中国废弃煤矿瓦斯资源评价与抽采利用研究进展

吴金刚，毛俊睿

（1.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003）

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，随着长期以来的高强度、大规模开采，因资源枯竭、政策措施等原因而关闭的煤矿数量不断增加[1-6]。截止2018年中国废弃煤矿数量已超过20 000处。而在地下煤矿中，有51%的煤矿属于高瓦斯矿井[7-13]。由于中国煤炭赋存地质构造条件的复杂性，90%以上的煤矿均采用井工开采[14-15]，且实际回采率较低（30%～60%左右）[16-18]，因而矿井废弃后采空区内遗留的煤柱、残存的遗煤及上下受采动影响的临近未采煤层等，在一定条件下会源源不断地向废弃煤矿内（主要为采空区）解吸瓦斯，较易引起瓦斯窒息等事故发生。此外，废弃煤矿内游离态瓦斯受温度差、浓度差、密度差、压力差、地下水等因素的影响，往往会通过井口、上覆岩层裂隙等区域逸散至地表大气中[19-23]，不仅容易引起瓦斯爆炸、自燃等事故发生，而且其导致的温室效应等环境污染问题也愈发突出[24]。同时，废弃煤矿赋存的瓦斯也可作为一种绿色高效的清洁能源被人们加以开发利用。据袁亮院士[25]调查指出，中国已关闭的废弃煤矿中含有近5 000亿m3的煤层气资源；桑树勋教授[16]预测，目前中国残煤赋存瓦斯资源总量在1 132.7～2 187.2亿m3之间。近年来，德国、英国、美国等国家都已成功对废弃煤矿瓦斯资源进行了开发利用，并产生了良好的社会经济效益[26-27]。在我国政府不断推动供给侧结构性改革与绿色可持续发展的政策形势下，废弃煤矿瓦斯资源的开发利用不仅能产生巨大的经济效益，而且对保障煤矿安全生产、优化能源结构、改善大气环境、服务全国能源革命战略等，都有着十分重要的理论意义和实用价值[28-31]。从废弃煤矿瓦斯赋存的利弊2方面及瓦斯赋存的时效性特点（废弃煤矿瓦斯资源会随着闭坑时间的增加而逐渐减少）进行综合分析，可以得出对废弃煤矿瓦斯资源的开发利用已迫在眉睫、势在必行。因此，通过对废弃煤矿瓦斯资源评价、瓦斯抽采利用这2方面研究成果的详细汇总分析，得出中国废弃煤矿瓦斯资源评价与抽采利用方面存在的问题及其进一步的研究方向，以期加快推动中国废弃煤矿瓦斯资源开发利用的进程。

1 废弃煤矿瓦斯资源评价的研究进展

准确评价瓦斯资源是废弃煤矿瓦斯抽采与利用的基础，由于目前矿井关闭程序多样，且受到矿井报废后很难进行现场测试及获取废弃煤矿瓦斯资源量计算所需参数的影响，如何合理准确的进行废弃煤矿瓦斯资源评价是现场应用的难题之一，国内学者对此开展了大量的研究工作，主要集中于瓦斯赋存范围的确定、瓦斯来源及赋存状态的确定、瓦斯资源量估算模型的构建、瓦斯富集分布规律的研究这4个方面。

1.1 瓦斯赋存范围的确定

对废弃煤矿瓦斯赋存范围的确定是进行瓦斯资源量估算的首要前提和基础。废弃煤矿瓦斯赋存范围示意图如图1。

图1 废弃煤矿瓦斯赋存范围示意图Fig.1 Schematic diagram of gas occurrence scope in abandoned coal mine

韩宝山[8]借鉴罗新荣[32]教授提出的邻近层残余瓦斯压力理论，提出以邻近层残余瓦斯压力曲线斜率突变值处的高度作为废弃煤矿瓦斯赋存的上下垂向范围（图1（a））。在此基础上，将采空区近似等效为圆饼形区域，整个采动稳定区纵剖面近似等效为等腰梯形，依据边界角计算出废弃煤矿瓦斯赋存的横向范围（图1（b））。孟召平[33]等从垂向“三带”及横向三区的角度入手，通过数值模拟，认为废弃煤矿瓦斯的垂向顶部赋存范围为裂隙带顶部，横向上部赋存范围为采空区上覆岩层以破断角向上垮落的区域，采空区底板上部瓦斯赋存的整体三维空间形态近似梯形。李日富[34]等提出采用经验计算公式、极限高度计算公式分别计算出上覆岩层的裂隙高度，并对比两者的大小，以确定垂向顶部范围；横向范围通过导水裂缝角确定。当缺失导水裂缝角等资料时，可采用下保护层开采学中的卸压角经验值对横向上部范围进行估算。采空区下部的瓦斯赋存范围为底板岩体发生塑性剪切破坏的区域。秦伟[35-36]等提出以卸压解吸带高度、侧向支撑压力峰值点处分别作为废弃煤矿瓦斯赋存的垂向顶部和横向上部范围。李振[37]采用数值模拟手段，以卸压系数的大小为判断准则，分别对垮落式、刀柱式老空区的瓦斯赋存范围进行了详细分析。

可以看出，国内学者对废弃煤矿瓦斯赋存范围的界定尚未达成统一共识。对于废弃煤矿瓦斯赋存的垂向范围，采用韩宝山提出的邻近层残余瓦斯压力曲线方法进行确定时，需钻孔取样以测定废弃煤矿采空区上覆岩层各点处的残余瓦斯压力值，计算结果较为准确，但花费成本较高；孟召平等人以裂隙带发育高度作为顶部垂向范围，计算方法简单，但计算结果可能与实际情况存在较大偏差；李日富将导水裂隙带高度的经验计算公式与覆岩关键层理论相结合，通过计算结果的比较，得出垂向顶部计算范围。以塑性理论分析法的计算结果作为垂向底部瓦斯赋存范围。相较直接以裂隙带高度作为垂向顶部范围，这一计算方法进一步提高了判断垂向顶部范围的精确程度，而计算垂向底部范围的方法虽然计算结果较为精确，但所需参数获取较为困难；相较上述方法，秦伟以卸压程度值作为判断依据，认为卸压解吸带高度即为垂向顶部范围，以数值模拟手段得出瓦斯的赋存范围，计算结果较为准确，且所需成本较低。对于废弃煤矿瓦斯赋存的横向范围，韩宝山、李日富等人分别以边界角、导水裂缝角作为横向范围的判断依据；孟召平、秦伟等人分别以破断角、侧向支撑压力峰值点处作为横向上部范围的判断依据；对上述4种判断方法进行对比分析，可得以边界角作为判断依据是一种简单易行、计算结果较为准确的判断方法。

1.2 瓦斯来源及赋存状态的确定

废弃煤矿瓦斯来源及赋存状态的确定是合理选择瓦斯抽采方式及瓦斯资源量估算的重要前提。国内学者基本认同废弃煤矿瓦斯的赋存状态存在3种：游离态、吸附态及溶解态[16,27,33,38]。由于各废弃煤矿水文地质环境的不同，会造成上述3种不同状态瓦斯的占比不同。桑树勋、崔永君、李袭明等[16,27,39]分别从不同角度出发，对废弃煤矿瓦斯的来源进行了详细分析，但未提及生物成因瓦斯这一来源。魏庆喜等[40]认为除以上瓦斯赋存来源外，废弃煤矿的整体环境有利于生物成因生成瓦斯，存在生物成因产生瓦斯这一瓦斯来源。刘超等[41]通过将废弃煤矿瓦斯与正常生产矿井瓦斯之间进行同位素对比分析，得出废弃煤矿瓦斯主要以热成因气为主（83.61%～91.07%），含有少量次生生物气（8.93%～16.39%），证实了存在生物成因产生瓦斯这一瓦斯来源。废弃煤矿瓦斯来源及赋存状态如图2。

图2 废弃煤矿瓦斯来源及赋存状态Fig.2 Source and occurrence state of gas in abandoned coal min e

1.3 瓦斯资源量估算模型的构建

瓦斯资源量估算模型的构建是废弃煤矿瓦斯资源评价的核心内容。韩宝山[8]提出物质平衡法、资源构成法均适合废弃煤矿瓦斯资源量估算，并给出了这2种废弃煤矿瓦斯资源量的基本计算公式。在此基础上，从经济和技术角度，提出了2种废弃煤矿瓦斯可采资源量的计算方法。2005年，韩宝山等[42]采用Fetkovitch等[43]提出的废弃煤矿瓦斯涌出速度方程对大量煤心解吸测试数据进行拟合，认为可采用下降曲线法对废弃煤矿瓦斯资源量进行估算，但并未对钻孔现场瓦斯解吸速度与废弃煤矿瓦斯涌出速度之间的关系进行深入研究，因而该方法的精确、可靠程度尚未得到验证。张培河[44]对韩宝山提出的物质平衡法、资源构成法进行了详细对比分析，认为资源构成法相对简单、计算结果也相对更为准确可靠，并对采用资源构成法计算瓦斯资源量所需主要参数的确定方法进行了讨论分析。秦伟等[45]构建了采用分源法计算老采空区瓦斯资源量的详细估算模型，在此基础上，以阳泉三矿K8108工作面为实际工程背景，利用物质平衡法对分源法的计算结果进行验证，得出分源法计算模型是准确可靠的。李日富等[46]采用来源分析法和体积计算法，构建了采动稳定区瓦斯资源量分源叠加计算模型，并指出了模型计算时关键参数的计算公式或取值方法。周效志、桑树勋等[47]从瓦斯资源开发的角度，提出了资源可采性分类法、解吸过程法这2种计算方法，它们分别适用于尚未关闭的煤炭资源枯竭型矿井和已关闭的煤炭资源枯竭型矿井。

学者们在废弃煤矿瓦斯资源量估算模型建构时并未考虑瓦斯自地表涌出、采空区存在积水或稳定水系等影响因素所造成的资源量损失。孟召平等[33]从岩石孔隙率角度出发，推导得出了废弃煤矿采空区在有积水情况下的瓦斯资源量详细估算模型。文光才等[48]基于“间接减法”理念，推导得出了存在瓦斯自地表涌出这一情况下的废弃煤矿瓦斯资源量详细估算模型，并通过实际抽采量的对比分析，验证了这一估算模型是准确可靠的。由此可见，对废弃煤矿瓦斯资源量估算模型的构建仍需不断进行深入研究，以期合理、精准、高效地满足实际工程应用的需要。

1.4 瓦斯富集分布规律的研究

对废弃煤矿瓦斯富集分布规律的深入研究是进行瓦斯资源抽采的首要前提和基础。尹志胜、桑树勋等[49]从“三带”发育及瓦斯吸附解吸角度对废弃煤矿单、多工作面采空区的瓦斯富集分布规律进行了简单分析，得出在无充水、盖层密封性较好的条件下，近水平单工作面采空区的瓦斯富集区边界为裂隙带顶部，邻近倾斜工作面采空区内的瓦斯富集分布规律为瓦斯主要汇集在高度较高的采空区裂隙带顶部。盘江煤电集团采用大功率高密度电阻率层析成像法对凉水井矿（废弃煤矿）进行了瓦斯富集分布规律的初步勘探[49]。冯国瑞等[50]采用FLAC软件对废弃煤矿小采空区内三维应力分布状况进行了数值模拟研究，认为废弃煤矿工作面采空区的瓦斯富集区形态近似“蟹”形，工作面采空区的宽度与富集区的范围呈正相关关系，且瓦斯富集区的顶部高度一直大于底部高度（以采空区为中心）。冯国瑞等[51]通过物理相似模拟实验，认为废弃煤矿工作面采空区的主储气区域位于裂隙带内，次储气区域位于跨落带内；随着工作面推进距离的不断增加，总储气面积呈先增加后迅速降低的变化趋势，主储气区域面积呈先增加后缓慢降低的变化趋势。冯国瑞等[52]采用物理相似模拟实验，得出废弃煤矿工作面采空区的瓦斯浓度自下而上可以分为4个区域：源流区、抑流区、汇流区及无流区；这4个区域的高度与采空区高度呈正相关关系。

由上述研究成果可以发现，国内学者在对废弃煤矿瓦斯富集分布规律进行研究时，将研究对象缩小为废弃煤矿工作面采空区，且未考虑瓦斯在废弃煤矿内运移富集时的时间效应，因而可能与真实的废弃煤矿瓦斯富集分布规律存在一定的差异。

2 废弃煤矿瓦斯抽采利用的研究进展

废弃煤矿瓦斯抽采在废弃煤矿瓦斯资源的开发利用过程中起着承上启下的重要意义。当前，废弃煤矿瓦斯抽采技术主要包括地面抽采（含井筒抽采）、井下密闭抽采及预留专门管道抽采，国内学者对废弃煤矿瓦斯抽采的研究主要集中在布井优化方面。

高强等[13,53]通过COMSOL软件对废弃煤矿瓦斯抽采的地面布井位置进行了数值模拟研究，认为顶板未垮落工作面采空区、顶板垮落未压实工作面采空区及充分采动废弃工作面采空区的最佳布井位置分别为：工作面采空区的中部、走向边界及“O”形裂隙圈内，且各地面布井位置均存在一定的抽采盲区。李振[37]从开采方式的角度出发，提出废弃煤矿跨落式工作面采空区、刀柱式工作面采空区的地面钻井最佳布置位置分别位于：“U”形瓦斯富集区、卸压区内由空腔、受塑性破坏的煤柱以及破碎煤岩体共同组成的瓦斯富集区。秦伟等[35,54]通过数值模拟、物理模拟实验，得出废弃煤矿工作面采空区的“O”形裂隙圈区域是地面抽采瓦斯资源的最佳布井位置。冯国瑞等[50,52]通过数值模拟、物理模拟实验，对比分析了地面钻井末端分别位于源流区、汇流区及煤柱3个区域内的瓦斯抽采效果，得出将地面钻井末端布设在源流区内会得到较好的抽采效果。

我国的瓦斯抽采以开采前的预抽煤层瓦斯和生产过程中卸压煤层（采空区）瓦斯抽采为主，真正意义上的废弃煤矿瓦斯抽采工程较少。2013年，山西蓝焰公司投入运营了第1口废弃煤矿地面瓦斯抽采井，日产量保持在4 500 m3左右，浓度稳定在90%以上，目前该公司共运行废弃煤矿瓦斯抽采井40余口，抽采瓦斯的利用途径多为供给生活燃气、瓦斯发电等。

3 废弃煤矿瓦斯资源评价与抽采利用的研究方向

1）废弃煤矿瓦斯开发利用选区原则的全面制定。进行废弃煤矿瓦斯资源评价前，首先应通过选区原则对目标矿井是否具有开发利用价值进行简单评估，国内仅有少量文献提及这一方面，且内容较少，不能满足当前的实际工程应用[55-58]。因而，应从区域、地质条件、技术、经济等方面综合制定全面的废弃煤矿瓦斯开发利用选区原则，这样方可避免盲目的直接对废弃煤矿瓦斯资源进行评价，造成大量人力、物力的浪费。

2）废弃煤矿瓦斯赋存范围的精准确定。国内学者分别从岩层卸压程度、“三带”发育高度、残余瓦斯压力、移动角、导水裂缝角等角度对瓦斯赋存范围进行了深入研究，但这些方法在实际工程应用时存在适用性不强、准确度不高、未完全制定出成体系的一套标准确定程序等问题。因而，需要研究制定出具有广泛适用性、准确程度较高、形成标准程序的废弃煤矿瓦斯赋存范围确定体系。

3）废弃煤矿瓦斯资源量估算模型的合理、准确构建。当前构建的废弃煤矿瓦斯资源量估算模型中存在影响瓦斯资源量估算大小的因素考虑不全面、部分所需计算参数获取困难、估算的准确程度不高等问题。因而，应系统的考虑所有影响废弃煤矿瓦斯资源量估算的因素，合理的忽略部分影响因素，进而构建出更为准确、合理、计算高效的废弃煤矿瓦斯资源量估算模型。

4）废弃煤矿瓦斯富集分布规律的深入认识。从研究对象来看，国内学者主要是以废弃煤矿单工作面采空区为研究对象进行简化研究，而真实的废弃煤矿主要由多个工作面采空区、煤柱及巷道这3个对象构成的；从研究方法来看，主要是以二、三维稳态模型开展废弃煤矿瓦斯富集分布规律的研究，而真实的废弃煤矿瓦斯富集分布规律具有明显的时空演化特征。上述简化研究对客观认识废弃煤矿瓦斯富集分布规律具有一定的局限性，因而需要对废弃煤矿瓦斯富集分布规律进一步进行深入认识。

5）废弃煤矿瓦斯抽采可行性评价体系及评价方法的构建。废弃煤矿瓦斯抽采必须遵守科学采矿、精准采矿的先进理念。因而，在对废弃煤矿瓦斯进行抽采前，必须解决废弃煤矿瓦斯抽采可行性评价体系及评价方法构建这一关键性基础科学问题，进而科学的评价废弃煤矿瓦斯抽采的技术经济可行性，方可避免盲目开发造成烂尾工程。

6）废弃煤矿瓦斯抽采布井位置的再优化。国内学者对瓦斯抽采布井位置优化研究的对象多为废弃煤矿单工作面采空区，且基本认同废弃煤矿单工作面充分采动采空区的地面最佳布井位置为“O”形裂隙圈区域。而实际工程应用是从整个废弃煤矿的瓦斯抽采角度出发进行布井位置选择，同时真实的废弃煤矿工作面采空区的覆岩垮落状况（即孔裂隙分布状况）必然与仅考虑废弃煤矿单工作面采空区的状况有所不同，这就可能造成瓦斯抽采失败等情况发生。因而，需要进一步从废弃煤矿整体角度出发对瓦斯抽采的布井位置进行再优化。

4 结语

《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用“十三五”规划》指出，废弃煤矿残存瓦斯的抽采利用或将成为煤层气产业新的增长点。中国拥有数量庞大的废弃煤矿且多为高瓦斯矿井，因而废弃煤矿瓦斯资源的开发具有广阔的应用前景。经过20多年的努力发展，我国已在废弃煤矿瓦斯资源评价、瓦斯资源开发利用这2个废弃煤矿瓦斯资源开发利用的核心环节取得了丰富的研究成果，但仍需在这2个核心环节的多个方面，如废弃煤矿瓦斯富集分布规律、抽采布井的位置优化、抽采可行性评价等，不断进行深入研究。同时，应借鉴吸收国内外煤层气评价与抽采利用的理论、技术及装备，开展适合于废弃煤矿瓦斯资源评价与抽采利用的新理论、新技术、新装备研究。