廢棄礦井遺留煤層氣資源次生富集成藏研究現(xiàn)狀及展望

王家琛，楊兆彪，秦 勇，楊彥群，董志勇，孟祥昊

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.山西焦煤集團(tuán)公司技術(shù)中心，山西 太原 030024)

中國具有富煤貧油少氣的能源格局，煤炭能源依然會(huì)在未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)居于能源結(jié)構(gòu)中的重要位置[1]，但隨著煤炭資源的不斷開采和“雙碳目標(biāo)”的落實(shí)，會(huì)有大量煤礦在整個(gè)行業(yè)的優(yōu)化調(diào)整中被關(guān)閉。我國煤炭開采歷史長(zhǎng)久，自20 世紀(jì)末到21 世紀(jì)初，全國關(guān)停礦井有將近7 萬處。各地區(qū)煤礦生產(chǎn)過程中，因回采率的制約和地質(zhì)條件限制，據(jù)估算有45%～50%的主采煤層和保留煤柱的煤炭遺留在井下，而這些遺留煤炭資源中賦存大量煤層氣資源。

統(tǒng)計(jì)表明，20 世紀(jì)末各種情況導(dǎo)致的遺留的煤炭資源量將近300 多億噸，其中聚集的遺留煤層氣(Abandoned Mine Methane，AMM)據(jù)估算將達(dá)到上千億m3[2]。隨著關(guān)閉煤礦的增加，還會(huì)產(chǎn)生大量廢棄采空區(qū)，采空區(qū)周圍形成采動(dòng)區(qū)，遺留的煤層氣資源量會(huì)進(jìn)入一個(gè)動(dòng)態(tài)高速增長(zhǎng)期。遺留的煤層氣資源若不妥善利用，任由其遺留地下廢棄采空區(qū)，一方面，會(huì)造成優(yōu)質(zhì)能源的浪費(fèi)，并威脅與其賦存層位鄰近井下工作面的安全生產(chǎn)；另一方面，淺埋深廢棄煤礦的遺留煤層氣可順采動(dòng)裂隙帶逸散到地表，而CH4造成的溫室效應(yīng)是同等體積CO2的20 多倍，會(huì)對(duì)氣候和生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。在當(dāng)前國家大力推進(jìn)“雙碳目標(biāo)”落實(shí)階段，廢棄礦井遺留煤層氣資源評(píng)價(jià)與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)具有其獨(dú)特性，源于其在原始地質(zhì)條件下擾動(dòng)后的二次動(dòng)態(tài)成藏。因此，準(zhǔn)確圈定遺留煤層氣富集空間及其采動(dòng)裂隙場(chǎng)，揭示遺留煤層氣的賦存特征及其動(dòng)態(tài)運(yùn)移和聚集過程，建立遺留煤層氣資源量的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型是廢棄礦井遺留煤層氣資源成功開發(fā)的地質(zhì)理論基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)以上研究的進(jìn)展開展了綜述，并探討今后研究方向。

1 開采擾動(dòng)區(qū)分帶及應(yīng)力-裂隙-滲流三場(chǎng)特征

1.1 煤層開采覆巖擾動(dòng)區(qū)

開采煤層工作面推進(jìn)時(shí)，覆巖會(huì)經(jīng)歷頂板垮落、離層產(chǎn)生、擾動(dòng)裂隙的延展、擾動(dòng)區(qū)外圍地層彎曲下沉等一系列過程，前人針對(duì)開采擾動(dòng)條件下覆巖移動(dòng)和破壞特征提出了眾多理論，如傳遞巖梁假說、砌體梁理論，覆巖關(guān)鍵層理論等。國內(nèi)外學(xué)者基于現(xiàn)有理論，對(duì)煤層開采擾動(dòng)地層的演化規(guī)律進(jìn)行深入的研究，普遍認(rèn)為長(zhǎng)壁開采工作面上覆地層存在3 個(gè)垂向的移動(dòng)帶[3-6]，分別為垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和接近地表的彎曲下沉帶，同時(shí)給出了經(jīng)驗(yàn)公式用以判斷“三帶”范圍(圖1)。

圖1 擾動(dòng)區(qū)分帶Fig.1 Diagram of the disturbed area

針對(duì)具有采深大、煤層厚、工作面跨度大等特殊條件的開采煤層，其覆巖關(guān)鍵層與開采煤層的位置關(guān)系，對(duì)導(dǎo)水裂隙帶的垂向延展距離起到控制作用，許家林等[7]應(yīng)用相似模擬研究手段，發(fā)現(xiàn)覆巖關(guān)鍵層位于煤層采高的7～10 倍距離內(nèi)時(shí)，其控制的破斷裂縫會(huì)貫通為導(dǎo)水裂隙。陳榮華等[8]根據(jù)長(zhǎng)臂開采工作面現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立采場(chǎng)模型，應(yīng)用仿真軟件RFPA2D對(duì)煤礦開采進(jìn)行分步開挖模擬，通過分析推進(jìn)過程中覆巖的形變和破斷，預(yù)測(cè)覆巖裂隙帶頂部高度為83 m，與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔得到83.9 m 裂隙帶高度基本吻合。徐光等[9]針對(duì)開采擾動(dòng)下覆巖導(dǎo)水裂隙帶側(cè)向邊界的確定開展研究，基于仿真模擬方法，對(duì)陽泉礦區(qū)廢棄礦井中煤巖的導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育邊界進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示煤層覆巖導(dǎo)水裂隙帶頂部高度為71.7 m，裂隙帶側(cè)向邊界最大超出工作面邊界34.6 m，位于覆巖51.4 m 處。針對(duì)瓦斯卸壓，新“三帶”理論將開采擾動(dòng)覆巖地層分為：導(dǎo)氣裂隙帶，卸壓帶及不易解吸帶，研究表明采煤工作面的高度、長(zhǎng)度、覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)等是控制三帶高度及分布特征的關(guān)鍵[10-11]。通過煤礦開采經(jīng)驗(yàn)和覆巖擾動(dòng)區(qū)破壞規(guī)律的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，如果開采工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度、開采高度及覆巖破斷角越大，覆巖裂隙帶越高。李日富等[12]通過搭建相似實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)開采擾動(dòng)地層應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，揭示出開采擾動(dòng)圍巖地層的有效卸壓區(qū)會(huì)延伸至宏觀裂隙帶外，宏觀裂隙帶至有效卸壓邊界內(nèi)的煤層氣仍可以自由流動(dòng)，并且有效卸壓區(qū)外存在一個(gè)煤層氣不可運(yùn)移的過渡卸壓區(qū)。

1.2 煤層開采底板擾動(dòng)區(qū)

在煤礦開采擾動(dòng)下，主采煤層底板同樣會(huì)存在導(dǎo)氣裂隙帶，使位于下部的煤層中的煤層氣導(dǎo)氣能力增大，順裂隙向上部運(yùn)移富集。隨著前人對(duì)底板導(dǎo)氣裂隙帶研究深入，揭示了采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力分布特征及演化規(guī)律，以此對(duì)下伏地層進(jìn)行區(qū)帶劃分，垂直方向上將底板分為三維卸壓帶、一維卸壓帶和原始應(yīng)力帶，水平方向上沿煤層開采方向分為原始應(yīng)力區(qū)、壓縮區(qū)、膨脹區(qū)、恢復(fù)區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，如圖2 所示[13]。

圖2 下伏地層“三帶五區(qū)”劃分[13]Fig.2 Schematic diagram of“three bands and five zones”in underlying strata[13]

由于煤礦開采時(shí)工程條件的限制，若想全面準(zhǔn)確地了解煤礦開采擾動(dòng)下底板破壞規(guī)律，需要在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段的基礎(chǔ)上，輔以物理模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。姜耀東等[14]應(yīng)用自主研發(fā)的煤層底板水壓模擬裝置，進(jìn)行承壓水上煤層開采過程試驗(yàn)，獲得了煤層回采過程中圍巖應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)工作面前方的煤巖一直處于承壓狀態(tài)，采空區(qū)中的下伏地層基本呈卸壓狀態(tài)，巖體發(fā)生鼓脹，在采煤整體過程中水平方向底板巖體應(yīng)力規(guī)律呈現(xiàn)承壓-卸壓-恢復(fù)特征，在底板的鼓脹區(qū)中，會(huì)同時(shí)發(fā)育縱向和橫向裂隙。張勇等[15]利用仿真模擬軟件，分析了開采煤層底板應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律及裂隙帶動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)現(xiàn)工作面前方8 m 之內(nèi)的下伏地層壓縮區(qū)中主要發(fā)育垂直方向的彎曲拉伸裂縫，工作面的后方發(fā)育較多傾角在45°以下的剪切裂縫，最遠(yuǎn)可延展至40 m 處。張蕊等[16]結(jié)合仿真模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究大采深厚煤層開采時(shí)底板的破壞特征，確定其開采破壞深度為20 m，并揭示了大采深厚煤層底板應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律。

前人基于工程實(shí)踐和各類模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)煤層開采覆巖擾動(dòng)區(qū)影響范圍可達(dá)到100 m 左右，而底板的擾動(dòng)區(qū)范圍可達(dá)到50 m 左右。

1.3 擾動(dòng)區(qū)地層應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)特征

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)單一工作面開采擾動(dòng)下應(yīng)力-裂隙-滲流三場(chǎng)特征做了大量研究，取得了較為全面的認(rèn)識(shí)。A.K.Singh 等[17]總結(jié)開采擾動(dòng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征的研究進(jìn)展，提出覆巖采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力分布模型(圖3)，發(fā)現(xiàn)伴隨工作面寬度的增大，工作面兩側(cè)承壓區(qū)的采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力增大，且重新壓實(shí)區(qū)范圍逐漸增大，進(jìn)一步結(jié)合淺埋深煤礦井實(shí)測(cè)覆巖采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)覆巖應(yīng)力場(chǎng)主要受控于煤層埋深和覆巖力學(xué)性質(zhì)。大量煤層氣開發(fā)井工程實(shí)踐表明，抽采產(chǎn)能受煤層的應(yīng)力敏感性影響較大，煤層滲透率會(huì)隨有效應(yīng)力增大明顯降低[18]。開采煤層擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布情況會(huì)影響滲流場(chǎng)分布，進(jìn)而決定遺留煤層氣資源運(yùn)移聚集特征。

圖3 地下煤礦不同挖掘?qū)挾认碌牟蓜?dòng)應(yīng)力(垂直)發(fā)展變化概念模型[17]Fig.3 A conceptual model of mining induced stress(vertical) development at different widths of excavations for an underground coal mining[17]

采煤過程中，伴隨工作面推進(jìn)，覆巖應(yīng)力重新分布，工作面前進(jìn)一段距離后，其后方較遠(yuǎn)距離的采空區(qū)中部覆巖因自重而發(fā)生壓實(shí)作用，應(yīng)力恢復(fù)過程導(dǎo)致重新壓實(shí)區(qū)內(nèi)的部分采動(dòng)裂隙發(fā)生閉合，進(jìn)而降低地層滲透率；而采空區(qū)四周靠近煤壁的采動(dòng)裂隙在煤壁支撐作用得以大量保存，使得重新壓實(shí)區(qū)四周地層滲透率增大，由此產(chǎn)生了采空區(qū)圍繞中部重新壓實(shí)區(qū)分布的裂隙帶。錢鳴高等[19]針對(duì)覆巖裂隙帶分布特征進(jìn)行研究，應(yīng)用相似模擬、仿真模擬等方法，提出開采擾動(dòng)裂隙分布的著名“O”形圈理論(圖4)，并且指導(dǎo)了淮北桃園礦和蘆嶺礦布置卸壓瓦斯抽采鉆孔。D.P.Adhikary 等[20]應(yīng)用仿真模擬方法，對(duì)澳大利亞新南威爾士州一礦區(qū)開采擾動(dòng)滲透率分布情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)距巷道11.2～11.5 m 處，滲透率可增加到50 倍以上，增透效應(yīng)最遠(yuǎn)作用于巷道外20 m 處，開采擾動(dòng)區(qū)內(nèi)覆巖的滲透率最大可以增加1 000 倍以上，并指出其原因?yàn)閷?shí)測(cè)段的位置有較大的裂縫發(fā)育。這表明開采時(shí)卸壓作用導(dǎo)致裂隙大量發(fā)育，地層滲透率隨之大幅增加，滲流場(chǎng)分布受到裂隙場(chǎng)分布的控制，而在采煤工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程中，卸壓作用的增滲與壓實(shí)作用的降滲共同發(fā)生、相互影響，進(jìn)而作用于遺留煤層氣資源的二次富集成藏。孟召平等[21]綜合考慮煤礦開采擾動(dòng)下巖體的應(yīng)力值、形變位移量及滲透性，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，闡明開采擾動(dòng)巖體破壞產(chǎn)生的斷裂密度和斷裂張開度是影響滲透率的決定因素，并且滲透性的分布與巖體應(yīng)力場(chǎng)和破壞規(guī)律保持一致。

圖4 覆巖裂隙帶分布的“O”形圈示意Fig.4 Schematic diagram of“O”rings of fracture zone distribution in the overburden rock

袁亮等[22]分析淮南顧橋煤礦工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力、圍巖形變及孔隙流體壓力等數(shù)據(jù)，得出工作面前方采動(dòng)誘導(dǎo)應(yīng)力在水平方向上最大擾動(dòng)范圍為300 m，覆巖裂隙場(chǎng)集中在工作面后170 m 內(nèi)，其后基本為重新壓實(shí)區(qū)域，裂隙帶垂向發(fā)育高度可達(dá)145 m，并且根據(jù)覆巖應(yīng)力-裂隙-滲流三場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，結(jié)合覆巖擾動(dòng)區(qū)內(nèi)煤層氣“環(huán)形”流動(dòng)通道，建立了開采煤層覆巖高位環(huán)形裂隙體模型。B.A.Poulsen 等[23]研究開采擾動(dòng)地層的變形特征，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，計(jì)算擾動(dòng)裂隙孔徑，并精確計(jì)算滲透率的峰值分布情況，發(fā)現(xiàn)開采煤層中部和兩側(cè)的支撐煤壁的覆巖滲透性不同程度增加，在相同高度下，工作面支撐煤壁上部地層滲透率會(huì)增加3～6 倍，而靠近中部重新壓實(shí)區(qū)上部地層的滲透率增加程度較小。這表明開采擾動(dòng)區(qū)中部的覆巖重新壓實(shí)作用對(duì)裂隙場(chǎng)分布影響明顯，使覆巖部分區(qū)域采動(dòng)裂隙重新閉合，進(jìn)而使擾動(dòng)區(qū)內(nèi)滲流場(chǎng)出現(xiàn)差異性分布。根據(jù)裂隙帶及滲透率分布特征，可以明確常規(guī)工作面開采擾動(dòng)裂隙場(chǎng)具有靠近四周煤壁裂隙數(shù)量分布多而密、中間重新壓實(shí)區(qū)裂隙較少的特征，且覆巖關(guān)鍵層下的巖層間會(huì)產(chǎn)生較大的離層空間，使得開采擾動(dòng)區(qū)內(nèi)局部滲透率大幅增加，地層孔隙率整體分布基本為馬鞍狀[24]。

常規(guī)單一工作面開采下的圍巖擾動(dòng)特征研究是早期研究的重點(diǎn)，但是在實(shí)際工程中往往會(huì)有多個(gè)采煤工作面在較小范圍內(nèi)存在，這導(dǎo)致多個(gè)采煤工作面的擾動(dòng)區(qū)相互之間會(huì)有明顯的疊加擾動(dòng)影響。應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)特征及耦合關(guān)系也會(huì)在多個(gè)工作面開采的相互干擾下與單一工作面開采有較大的不同，這將是廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)的重點(diǎn)研究方向。

2 廢棄煤礦遺留煤層氣賦存特征及其運(yùn)聚規(guī)律

2.1 賦存特征

廢棄礦井遺留煤層氣資源可以按來源分成3 類，第一類為主采煤層的落煤、保留煤柱等剩余煤炭中所賦存的煤層氣；第二類為賦存在原位煤層中，為主采煤層擾動(dòng)范圍內(nèi)鄰近的未開采煤層；第三類為主采煤層擾動(dòng)范圍外各煤層中的煤層氣(圖5)。

圖5 廢棄礦井遺留煤層氣資源構(gòu)成Fig.5 Composition of residual coalbed methane resources in abandoned mines

煤層開采的卸壓作用使得主采煤層和圍巖發(fā)育大量裂隙，煤層氣向新的裂隙系統(tǒng)中運(yùn)移流動(dòng)，其中的煤層氣富集區(qū)是重點(diǎn)開采區(qū)域，開采擾動(dòng)區(qū)中的儲(chǔ)氣空間特征描述是后續(xù)進(jìn)行遺留煤層氣資源量評(píng)估的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)理論將廢棄煤礦煤層氣資源的富集空間范圍定為：主采煤層開采擾動(dòng)區(qū)內(nèi)的裂隙場(chǎng)及其四周圍巖中的各類含氣地層[19]，其中的擾動(dòng)裂隙場(chǎng)主要分布在主采煤層上下地層中，由原位煤層中的裂隙和開采影響下發(fā)育的裂隙及殘留采空區(qū)之間相互連通形成[25]。韓保山等[26]將傳統(tǒng)“三帶”理論和煤層氣吸附理論相結(jié)合，確定遺留煤層氣賦存范圍大致可等效為一個(gè)橫向上的圓餅狀區(qū)域，并根據(jù)采動(dòng)角確定了其半徑。

煤礦開采受到實(shí)際生產(chǎn)中回采率和地質(zhì)條件限制，采空區(qū)內(nèi)含有大量本煤層遺煤，并且會(huì)有礦井水聚集，這會(huì)導(dǎo)致遺留煤層氣資源會(huì)以各種狀態(tài)賦存于采空區(qū)中[27]。魏慶喜等[28]對(duì)封閉采空區(qū)煤層氣賦存方式進(jìn)行了研究，依據(jù)存在形式將其分為游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)，不過三者之間的比例較原始狀態(tài)發(fā)生了變化，其中吸附氣比例有下降，游離氣則在采煤擾動(dòng)的影響下占比大增，溶解氣比例有所下降。開采擾動(dòng)條件下各狀態(tài)煤層氣運(yùn)移動(dòng)態(tài)分布規(guī)律(圖6)表現(xiàn)為：在具有穩(wěn)定蓋層的覆巖采動(dòng)裂隙帶中，吸附氣含量在采掘工作面附近最低，在覆巖和底板中隨著遠(yuǎn)離工作面而逐漸增大；游離氣分布規(guī)律恰好相反，含量從采掘工作面開始向周圍逐漸降低[29]。

圖6 煤層開采擾動(dòng)下不同狀態(tài)煤層氣運(yùn)移規(guī)律Fig.6 Migration law of coalbed methane in different states under mining disturbance

2.2 運(yùn)移及聚集規(guī)律

國內(nèi)外學(xué)者在煤層瓦斯運(yùn)移方面形成眾多理論，有煤層瓦斯擴(kuò)散理論、煤層瓦斯流固耦合滲流、地球物理場(chǎng)中煤層瓦斯?jié)B流理論等。隨著理論研究的深化，煤層瓦斯擴(kuò)散-滲流理論在解釋煤層瓦斯流動(dòng)過程時(shí)被廣泛接受。

開采擾動(dòng)區(qū)巖體發(fā)生破壞后，擾動(dòng)區(qū)卸壓作用使得大量煤層瓦斯解吸，瓦斯與擾動(dòng)區(qū)煤巖體的“流-固”耦合作用規(guī)律是探明廢棄礦井中遺留煤層氣二次富集的關(guān)鍵[30]。相關(guān)研究表明，開采卸壓條件下瓦斯大量解吸會(huì)引起煤基質(zhì)收縮，使采動(dòng)區(qū)煤層孔-裂隙增大，擴(kuò)展瓦斯?jié)B流通道；此外，煤層瓦斯壓力與采動(dòng)區(qū)誘導(dǎo)應(yīng)力具有正相關(guān)性，同時(shí)采動(dòng)影響下煤層瓦斯擴(kuò)散系數(shù)衰減系數(shù)增大會(huì)導(dǎo)致瓦斯壓力在裂隙內(nèi)的衰減速率增大，并且開采擾動(dòng)條件下瓦斯壓力減小的區(qū)域內(nèi)煤體有效應(yīng)力相應(yīng)增加，使得部分采動(dòng)孔裂隙閉合，縮減瓦斯流動(dòng)通道[31-33]。趙洪寶等[34]采用Fluent 仿真軟件針對(duì)薄煤層開采特殊條件，對(duì)薄煤層開采擾動(dòng)區(qū)中瓦斯的運(yùn)聚規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯運(yùn)移速度隨孔隙率增加而增加，并且受到工作面通風(fēng)系統(tǒng)的影響。胡勝勇等[35]應(yīng)用自制相似實(shí)驗(yàn)裝置研究采空區(qū)氣體富集情況，并模擬了分濃度梯度煤層氣運(yùn)移和聚集過程，發(fā)現(xiàn)由于空氣和煤層氣的密度差異產(chǎn)生浮力，使得煤層氣濃度在采空區(qū)中頂部高底部低，在頂部形成煤層氣聚集區(qū)，并揭示殘煤中煤層氣濃度越高開采后聚集區(qū)內(nèi)的濃度也越高。張江華等[36]依據(jù)山西晉城寺河礦3 號(hào)煤過采空區(qū)煤層氣井工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究底板鄰近層的煤層氣解吸情況及其運(yùn)移和聚集特征，闡明了過采空區(qū)煤層氣井的抽采機(jī)制，并且確定過采空區(qū)井最優(yōu)間距為350～400 m，同時(shí)分析了底板煤巖滲透率重分布情況，發(fā)現(xiàn)位于3 號(hào)煤層下伏地層開采擾動(dòng)變形帶內(nèi)的9 號(hào)煤層滲透率增加明顯，受卸壓作用明顯。

綜合前文所述研究發(fā)現(xiàn)，可知主采煤層受開采擾動(dòng)使煤層及圍巖應(yīng)力場(chǎng)重新分布，覆巖和底板地層在此過程中不同程度卸壓，裂隙帶的分布特征為距離開采工作面越近，地層裂隙密度和破斷張開度均越大，這使得在靠近工作面的上下地層中存在一個(gè)三維卸壓帶，此區(qū)域內(nèi)發(fā)育大量豎直和水平方向裂隙，因此，煤層氣可以自由流動(dòng)；煤層氣自由流動(dòng)區(qū)邊界至過渡卸壓區(qū)邊界內(nèi)屬于一維卸壓帶，其內(nèi)地層形變較小，少量發(fā)育平行微觀裂隙，該范圍內(nèi)鄰近煤層中煤層氣可以發(fā)生解吸，但相對(duì)運(yùn)移較難；一維卸壓帶范圍外為原始應(yīng)力區(qū)，煤層氣無法自然解吸并運(yùn)移。由于廢棄礦井的開采擾動(dòng)區(qū)內(nèi)多組分氣體間的物理作用，遺留煤層氣會(huì)在升浮作用下向整個(gè)開采擾動(dòng)區(qū)上部運(yùn)移聚集，并在三維卸壓帶上部形成一個(gè)潛在富集區(qū)(圖7)。

圖7 煤層開采擾動(dòng)條件下煤層氣運(yùn)移分帶及富集Fig.7 Migration zoning and enrichment of coalbed methane under mining disturbance

3 廢棄煤礦遺留煤層氣資源評(píng)價(jià)

3.1 國外

國外在廢棄煤礦煤層氣資源量評(píng)價(jià)上開展了大量實(shí)踐工作，大多依靠廢棄礦井自然逸散現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，采用月下降曲線法計(jì)算廢棄礦井中煤層氣資源量，通過對(duì)廢棄煤礦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)煤礦關(guān)閉后的前2 個(gè)月是煤層氣快速逸散期，這段時(shí)間內(nèi)近七成的煤層氣資源量被排出，然后保持一個(gè)平穩(wěn)逸散期[37-39]。Raven Ridge 能源公司根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立資源量估算模型，并開發(fā)了專門用于估算廢棄礦井遺留煤層氣資源量的軟件，并成功投入運(yùn)營[37]。V.Palchik[38]針對(duì)烏克蘭頓涅茨克市多個(gè)不同地質(zhì)條件的淺埋深煤礦實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，優(yōu)化了甲烷涌出下降曲線法中的參數(shù)，布置的多個(gè)甲烷逸散監(jiān)測(cè)井中，位于Centralnaya 礦的2 號(hào)井60 d 內(nèi)甲烷最高自然逸散量可達(dá)到1 400 m3以上。C.?.Karacan 等[39]以美國賓夕法尼亞州西南部一煤礦兩相鄰工作面為研究對(duì)象，評(píng)估其關(guān)閉后的遺留煤層氣資源開發(fā)潛力，依據(jù)煤礦內(nèi)278 個(gè)煤層氣勘探鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出研究區(qū)煤礦關(guān)閉后700 d 內(nèi)遺留煤層氣可開發(fā)資源量達(dá)3.68×106m3，整體開發(fā)周期可達(dá)到2 500～4 000 d。

3.2 國內(nèi)

受各種廢棄煤礦特殊條件的限制，國內(nèi)學(xué)者提出了很多關(guān)于廢棄礦井遺留煤層氣資源量評(píng)價(jià)方法。李日富[40]將相似模擬和仿真模擬結(jié)合，利用“三帶”理論對(duì)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)上下巖層的煤層氣賦存空間范圍進(jìn)行厘定，優(yōu)化了采空區(qū)煤層氣資源量計(jì)算參數(shù)，分別對(duì)單煤層開采、煤層群中單煤層開采及煤層群中多煤層合采3 種開采方式進(jìn)行遺留煤層氣資源量的估算。張大旺等[41]針對(duì)煤礦開采擾動(dòng)地層中的原位區(qū)、卸壓區(qū)和采空區(qū)建立了對(duì)應(yīng)的煤層氣資源評(píng)價(jià)體系，并應(yīng)用層次分析法進(jìn)行選區(qū)評(píng)價(jià)。近年來，間接扣減法和分源疊加法這2 種廢棄礦井煤層氣資源量計(jì)算方法應(yīng)用較多，間接扣減法原理為總資源量扣減損耗量，即在評(píng)估煤礦開采前的煤層氣資源量基礎(chǔ)上，扣去煤礦開采過程中損失的資源量，從而得到廢棄礦井內(nèi)的遺留煤層氣資源量[42]。

周建軍等[43]研究指出應(yīng)重視廢棄煤礦積水對(duì)其內(nèi)遺留煤層氣資源開發(fā)利用的影響，穩(wěn)定采空區(qū)的積水會(huì)影響其內(nèi)煤層氣資源量計(jì)算的精確度，廢棄煤礦中的積水如果十分嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致其占據(jù)游離氣存儲(chǔ)空間，進(jìn)而在地面抽采過程中使產(chǎn)量快速衰減；另一方面廢棄煤礦中積水產(chǎn)生的靜水壓力，也會(huì)增加煤層氣抽采時(shí)的解吸難度。孟召平等[44]依據(jù)采空區(qū)內(nèi)遺留煤層氣資源賦存狀態(tài)分析其來源，在計(jì)算游離氣和吸附氣資源量的基礎(chǔ)上，充分考慮煤礦內(nèi)積水情況，并分別建立廢棄煤礦采空區(qū)的積水量和含水飽和度計(jì)算模型，最終評(píng)估晉煤集團(tuán)晉圣煤礦的遺留煤層氣總資源量為5.871 7 億 m3，具有較高的開發(fā)價(jià)值。

綜上，當(dāng)前廢棄煤礦遺留煤層氣資源量評(píng)價(jià)方法主要有月下降曲線法、分源疊加法、間接扣減法等，其有各自的缺點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并且適用的情況也有差別(表1)。月下降曲線法適合礦井瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整全面，關(guān)閉后仍然對(duì)瓦斯?jié)舛扰c逸散量等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的管理制度完善的礦井；分源疊加法是對(duì)遺留煤層氣3 種賦存狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算，最后疊加求得，具有較高的準(zhǔn)確性，但是其數(shù)學(xué)模型中需要涉及很多參數(shù)，需要大量且全面的煤礦原始資料；間接扣減法主要是以原位煤層中煤層氣含量為基礎(chǔ)，扣減采煤過程中抽采的煤層氣資源量和自然逸散的煤層氣資源量后獲得，其原理較為簡(jiǎn)單，涉及參數(shù)適中，但是其中的參數(shù)獲取途徑較為困難，且準(zhǔn)確性較低。

表1 廢棄礦井遺留煤層氣資源量主要計(jì)算方法及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Main calculation methods,advantages and disadvantages of CBM resources left over from abandoned mines

4 問題及展望

近年來煤礦行業(yè)發(fā)展新階段促使廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)利用相關(guān)方面研究取得大量新進(jìn)展和新技術(shù)，學(xué)者對(duì)于遺留煤層氣的賦存、運(yùn)移及富集機(jī)理都有了較為深刻的認(rèn)識(shí)。但還存在一定的問題需要深入研究。

(1)單一煤層多廢棄工作面擾動(dòng)疊加下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)研究。煤礦單工作面開采擾動(dòng)圍巖分帶理論較成熟，對(duì)圍巖開采擾動(dòng)區(qū)特征的認(rèn)識(shí)也較為深入，擾動(dòng)區(qū)分帶理論與圍巖應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)特征的結(jié)合也越來越緊密，后續(xù)研究的重點(diǎn)在于單一煤層多工作面開采之間的相互影響關(guān)系，如同一盤區(qū)多工作面開采時(shí)間差異及位置關(guān)系對(duì)廢棄礦井整體擾動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)-滲流場(chǎng)特征的影響。

(2)時(shí)空尺度下廢棄煤礦遺留煤層氣動(dòng)態(tài)運(yùn)移聚集規(guī)律。在空間尺度下，針對(duì)不同開采擾動(dòng)區(qū)帶內(nèi)裂隙場(chǎng)和滲流場(chǎng)特征，研究煤層氣運(yùn)聚特征，指明廢棄煤礦中遺留煤層氣資源的二次富集空間有利區(qū)。在時(shí)間尺度下，研究礦井開采到關(guān)閉全生命周期的煤層氣動(dòng)態(tài)運(yùn)移聚集規(guī)律，并預(yù)測(cè)有利聚積的時(shí)間窗口。同時(shí)建立具有普適意義的煤層氣次生富集成藏的地質(zhì)模式，以指導(dǎo)后期廢棄礦井煤層氣地面開發(fā)。

(3)廢棄礦井煤層氣資源量動(dòng)態(tài)計(jì)算模型。當(dāng)前有很多關(guān)于煤礦采空區(qū)煤層氣資源量的計(jì)算模型或方法，各種方法的使用條件和范圍都有不同，眾多資源評(píng)價(jià)方法在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有各種局限性；且往往是靜態(tài)的，未考慮廢棄礦井煤層氣聚積是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。針對(duì)廢棄煤礦開采擾動(dòng)地層各區(qū)帶中煤層氣資源量的動(dòng)態(tài)計(jì)算模型還需要進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

a.工作面開采覆巖及底板擾動(dòng)帶一般可以分為3 類，最靠近工作面的導(dǎo)氣裂隙帶，其由采空區(qū)及大量豎向和橫向開采誘導(dǎo)裂隙連通形成；中間部位是卸壓帶，其中以順層裂隙為主，地層的變形和破斷程度均小于導(dǎo)氣裂隙帶；最外圍區(qū)域?yàn)椴灰捉馕鼛?，其?nèi)地層會(huì)發(fā)生一些彎曲變形。常規(guī)煤層開采擾動(dòng)影響范圍在覆可達(dá)到100 m 左右，底板可以達(dá)到50 m 左右。

b.廢棄煤礦遺留煤層氣資源賦存空間基本為開采擾動(dòng)下的底板有效卸壓邊界至覆巖有效卸壓邊界內(nèi)，其中頂?shù)装逵行秹哼吔鐣?huì)延伸至裂隙帶范圍外；在臨近主采煤層一定范圍內(nèi)存在一個(gè)三維卸壓帶，其中的煤層氣可以自由流動(dòng)；在其外直到過渡卸壓區(qū)邊界，存在一維卸壓帶，其內(nèi)的煤層氣可以解吸但難以自由移動(dòng)。由于廢棄煤礦采空區(qū)中多組分氣體間物理作用，遺留煤層氣資源受升浮作用向開采擾動(dòng)區(qū)上部運(yùn)移，潛在富集區(qū)一般在主采煤層覆巖的三維卸壓帶上部。

c.國內(nèi)外煤礦管理制度差異導(dǎo)致月下降曲線法在國內(nèi)的推廣有局限性，分源疊加法和間接扣減法等相較于月下降曲線法容易實(shí)現(xiàn)，具有更廣泛的適用性；對(duì)于水文地質(zhì)情況復(fù)雜的廢棄礦井，應(yīng)充分研究積水對(duì)遺留煤層氣資源量評(píng)估的影響，使得評(píng)價(jià)方法更具真實(shí)性。

d.準(zhǔn)確圈定遺留煤層氣富集空間及其采動(dòng)裂隙場(chǎng)，揭示遺留煤層氣的賦存特征及其動(dòng)態(tài)運(yùn)聚過程，建立遺留煤層氣資源量的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型是廢棄礦井遺留煤層氣資源成功開發(fā)的地質(zhì)理論基礎(chǔ)，也是今后的重要研究方向。