深部煤层瓦斯赋存机制研究现状及展望

2020-02-28秦玉金陈煜朋姜文忠于笑晨苏伟伟

煤矿安全 2020年5期

秦玉金，陈煜朋，3，姜文忠，3，于笑晨，苏伟伟

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122；3.煤炭科学研究总院，北京100013；4.兖矿集团有限公司，山东邹城273500）

经过几十年持续大规模开采，我国浅部矿产资源已趋于枯竭，矿产资源采深已进入1 000～2 000 m 以深水平[1]，截止2015 年，全国千米深矿井近80余座。目前，我国矿井开采强度平均每年以10～25 m的速度向地下延伸[2]，预计2030 年左右我国多数矿井采深都将进入千米级。深部矿产资源丰富，就煤矿而言，中国1 000 m 以深的煤炭资源量占已探明煤炭资源总量的53%[3-4]；就煤层气而言，中国埋深1 200～2 000 m 的煤层气地质资源量约为16.67×1012m3[5-6]，主要盆地埋深2 000～3 000 m 的煤层气地质资源量达18.47×1012m3[6-7]。深部煤炭和瓦斯资源开采是新时代下能源经济健康、快速发展的重要支撑，在未来实现深部资源规模化开采程度之前，准确认识深部开采环境基本特征、建立完善的深部资源开采理论是新时代深部开采的研究主题。近年来，为了解决深部煤层瓦斯资源开采及瓦斯灾害治理等面临的技术难题，国内众多学者围绕着深部煤层瓦斯赋存机制开展了相关研究，取得了重要研究成果，极大丰富了深部开采理论。

1 深部煤层的内涵

关于深部的概念与内涵目前还没有统一共识。国际岩石力学学会把硬岩发生软化的深度作为进入深部工程的界限，大多数专家结合我国的客观实际，认为中国深部煤矿的深度可界定为800～1 500 m[2]。谢和平院士[8]提出了亚临界深度、临界深度、超临界深度等概念和定义，并指出“深部”不是深度，而是一种由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态，通过力学分析可给出定量化表征。何满潮院士等[9]提出将工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下深度区间定义为深部开采工程。秦勇[10]通过研究地应力分布的规律以及煤层气含量临界深度的出现，提出用侧压系数和含气量反转来表征临界深度。可以看出，有关深部界定主要采用地应力、采动应力、围岩属性为主的量化指标，从煤岩体力学性质角度进行研究。对于深部煤层瓦斯而言，单一的力学体系已不能完全反应瓦斯赋存的真实状态，涵盖应力之外的渗流扩散、吸附解吸、孔隙特性、地温变化等因素构成的应力场、温度场、流体场等多物理场耦合环境才是研究深部煤层瓦斯赋存机制的客观条件。当前，煤层瓦斯赋存特征影响研究主要集中于单一物理场，间接造成深部煤层瓦斯界定的片面性和不客观性，开展多物理场耦合作用对煤层瓦斯赋存影响研究不仅进一步补充深部瓦斯赋存理论，也必将推动构建更为完善的深部煤层体系。

2 深部煤层瓦斯赋存特征研究现状

从浅部到深部，煤层瓦斯赋存环境发生显著变化，高地应力、高地温、高瓦斯压力、低渗透率的“三高一低”特征决定煤储层的受力状态、孔隙率和渗透率，进而影响着煤层瓦斯赋存、吸附解吸平衡及在煤储层中的扩散与渗流。近年来许多学者针对单一特征对瓦斯赋存的影响做了较为细致的研究。

2.1 地应力对深部煤层瓦斯赋存的影响

地层中垂直应力可近似看作线性变化，随着埋深增加，垂直应力线性增加[11]，而水平应力的分布规律则更为复杂[12]。康红普院士等[13]分析我国各矿区地应力分布数据发现：埋深1 000 m 以浅井区的地应力状态以水平应力为主，1 000 m 以深的围岩地应力状态转变为以垂直应力为主，表明了三轴受压是深部煤储层应力分布的真实状态。刘大猛[14]、谢晓彤[15]、何伟钢[16]等研究得出煤岩渗透率随着垂直应力、最大和最小水平主应力的增大而减小，两者呈负指数关系。王登科[17]、李晓泉[18]等研究分析了复杂围压加载路径下和循环荷载下煤岩渗透率的变化规律，得出结论：含瓦斯煤岩的渗透率随着轴压和围压的增大而减小，呈指数关系变化。尚宏波等[19]利用自主研制的破碎岩石三轴渗流实验系统，通过实验得出三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率随围压的增大而减小，两者之间的关系符合对数函数。孟雅[20]、尹光志[21]等进一步研究指出煤样渗透率和孔隙度与有效应力之间存在负指数函数关系。

无论渗透率与地应力之间是指数函数关系还是对数函数关系，都符合前期渗透率急剧减小，后期减小缓慢的规律。当地应力较小时，煤层主要以煤岩体骨架承压，煤岩体骨架发生大的结构变形，孔隙和裂隙急剧减少，导致孔隙率与渗透率明显下降；当地应力较大时，由于煤岩体中游离瓦斯受到应力压缩，孔隙压力增大，部分地应力被分担，有效应力增加减缓，由此随着地应力的增加，孔隙率和渗透率的敏感性也将减弱。

在浅部，煤岩地质体的弹性较大，地应力小，表现出应力对瓦斯压力的影响不明显，煤层敏感特性以瓦斯压力为主；进入深部地区之后，因地应力较大，瓦斯压力及瓦斯赋存状态发生变化，深部煤层应看作为固相和气相的结合体。对于高地应力、有效应力和瓦斯压力三者之间的关系还需进一步深入研究。

2.2 温度对深部煤层瓦斯赋存的影响

每个矿井所处的地质环境不同，受区域地质构造、地下水等因素影响，矿井的地温梯度变化不一样[22]。但随着煤层埋藏深度的不断增加，煤岩温度往往不断升高。高温对于煤层瓦斯赋存有重要影响。张翔[23]、侯程[24]等试验结果表明压力保持一定时，煤的瓦斯吸附量随温度升高而减少。何满潮等[25]研究得出温度升高是导致煤层气体大量解吸的主要原因之一。郭平[26]通过实验测得吸附常数a 随着温度的升高呈现先增大后减小的变化趋势，吸附常数b 随着温度的升高逐渐减小，减小幅度不断减缓，最终趋于1 个极限值。秦玉金等[27]通过数值模拟分析得出在深部煤层中温度升高所导致的瓦斯吸附量减少抵消了压力增大导致的瓦斯吸附量增加。张丹丹等[28]研究发现原煤和型煤的渗透率与温度之间符合负指数关系，同时敏感性随温度升高而降低。严敏等[29]研究得出：瓦斯在煤体中初始有效扩散系数及动力学扩散参数随温度升高而增大。王玲玲等[30]实验发现高温将使得煤的孔隙结构发生变化。李志强等[31-32]进一步研究发现温度对于煤体渗透率的影响并不单调，低有效应力条件下，渗透率与温度正相关，高有效应力条件下，渗透率与温度负相关。

可以看出温度对瓦斯吸附和解吸具有显著影响，并能引起吸附参数和渗透率的变化。根据吸附势理论，温度升高，瓦斯分子吸附势增大，吸附难度增大，吸附量因此减少。吸附参数的减小表示瓦斯的极限吸附量随着温度的升高而减小，温度的负效应大于瓦斯压力的正效应。温度升高与渗透率之间的关系从微观上进行分析：当煤体所受有效应力较小时，高温所引起的煤体骨架膨胀和瓦斯气体膨胀将形成热应力使得煤体内孔隙和裂隙增大，连通度加强，进一步引起吸附瓦斯解吸成为游离态瓦斯，渗透率和渗透量同时增大，而当煤体所受有效应力较大时，高温引起的膨胀将表现为向内膨胀，挤压煤体内孔隙和裂隙，降低渗透率。

实际条件下，高温是深部煤层中瓦斯含量反转的重要原因，又由于地应力大，深部环境满足热应力小于有效应力的条件，煤体中的孔隙和裂隙被压缩和堵塞，瓦斯运移困难。对于高温与渗透量之间的关系还可以进一步深入研究。

2.3 瓦斯压力对深部煤层瓦斯赋存的影响

对于煤层瓦斯压力与埋深的关系有3 种解释：线性关系、指数函数关系和幂函数关系[33]。无论符合哪种函数关系，煤层瓦斯压力随着埋深总是增加的。一些学者通过实验研究以及数值模拟的方式对瓦斯压力与瓦斯吸附-解吸、瓦斯运移的关系进行了探索研究。赵丽娟等[34]通过对长焰煤、肥煤、瘦煤以及贫煤进行等温吸附实验，指出在给定温度的情况下，煤对瓦斯的吸附量随着瓦斯压力的增加先是呈指数式增长，而当压力达到5 MPa 以后，吸附量变为缓慢增加。当瓦斯压力升高到一定程度后，吸附量趋于稳定。李奇等[35]采集了我国典型矿区的涵盖褐煤-无烟煤的14 个煤样，进行等温吸附实验后得出结论：此14 组煤样在吸附平衡压力小于1 MPa范围内，瓦斯吸附量变化明显，随着压力升高，瓦斯吸附量增加趋势逐渐减小，最后趋于稳定，整体变化趋势符合Langmuir 方程曲线，终极趋向极限瓦斯吸附量。聂百胜等[36]经过实验得出吸附平衡压力越大，颗粒煤中初始有效扩散系数越大，瓦斯解吸率越大；而李志强等[37]在对柱状原煤样进行瓦斯扩散实验时发现，扩散系数和有效扩散系数随平衡压力增高而减小。

可以发现瓦斯压力对于瓦斯吸附量是正相关的，并且在瓦斯压力增加的初始阶段，瓦斯吸附量可看做线性增加，进入高压力和超高压阶段，瓦斯吸附量增加放缓。原因在于当瓦斯压力不太大的时候，随着压力的增大，瓦斯分子由于压差的存在可以比较轻易地进入煤体中较大的孔隙和裂隙，所以煤体对瓦斯的吸附量增加趋势明显，而对于微孔隙，即便瓦斯压力继续增大，瓦斯分子也很难进入，只能利用浓度差以扩散的形式进入，因此当瓦斯压力超过一定值后，吸附量随压力增大的趋势逐渐减缓。

2 个瓦斯扩散实验得出相反结论的原因在于煤骨架吸附瓦斯后发生膨胀变形，这种膨胀变形在有束缚的情况下方向向内，如在柱状煤样中，导致瓦斯运移通道变窄，孔隙率降低，吸附量越大，向内的膨胀变形越大，孔隙率越小，扩散系数也越小。而在颗粒煤中，由于煤骨架不受约束，因此膨胀应力与瓦斯压力使得颗粒煤中孔隙和裂隙发育，孔隙率增大，扩散系数也随之增大。

2.4 渗透率对深部煤层瓦斯赋存的影响

煤作为一种多孔隙介质，内部孔隙结构复杂，随机分布着大小从纳米级至微米级的孔隙，还有肉眼可见的裂隙，它们决定了煤体渗透性能的好坏。渗透性对于瓦斯赋存具有重要影响，它是煤层瓦斯运移难易程度的指标，煤体渗透率越低，孔隙率相对就小。王公忠等[38]研究发现在恒温条件下，孔隙率和渗透率之间符合二次函数关系，孔隙率越小，渗透率越低。

深部煤层由于地应力和温度的增加，内部孔隙和裂隙体积减小，煤体结构更加密实，瓦斯赋存和运移通道直径缩小，运移困难，因此达西渗流非常不明显，瓦斯运移以扩散为主。而胡国忠等[39]通过实验得出瓦斯在低渗透率煤层中的渗流和水不同，具有显著的滑脱效应，影响瓦斯运移速度，同时瓦斯吸附于孔隙和裂隙表面，使得有效运移通道缩小，瓦斯运移速度明显减慢。此外研究证明煤体是各项异性体[40]，相较于垂直层里面方向，瓦斯沿平行层理面流动的速度要大得多，这说明沿层理方向的渗透率比垂直层理面渗透率大得多，有可能相差几个数量级。

低渗透率是深部煤岩体利于瓦斯赋存的重要原因之一，相较于浅部煤层，深部煤层成煤过程中生成的瓦斯因煤岩体渗透率低难以运移，从而较好的赋存在煤体中。影响深部煤层渗透率的因素有很多，除地应力、温度、瓦斯压力、有效应力外，还包括煤岩类型、水文条件、地质构造等。目前对于多个复杂条件下，煤岩渗透率变化规律的研究还不完善，需要进一步发展。

3 深部多场耦合作用机制研究现状

深部煤层中瓦斯的储存以及运移受应力、温度等多个因素影响，这些因素形成多个物理场，多场之间的耦合作用决定了深部煤层瓦斯的赋存机制。舒才等[41]在研究热-流-固三场耦合作用时引入两能态吸附热理论建立耦合模型，从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制。林柏泉等[42]基于双重孔隙介质的假设，建立了应力场、渗流场和扩散场多场耦合模型，研究了煤层瓦斯流场演化规律。李祥春等[43]研究了煤体裂隙产生扩展过程中振动场、电磁场、应力场、渗流场的耦合变化；秦玉金等[27]建立了关于瓦斯运移的应力场、渗流场和温度场的多物理场耦合模型，分析了煤层多物理场耦合模型与瓦斯赋存的关系。另外刘向君[44]、王公忠[45]、杨凯[46]、袁梅[47]等通过实验研究了温度和压力耦合作用下含瓦斯煤岩渗透率的变化。黄旭超[48]建立了含瓦斯煤流-热-固三场耦合数学模型，分析了渗透场和压力场的变化规律。尹光志[49]进行了含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。李波波[50]研究了力热耦合作用下瓦斯吸附量与煤岩渗透率的变化。

以上实验探索研究了煤层中多物理场的耦合作用机制，阐释了瓦斯赋存与运移动态过程中，多个物理场的相互影响。但是煤层多场耦合作用机制中既存在较多的物理场，又控制着煤层瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯的吸附解吸平衡、煤层应变等诸多变量，因此目前对于深部多场耦合作用机制的研究还不够全面。此外以上实验所进行的研究并不针对深部煤层瓦斯的赋存，只描述了多个物理场之间的相互联系，认为在深部煤层瓦斯赋存机制中，各个物理场均起作用，但是并没有确定出控制深部煤层瓦斯机制的主要物理场。下一步的研究方向即在于针对深部煤层研究瓦斯赋存机制中多个物理场之间的耦合作用以及确定出主要物理场。

4 研究的不足

1）关于深部界定理论研究，从深部煤岩体线性力学转为非线性、煤层瓦斯含气量反转等客观物理现象，可断定深部煤层特征不仅仅是深度的变化，而是多个物理场耦合作用的结果。对于深部煤层瓦斯赋存深度，还应结合深部复杂的围岩环境，从瓦斯吸附解吸、渗流扩散等多角度充分研究深部煤层瓦斯赋存基本特征。

2）目前对于影响煤层瓦斯赋存的单一特征因素作用规律已经有了一定的研究，但是关于影响因素之间的耦合作用研究还不够完善。此外针对深部煤层瓦斯赋存机制的研究还多是从浅部煤层瓦斯赋存规律的理论基础出发，对深部煤层进行推导。而深部环境同时存在高地应力、高温、高瓦斯压力、低渗透率等多个条件，通过推导不能合理准确地解释实际的深部煤层瓦斯赋存规律，这也是现阶段深部瓦斯含量预测不准确以及现场抽采效果不理想的重要原因。

3）以往实验研究集中于高温和高压对深部煤层瓦斯赋存的影响，但实际地质条件下影响深部煤层瓦斯赋存的因素还有煤岩体强度、层理、构造、水文地质条件、构造作用等。这些因素的存在有时会对瓦斯赋存起到关键作用，而针对这些因素的研究还停留在定性的阶段，未能有定量的描述。

4）不同尺度实验条件下得到的结论有所不同，如温度对瓦斯扩散的影响，在颗粒尺度下与柱状煤样尺度下得出的结论相反，说明实验条件本身需符合深部煤层赋存实际条件，结论才能符合现场实践。另外实验研究的过程中鲜有考虑时效性，实验条件作用的时间和作用的先后顺序不同，得出的实验结论也会有所差异。