中國廢棄煤礦瓦斯資源評價與抽采利用研究進展

吳金剛，毛俊睿

（1.河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003）

中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，隨著長期以來的高強度、大規模開采，因資源枯竭、政策措施等原因而關閉的煤礦數量不斷增加[1-6]。截止2018年中國廢棄煤礦數量已超過20 000處。而在地下煤礦中，有51%的煤礦屬于高瓦斯礦井[7-13]。由于中國煤炭賦存地質構造條件的復雜性，90%以上的煤礦均采用井工開采[14-15]，且實際回采率較低（30%～60%左右）[16-18]，因而礦井廢棄后采空區內遺留的煤柱、殘存的遺煤及上下受采動影響的臨近未采煤層等，在一定條件下會源源不斷地向廢棄煤礦內（主要為采空區）解吸瓦斯，較易引起瓦斯窒息等事故發生。此外，廢棄煤礦內游離態瓦斯受溫度差、濃度差、密度差、壓力差、地下水等因素的影響，往往會通過井口、上覆巖層裂隙等區域逸散至地表大氣中[19-23]，不僅容易引起瓦斯爆炸、自燃等事故發生，而且其導致的溫室效應等環境污染問題也愈發突出[24]。同時，廢棄煤礦賦存的瓦斯也可作為一種綠色高效的清潔能源被人們加以開發利用。據袁亮院士[25]調查指出，中國已關閉的廢棄煤礦中含有近5 000億m3的煤層氣資源；桑樹勛教授[16]預測，目前中國殘煤賦存瓦斯資源總量在1 132.7～2 187.2億m3之間。近年來，德國、英國、美國等國家都已成功對廢棄煤礦瓦斯資源進行了開發利用，并產生了良好的社會經濟效益[26-27]。在我國政府不斷推動供給側結構性改革與綠色可持續發展的政策形勢下，廢棄煤礦瓦斯資源的開發利用不僅能產生巨大的經濟效益，而且對保障煤礦安全生產、優化能源結構、改善大氣環境、服務全國能源革命戰略等，都有著十分重要的理論意義和實用價值[28-31]。從廢棄煤礦瓦斯賦存的利弊2方面及瓦斯賦存的時效性特點（廢棄煤礦瓦斯資源會隨著閉坑時間的增加而逐漸減少）進行綜合分析，可以得出對廢棄煤礦瓦斯資源的開發利用已迫在眉睫、勢在必行。因此，通過對廢棄煤礦瓦斯資源評價、瓦斯抽采利用這2方面研究成果的詳細匯總分析，得出中國廢棄煤礦瓦斯資源評價與抽采利用方面存在的問題及其進一步的研究方向，以期加快推動中國廢棄煤礦瓦斯資源開發利用的進程。

1 廢棄煤礦瓦斯資源評價的研究進展

準確評價瓦斯資源是廢棄煤礦瓦斯抽采與利用的基礎，由于目前礦井關閉程序多樣，且受到礦井報廢后很難進行現場測試及獲取廢棄煤礦瓦斯資源量計算所需參數的影響，如何合理準確的進行廢棄煤礦瓦斯資源評價是現場應用的難題之一，國內學者對此開展了大量的研究工作，主要集中于瓦斯賦存范圍的確定、瓦斯來源及賦存狀態的確定、瓦斯資源量估算模型的構建、瓦斯富集分布規律的研究這4個方面。

1.1 瓦斯賦存范圍的確定

對廢棄煤礦瓦斯賦存范圍的確定是進行瓦斯資源量估算的首要前提和基礎。廢棄煤礦瓦斯賦存范圍示意圖如圖1。

圖1 廢棄煤礦瓦斯賦存范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas occurrence scope in abandoned coal mine

韓寶山[8]借鑒羅新榮[32]教授提出的鄰近層殘余瓦斯壓力理論，提出以鄰近層殘余瓦斯壓力曲線斜率突變值處的高度作為廢棄煤礦瓦斯賦存的上下垂向范圍（圖1（a））。在此基礎上，將采空區近似等效為圓餅形區域，整個采動穩定區縱剖面近似等效為等腰梯形，依據邊界角計算出廢棄煤礦瓦斯賦存的橫向范圍（圖1（b））。孟召平[33]等從垂向“三帶”及橫向三區的角度入手，通過數值模擬，認為廢棄煤礦瓦斯的垂向頂部賦存范圍為裂隙帶頂部，橫向上部賦存范圍為采空區上覆巖層以破斷角向上垮落的區域，采空區底板上部瓦斯賦存的整體三維空間形態近似梯形。李日富[34]等提出采用經驗計算公式、極限高度計算公式分別計算出上覆巖層的裂隙高度，并對比兩者的大小，以確定垂向頂部范圍；橫向范圍通過導水裂縫角確定。當缺失導水裂縫角等資料時，可采用下保護層開采學中的卸壓角經驗值對橫向上部范圍進行估算。采空區下部的瓦斯賦存范圍為底板巖體發生塑性剪切破壞的區域。秦偉[35-36]等提出以卸壓解吸帶高度、側向支撐壓力峰值點處分別作為廢棄煤礦瓦斯賦存的垂向頂部和橫向上部范圍。李振[37]采用數值模擬手段，以卸壓系數的大小為判斷準則，分別對垮落式、刀柱式老空區的瓦斯賦存范圍進行了詳細分析。

可以看出，國內學者對廢棄煤礦瓦斯賦存范圍的界定尚未達成統一共識。對于廢棄煤礦瓦斯賦存的垂向范圍，采用韓寶山提出的鄰近層殘余瓦斯壓力曲線方法進行確定時，需鉆孔取樣以測定廢棄煤礦采空區上覆巖層各點處的殘余瓦斯壓力值，計算結果較為準確，但花費成本較高；孟召平等人以裂隙帶發育高度作為頂部垂向范圍，計算方法簡單，但計算結果可能與實際情況存在較大偏差；李日富將導水裂隙帶高度的經驗計算公式與覆巖關鍵層理論相結合，通過計算結果的比較，得出垂向頂部計算范圍。以塑性理論分析法的計算結果作為垂向底部瓦斯賦存范圍。相較直接以裂隙帶高度作為垂向頂部范圍，這一計算方法進一步提高了判斷垂向頂部范圍的精確程度，而計算垂向底部范圍的方法雖然計算結果較為精確，但所需參數獲取較為困難；相較上述方法，秦偉以卸壓程度值作為判斷依據，認為卸壓解吸帶高度即為垂向頂部范圍，以數值模擬手段得出瓦斯的賦存范圍，計算結果較為準確，且所需成本較低。對于廢棄煤礦瓦斯賦存的橫向范圍，韓寶山、李日富等人分別以邊界角、導水裂縫角作為橫向范圍的判斷依據；孟召平、秦偉等人分別以破斷角、側向支撐壓力峰值點處作為橫向上部范圍的判斷依據；對上述4種判斷方法進行對比分析，可得以邊界角作為判斷依據是一種簡單易行、計算結果較為準確的判斷方法。

1.2 瓦斯來源及賦存狀態的確定

廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態的確定是合理選擇瓦斯抽采方式及瓦斯資源量估算的重要前提。國內學者基本認同廢棄煤礦瓦斯的賦存狀態存在3種：游離態、吸附態及溶解態[16,27,33,38]。由于各廢棄煤礦水文地質環境的不同，會造成上述3種不同狀態瓦斯的占比不同。桑樹勛、崔永君、李襲明等[16,27,39]分別從不同角度出發，對廢棄煤礦瓦斯的來源進行了詳細分析，但未提及生物成因瓦斯這一來源。魏慶喜等[40]認為除以上瓦斯賦存來源外，廢棄煤礦的整體環境有利于生物成因生成瓦斯，存在生物成因產生瓦斯這一瓦斯來源。劉超等[41]通過將廢棄煤礦瓦斯與正常生產礦井瓦斯之間進行同位素對比分析，得出廢棄煤礦瓦斯主要以熱成因氣為主（83.61%～91.07%），含有少量次生生物氣（8.93%～16.39%），證實了存在生物成因產生瓦斯這一瓦斯來源。廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態如圖2。

圖2 廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態Fig.2 Source and occurrence state of gas in abandoned coal min e

1.3 瓦斯資源量估算模型的構建

瓦斯資源量估算模型的構建是廢棄煤礦瓦斯資源評價的核心內容。韓寶山[8]提出物質平衡法、資源構成法均適合廢棄煤礦瓦斯資源量估算，并給出了這2種廢棄煤礦瓦斯資源量的基本計算公式。在此基礎上，從經濟和技術角度，提出了2種廢棄煤礦瓦斯可采資源量的計算方法。2005年，韓寶山等[42]采用Fetkovitch等[43]提出的廢棄煤礦瓦斯涌出速度方程對大量煤心解吸測試數據進行擬合，認為可采用下降曲線法對廢棄煤礦瓦斯資源量進行估算，但并未對鉆孔現場瓦斯解吸速度與廢棄煤礦瓦斯涌出速度之間的關系進行深入研究，因而該方法的精確、可靠程度尚未得到驗證。張培河[44]對韓寶山提出的物質平衡法、資源構成法進行了詳細對比分析，認為資源構成法相對簡單、計算結果也相對更為準確可靠，并對采用資源構成法計算瓦斯資源量所需主要參數的確定方法進行了討論分析。秦偉等[45]構建了采用分源法計算老采空區瓦斯資源量的詳細估算模型，在此基礎上，以陽泉三礦K8108工作面為實際工程背景，利用物質平衡法對分源法的計算結果進行驗證，得出分源法計算模型是準確可靠的。李日富等[46]采用來源分析法和體積計算法，構建了采動穩定區瓦斯資源量分源疊加計算模型，并指出了模型計算時關鍵參數的計算公式或取值方法。周效志、桑樹勛等[47]從瓦斯資源開發的角度，提出了資源可采性分類法、解吸過程法這2種計算方法，它們分別適用于尚未關閉的煤炭資源枯竭型礦井和已關閉的煤炭資源枯竭型礦井。

學者們在廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型建構時并未考慮瓦斯自地表涌出、采空區存在積水或穩定水系等影響因素所造成的資源量損失。孟召平等[33]從巖石孔隙率角度出發，推導得出了廢棄煤礦采空區在有積水情況下的瓦斯資源量詳細估算模型。文光才等[48]基于“間接減法”理念，推導得出了存在瓦斯自地表涌出這一情況下的廢棄煤礦瓦斯資源量詳細估算模型，并通過實際抽采量的對比分析，驗證了這一估算模型是準確可靠的。由此可見，對廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型的構建仍需不斷進行深入研究，以期合理、精準、高效地滿足實際工程應用的需要。

1.4 瓦斯富集分布規律的研究

對廢棄煤礦瓦斯富集分布規律的深入研究是進行瓦斯資源抽采的首要前提和基礎。尹志勝、桑樹勛等[49]從“三帶”發育及瓦斯吸附解吸角度對廢棄煤礦單、多工作面采空區的瓦斯富集分布規律進行了簡單分析，得出在無充水、蓋層密封性較好的條件下，近水平單工作面采空區的瓦斯富集區邊界為裂隙帶頂部，鄰近傾斜工作面采空區內的瓦斯富集分布規律為瓦斯主要匯集在高度較高的采空區裂隙帶頂部。盤江煤電集團采用大功率高密度電阻率層析成像法對涼水井礦（廢棄煤礦）進行了瓦斯富集分布規律的初步勘探[49]。馮國瑞等[50]采用FLAC軟件對廢棄煤礦小采空區內三維應力分布狀況進行了數值模擬研究，認為廢棄煤礦工作面采空區的瓦斯富集區形態近似“蟹”形，工作面采空區的寬度與富集區的范圍呈正相關關系，且瓦斯富集區的頂部高度一直大于底部高度（以采空區為中心）。馮國瑞等[51]通過物理相似模擬實驗，認為廢棄煤礦工作面采空區的主儲氣區域位于裂隙帶內，次儲氣區域位于跨落帶內；隨著工作面推進距離的不斷增加，總儲氣面積呈先增加后迅速降低的變化趨勢，主儲氣區域面積呈先增加后緩慢降低的變化趨勢。馮國瑞等[52]采用物理相似模擬實驗，得出廢棄煤礦工作面采空區的瓦斯濃度自下而上可以分為4個區域：源流區、抑流區、匯流區及無流區；這4個區域的高度與采空區高度呈正相關關系。

由上述研究成果可以發現，國內學者在對廢棄煤礦瓦斯富集分布規律進行研究時，將研究對象縮小為廢棄煤礦工作面采空區，且未考慮瓦斯在廢棄煤礦內運移富集時的時間效應，因而可能與真實的廢棄煤礦瓦斯富集分布規律存在一定的差異。

2 廢棄煤礦瓦斯抽采利用的研究進展

廢棄煤礦瓦斯抽采在廢棄煤礦瓦斯資源的開發利用過程中起著承上啟下的重要意義。當前，廢棄煤礦瓦斯抽采技術主要包括地面抽采（含井筒抽采）、井下密閉抽采及預留專門管道抽采，國內學者對廢棄煤礦瓦斯抽采的研究主要集中在布井優化方面。

高強等[13,53]通過COMSOL軟件對廢棄煤礦瓦斯抽采的地面布井位置進行了數值模擬研究，認為頂板未垮落工作面采空區、頂板垮落未壓實工作面采空區及充分采動廢棄工作面采空區的最佳布井位置分別為：工作面采空區的中部、走向邊界及“O”形裂隙圈內，且各地面布井位置均存在一定的抽采盲區。李振[37]從開采方式的角度出發，提出廢棄煤礦跨落式工作面采空區、刀柱式工作面采空區的地面鉆井最佳布置位置分別位于：“U”形瓦斯富集區、卸壓區內由空腔、受塑性破壞的煤柱以及破碎煤巖體共同組成的瓦斯富集區。秦偉等[35,54]通過數值模擬、物理模擬實驗，得出廢棄煤礦工作面采空區的“O”形裂隙圈區域是地面抽采瓦斯資源的最佳布井位置。馮國瑞等[50,52]通過數值模擬、物理模擬實驗，對比分析了地面鉆井末端分別位于源流區、匯流區及煤柱3個區域內的瓦斯抽采效果，得出將地面鉆井末端布設在源流區內會得到較好的抽采效果。

我國的瓦斯抽采以開采前的預抽煤層瓦斯和生產過程中卸壓煤層（采空區）瓦斯抽采為主，真正意義上的廢棄煤礦瓦斯抽采工程較少。2013年，山西藍焰公司投入運營了第1口廢棄煤礦地面瓦斯抽采井，日產量保持在4 500 m3左右，濃度穩定在90%以上，目前該公司共運行廢棄煤礦瓦斯抽采井40余口，抽采瓦斯的利用途徑多為供給生活燃氣、瓦斯發電等。

3 廢棄煤礦瓦斯資源評價與抽采利用的研究方向

1）廢棄煤礦瓦斯開發利用選區原則的全面制定。進行廢棄煤礦瓦斯資源評價前，首先應通過選區原則對目標礦井是否具有開發利用價值進行簡單評估，國內僅有少量文獻提及這一方面，且內容較少，不能滿足當前的實際工程應用[55-58]。因而，應從區域、地質條件、技術、經濟等方面綜合制定全面的廢棄煤礦瓦斯開發利用選區原則，這樣方可避免盲目的直接對廢棄煤礦瓦斯資源進行評價，造成大量人力、物力的浪費。

2）廢棄煤礦瓦斯賦存范圍的精準確定。國內學者分別從巖層卸壓程度、“三帶”發育高度、殘余瓦斯壓力、移動角、導水裂縫角等角度對瓦斯賦存范圍進行了深入研究，但這些方法在實際工程應用時存在適用性不強、準確度不高、未完全制定出成體系的一套標準確定程序等問題。因而，需要研究制定出具有廣泛適用性、準確程度較高、形成標準程序的廢棄煤礦瓦斯賦存范圍確定體系。

3）廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型的合理、準確構建。當前構建的廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型中存在影響瓦斯資源量估算大小的因素考慮不全面、部分所需計算參數獲取困難、估算的準確程度不高等問題。因而，應系統的考慮所有影響廢棄煤礦瓦斯資源量估算的因素，合理的忽略部分影響因素，進而構建出更為準確、合理、計算高效的廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型。

4）廢棄煤礦瓦斯富集分布規律的深入認識。從研究對象來看，國內學者主要是以廢棄煤礦單工作面采空區為研究對象進行簡化研究，而真實的廢棄煤礦主要由多個工作面采空區、煤柱及巷道這3個對象構成的；從研究方法來看，主要是以二、三維穩態模型開展廢棄煤礦瓦斯富集分布規律的研究，而真實的廢棄煤礦瓦斯富集分布規律具有明顯的時空演化特征。上述簡化研究對客觀認識廢棄煤礦瓦斯富集分布規律具有一定的局限性，因而需要對廢棄煤礦瓦斯富集分布規律進一步進行深入認識。

5）廢棄煤礦瓦斯抽采可行性評價體系及評價方法的構建。廢棄煤礦瓦斯抽采必須遵守科學采礦、精準采礦的先進理念。因而，在對廢棄煤礦瓦斯進行抽采前，必須解決廢棄煤礦瓦斯抽采可行性評價體系及評價方法構建這一關鍵性基礎科學問題，進而科學的評價廢棄煤礦瓦斯抽采的技術經濟可行性，方可避免盲目開發造成爛尾工程。

6）廢棄煤礦瓦斯抽采布井位置的再優化。國內學者對瓦斯抽采布井位置優化研究的對象多為廢棄煤礦單工作面采空區，且基本認同廢棄煤礦單工作面充分采動采空區的地面最佳布井位置為“O”形裂隙圈區域。而實際工程應用是從整個廢棄煤礦的瓦斯抽采角度出發進行布井位置選擇，同時真實的廢棄煤礦工作面采空區的覆巖垮落狀況（即孔裂隙分布狀況）必然與僅考慮廢棄煤礦單工作面采空區的狀況有所不同，這就可能造成瓦斯抽采失敗等情況發生。因而，需要進一步從廢棄煤礦整體角度出發對瓦斯抽采的布井位置進行再優化。

4 結語

《煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用“十三五”規劃》指出，廢棄煤礦殘存瓦斯的抽采利用或將成為煤層氣產業新的增長點。中國擁有數量龐大的廢棄煤礦且多為高瓦斯礦井，因而廢棄煤礦瓦斯資源的開發具有廣闊的應用前景。經過20多年的努力發展，我國已在廢棄煤礦瓦斯資源評價、瓦斯資源開發利用這2個廢棄煤礦瓦斯資源開發利用的核心環節取得了豐富的研究成果，但仍需在這2個核心環節的多個方面，如廢棄煤礦瓦斯富集分布規律、抽采布井的位置優化、抽采可行性評價等，不斷進行深入研究。同時，應借鑒吸收國內外煤層氣評價與抽采利用的理論、技術及裝備，開展適合于廢棄煤礦瓦斯資源評價與抽采利用的新理論、新技術、新裝備研究。