煤體是各項異性體[40]，相較于垂直層里面方向，瓦斯沿平行層理面流動的速度要大得多，這說明沿層理方向的滲透率比垂直層理面滲透率大得多，有可能相差幾個數量級。

低滲透率是深部煤巖體利于瓦斯賦存的重要原因之一，相較于淺部煤層，深部煤層成煤過程中生成的瓦斯因煤巖體滲透率低難以運移，從而較好的賦存在煤體中。影響深部煤層滲透率的因素有很多，除地應力、溫度、瓦斯壓力、有效應力外，還包括煤巖類型、水文條件、地質構造等。目前對于多個復雜條件下，煤巖滲透率變化規律的研究還不完善，需要進一步發展。

3 深部多場耦合作用機制研究現狀

深部煤層中瓦斯的儲存以及運移受應力、溫度等多個因素影響，這些因素形成多個物理場，多場之間的耦合作用決定了深部煤層瓦斯的賦存機制。舒才等[41]在研究熱-流-固三場耦合作用時引入兩能態吸附熱理論建立耦合模型，從理論上闡述了煤層瓦斯流動過程中吸附解吸、應力場、溫度場、滲流場相互影響的作用機制。林柏泉等[42]基于雙重孔隙介質的假設，建立了應力場、滲流場和擴散場多場耦合模型，研究了煤層瓦斯流場演化規律。李祥春等[43]研究了煤體裂隙產生擴展過程中振動場、電磁場、應力場、滲流場的耦合變化；秦玉金等[27]建立了關于瓦斯運移的應力場、滲流場和溫度場的多物理場耦合模型，分析了煤層多物理場耦合模型與瓦斯賦存的關系。另外劉向君[44]、王公忠[45]、楊凱[46]、袁梅[47]等通過實驗研究了溫度和壓力耦合作用下含瓦斯煤巖滲透率的變化。黃旭超[48]建立了含瓦斯煤流-熱-固三場耦合數學模型，分析了滲透場和壓力場的變化規律。尹光志[49]進行了含瓦斯煤熱流固耦合全應力-應變瓦斯滲流實驗。李波波[50]研究了力熱耦合作用下瓦斯吸附量與煤巖滲透率的變化。

以上實驗探索研究了煤層中多物理場的耦合作用機制，闡釋了瓦斯賦存與運移動態過程中，多個物理場的相互影響。但是煤層多場耦合作用機制中既存在較多的物理場，又控制著煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯的吸附解吸平衡、煤層應變等諸多變量，因此目前對于深部多場耦合作用機制的研究還不夠全面。此外以上實驗所進行的研究并不針對深部煤層瓦斯的賦存，只描述了多個物理場之間的相互聯系，認為在深部煤層瓦斯賦存機制中，各個物理場均起作用，但是并沒有確定出控制深部煤層瓦斯機制的主要物理場。下一步的研究方向即在于針對深部煤層研究瓦斯賦存機制中多個物理場之間的耦合作用以及確定出主要物理場。

4 研究的不足

1）關于深部界定理論研究，從深部煤巖體線性力學轉為非線性、煤層瓦斯含氣量反轉等客觀物理現象，可斷定深部煤層特征不僅僅是深度的變化，而是多個物理場耦合作用的結果。對于深部煤層瓦斯賦存深度，還應結合深部復雜的圍巖環境，從瓦斯吸附解吸、滲流擴散等多角度充分研究深部煤層瓦斯賦存基本特征。

2）目前對于影響煤層瓦斯賦存的單一特征因素作用規律已經有了一定的研究，但是關于影響因素之間的耦合作用研究還不夠完善。此外針對深部煤層瓦斯賦存機制的研究還多是從淺部煤層瓦斯賦存規律的理論基礎出發，對深部煤層進行推導。而深部環境同時存在高地應力、高溫、高瓦斯壓力、低滲透率等多個條件，通過推導不能合理準確地解釋實際的深部煤層瓦斯賦存規律，這也是現階段深部瓦斯含量預測不準確以及現場抽采效果不理想的重要原因。

3）以往實驗研究集中于高溫和高壓對深部煤層瓦斯賦存的影響，但實際地質條件下影響深部煤層瓦斯賦存的因素還有煤巖體強度、層理、構造、水文地質條件、構造作用等。這些因素的存在有時會對瓦斯賦存起到關鍵作用，而針對這些因素的研究還停留在定性的階段，未能有定量的描述。

4）不同尺度實驗條件下得到的結論有所不同，如溫度對瓦斯擴散的影響，在顆粒尺度下與柱狀煤樣尺度下得出的結論相反，說明實驗條件本身需符合深部煤層賦存實際條件，結論才能符合現場實踐。另外實驗研究的過程中鮮有考慮時效性，實驗條件作用的時間和作用的先后順序不同，得出的實驗結論也會有所差異。

5 結 語

1）應進一步研究深部煤層中高地應力、有效應力和瓦斯壓力三者之間的關系以及在有效應力較大的條件下溫度升高與滲透量之間的關系。

2）針對深部煤層研究高地應力、高溫和高瓦斯壓力等多個因素共同影響下瓦斯的賦存規律，同時對于多個因素之間相互影響的研究還需更進一步。

3）應采用現場采樣、現場實驗、實驗室測試等多種手段研究研究煤巖體強度、層理、構造、變質程度等因素對于深部煤層瓦斯賦存機制的影響。4）應進一步研究深部煤層瓦斯賦存機制在深部煤層瓦斯含量預測、深部低滲煤層增透、深部煤層瓦斯抽采、深部瓦斯動力災害防治等方面的應用，以便更好地指導工程實踐。