吳金剛，毛俊睿

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

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，隨著長期以來的高強(qiáng)度、大規(guī)模開采，因資源枯竭、政策措施等原因而關(guān)閉的煤礦數(shù)量不斷增加[1-6]。截止2018年中國廢棄煤礦數(shù)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(zhì)構(gòu)造條件的復(fù)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(qū)內(nèi)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(nèi)（主要為采空區(qū)）解吸瓦斯，較易引起瓦斯窒息等事故發(fā)生。此外，廢棄煤礦內(nèi)游離態(tài)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(qū)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(fā)生，而且其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)等環(huán)境污染問題也愈發(fā)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(fā)利用。據(jù)袁亮院士[25]調(diào)查指出，中國已關(guān)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(yù)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(jìn)行了開發(fā)利用，并產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益[26-27]。在我國政府不斷推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革與綠色可持續(xù)發(fā)展的政策形勢下，廢棄煤礦瓦斯資源的開發(fā)利用不僅能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且對保障煤礦安全生產(chǎn)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境、服務(wù)全國能源革命戰(zhàn)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(jìn)行綜合分析，可以得出對廢棄煤礦瓦斯資源的開發(fā)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(xì)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(jìn)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(fā)利用的進(jìn)程。

1 廢棄煤礦瓦斯資源評價的研究進(jìn)展

準(zhǔn)確評價瓦斯資源是廢棄煤礦瓦斯抽采與利用的基礎(chǔ)，由于目前礦井關(guān)閉程序多樣，且受到礦井報廢后很難進(jìn)行現(xiàn)場測試及獲取廢棄煤礦瓦斯資源量計算所需參數(shù)的影響，如何合理準(zhǔn)確的進(jìn)行廢棄煤礦瓦斯資源評價是現(xiàn)場應(yīng)用的難題之一，國內(nèi)學(xué)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(tài)的確定、瓦斯資源量估算模型的構(gòu)建、瓦斯富集分布規(guī)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(jìn)行瓦斯資源量估算的首要前提和基礎(chǔ)。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(chǔ)上，將采空區(qū)近似等效為圓餅形區(qū)域，整個采動穩(wěn)定區(qū)縱剖面近似等效為等腰梯形，依據(jù)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(qū)的角度入手，通過數(shù)值模擬，認(rèn)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(qū)上覆巖層以破斷角向上垮落的區(qū)域，采空區(qū)底板上部瓦斯賦存的整體三維空間形態(tài)近似梯形。李日富[34]等提出采用經(jīng)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(dǎo)水裂縫角確定。當(dāng)缺失導(dǎo)水裂縫角等資料時，可采用下保護(hù)層開采學(xué)中的卸壓角經(jīng)驗值對橫向上部范圍進(jìn)行估算。采空區(qū)下部的瓦斯賦存范圍為底板巖體發(fā)生塑性剪切破壞的區(qū)域。秦偉[35-36]等提出以卸壓解吸帶高度、側(cè)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(shù)值模擬手段，以卸壓系數(shù)的大小為判斷準(zhǔn)則，分別對垮落式、刀柱式老空區(qū)的瓦斯賦存范圍進(jìn)行了詳細(xì)分析。

可以看出，國內(nèi)學(xué)者對廢棄煤礦瓦斯賦存范圍的界定尚未達(dá)成統(tǒng)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(jìn)行確定時，需鉆孔取樣以測定廢棄煤礦采空區(qū)上覆巖層各點處的殘余瓦斯壓力值，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但花費(fèi)成本較高；孟召平等人以裂隙帶發(fā)育高度作為頂部垂向范圍，計算方法簡單，但計算結(jié)果可能與實際情況存在較大偏差；李日富將導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗計算公式與覆巖關(guān)鍵層理論相結(jié)合，通過計算結(jié)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(jié)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(jìn)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(jié)果較為精確，但所需參數(shù)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(jù)，認(rèn)為卸壓解吸帶高度即為垂向頂部范圍，以數(shù)值模擬手段得出瓦斯的賦存范圍，計算結(jié)果較為準(zhǔn)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(dǎo)水裂縫角作為橫向范圍的判斷依據(jù)；孟召平、秦偉等人分別以破斷角、側(cè)向支撐壓力峰值點處作為橫向上部范圍的判斷依據(jù)；對上述4種判斷方法進(jìn)行對比分析，可得以邊界角作為判斷依據(jù)是一種簡單易行、計算結(jié)果較為準(zhǔn)確的判斷方法。

1.2 瓦斯來源及賦存狀態(tài)的確定

廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態(tài)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(nèi)學(xué)者基本認(rèn)同廢棄煤礦瓦斯的賦存狀態(tài)存在3種：游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)[16,27,33,38]。由于各廢棄煤礦水文地質(zhì)環(huán)境的不同，會造成上述3種不同狀態(tài)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(fā)，對廢棄煤礦瓦斯的來源進(jìn)行了詳細(xì)分析，但未提及生物成因瓦斯這一來源。魏慶喜等[40]認(rèn)為除以上瓦斯賦存來源外，廢棄煤礦的整體環(huán)境有利于生物成因生成瓦斯，存在生物成因產(chǎn)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(chǎn)礦井瓦斯之間進(jìn)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(chǎn)生瓦斯這一瓦斯來源。廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態(tài)如圖2。

圖2 廢棄煤礦瓦斯來源及賦存狀態(tài)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(gòu)建

瓦斯資源量估算模型的構(gòu)建是廢棄煤礦瓦斯資源評價的核心內(nèi)容。韓寶山[8]提出物質(zhì)平衡法、資源構(gòu)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(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，認(rèn)為可采用下降曲線法對廢棄煤礦瓦斯資源量進(jìn)行估算，但并未對鉆孔現(xiàn)場瓦斯解吸速度與廢棄煤礦瓦斯涌出速度之間的關(guān)系進(jìn)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(zhì)平衡法、資源構(gòu)成法進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，認(rèn)為資源構(gòu)成法相對簡單、計算結(jié)果也相對更為準(zhǔn)確可靠，并對采用資源構(gòu)成法計算瓦斯資源量所需主要參數(shù)的確定方法進(jìn)行了討論分析。秦偉等[45]構(gòu)建了采用分源法計算老采空區(qū)瓦斯資源量的詳細(xì)估算模型，在此基礎(chǔ)上，以陽泉三礦K8108工作面為實際工程背景，利用物質(zhì)平衡法對分源法的計算結(jié)果進(jìn)行驗證，得出分源法計算模型是準(zhǔn)確可靠的。李日富等[46]采用來源分析法和體積計算法，構(gòu)建了采動穩(wěn)定區(qū)瓦斯資源量分源疊加計算模型，并指出了模型計算時關(guān)鍵參數(shù)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(fā)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(guān)閉的煤炭資源枯竭型礦井和已關(guān)閉的煤炭資源枯竭型礦井。

學(xué)者們在廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型建構(gòu)時并未考慮瓦斯自地表涌出、采空區(qū)存在積水或穩(wěn)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(fā)，推導(dǎo)得出了廢棄煤礦采空區(qū)在有積水情況下的瓦斯資源量詳細(xì)估算模型。文光才等[48]基于“間接減法”理念，推導(dǎo)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(xì)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(zhǔn)確可靠的。由此可見，對廢棄煤礦瓦斯資源量估算模型的構(gòu)建仍需不斷進(jìn)行深入研究，以期合理、精準(zhǔn)、高效地滿足實際工程應(yīng)用的需要。

1.4 瓦斯富集分布規(guī)律的研究

對廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律的深入研究是進(jìn)行瓦斯資源抽采的首要前提和基礎(chǔ)。尹志勝、桑樹勛等[49]從“三帶”發(fā)育及瓦斯吸附解吸角度對廢棄煤礦單、多工作面采空區(qū)的瓦斯富集分布規(guī)律進(jìn)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(qū)的瓦斯富集區(qū)邊界為裂隙帶頂部，鄰近傾斜工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯富集分布規(guī)律為瓦斯主要匯集在高度較高的采空區(qū)裂隙帶頂部。盤江煤電集團(tuán)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(jìn)行了瓦斯富集分布規(guī)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(qū)內(nèi)三維應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為廢棄煤礦工作面采空區(qū)的瓦斯富集區(qū)形態(tài)近似“蟹”形，工作面采空區(qū)的寬度與富集區(qū)的范圍呈正相關(guān)關(guān)系，且瓦斯富集區(qū)的頂部高度一直大于底部高度（以采空區(qū)為中心）。馮國瑞等[51]通過物理相似模擬實驗，認(rèn)為廢棄煤礦工作面采空區(qū)的主儲氣區(qū)域位于裂隙帶內(nèi)，次儲氣區(qū)域位于跨落帶內(nèi)；隨著工作面推進(jìn)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(qū)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(qū)的瓦斯?jié)舛茸韵露峡梢苑譃?個區(qū)域：源流區(qū)、抑流區(qū)、匯流區(qū)及無流區(qū)；這4個區(qū)域的高度與采空區(qū)高度呈正相關(guān)關(guān)系。

由上述研究成果可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者在對廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律進(jìn)行研究時，將研究對象縮小為廢棄煤礦工作面采空區(qū)，且未考慮瓦斯在廢棄煤礦內(nèi)運(yùn)移富集時的時間效應(yīng)，因而可能與真實的廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律存在一定的差異。

2 廢棄煤礦瓦斯抽采利用的研究進(jìn)展

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

高強(qiáng)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(jìn)行了數(shù)值模擬研究，認(rèn)為頂板未垮落工作面采空區(qū)、頂板垮落未壓實工作面采空區(qū)及充分采動廢棄工作面采空區(qū)的最佳布井位置分別為：工作面采空區(qū)的中部、走向邊界及“O”形裂隙圈內(nèi)，且各地面布井位置均存在一定的抽采盲區(qū)。李振[37]從開采方式的角度出發(fā)，提出廢棄煤礦跨落式工作面采空區(qū)、刀柱式工作面采空區(qū)的地面鉆井最佳布置位置分別位于：“U”形瓦斯富集區(qū)、卸壓區(qū)內(nèi)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(qū)。秦偉等[35,54]通過數(shù)值模擬、物理模擬實驗，得出廢棄煤礦工作面采空區(qū)的“O”形裂隙圈區(qū)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(shù)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(qū)、匯流區(qū)及煤柱3個區(qū)域內(nèi)的瓦斯抽采效果，得出將地面鉆井末端布設(shè)在源流區(qū)內(nèi)會得到較好的抽采效果。

我國的瓦斯抽采以開采前的預(yù)抽煤層瓦斯和生產(chǎn)過程中卸壓煤層（采空區(qū)）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(lán)焰公司投入運(yùn)營了第1口廢棄煤礦地面瓦斯抽采井，日產(chǎn)量保持在4 500 m3左右，濃度穩(wěn)定在90%以上，目前該公司共運(yùn)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?xì)?、瓦斯發(fā)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(fā)利用選區(qū)原則的全面制定。進(jìn)行廢棄煤礦瓦斯資源評價前，首先應(yīng)通過選區(qū)原則對目標(biāo)礦井是否具有開發(fā)利用價值進(jìn)行簡單評估，國內(nèi)僅有少量文獻(xiàn)提及這一方面，且內(nèi)容較少，不能滿足當(dāng)前的實際工程應(yīng)用[55-58]。因而，應(yīng)從區(qū)域、地質(zhì)條件、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面綜合制定全面的廢棄煤礦瓦斯開發(fā)利用選區(qū)原則，這樣方可避免盲目的直接對廢棄煤礦瓦斯資源進(jìn)行評價，造成大量人力、物力的浪費(fèi)。

2）廢棄煤礦瓦斯賦存范圍的精準(zhǔn)確定。國內(nèi)學(xué)者分別從巖層卸壓程度、“三帶”發(fā)育高度、殘余瓦斯壓力、移動角、導(dǎo)水裂縫角等角度對瓦斯賦存范圍進(jìn)行了深入研究，但這些方法在實際工程應(yīng)用時存在適用性不強(qiáng)、準(zhǔn)確度不高、未完全制定出成體系的一套標(biāo)準(zhǔn)確定程序等問題。因而，需要研究制定出具有廣泛適用性、準(zhǔn)確程度較高、形成標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確構(gòu)建。當(dāng)前構(gòu)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(shù)獲取困難、估算的準(zhǔn)確程度不高等問題。因而，應(yīng)系統(tǒng)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(jìn)而構(gòu)建出更為準(zhǔn)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(guī)律的深入認(rèn)識。從研究對象來看，國內(nèi)學(xué)者主要是以廢棄煤礦單工作面采空區(qū)為研究對象進(jìn)行簡化研究，而真實的廢棄煤礦主要由多個工作面采空區(qū)、煤柱及巷道這3個對象構(gòu)成的；從研究方法來看，主要是以二、三維穩(wěn)態(tài)模型開展廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律的研究，而真實的廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律具有明顯的時空演化特征。上述簡化研究對客觀認(rèn)識廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)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(guī)律進(jìn)一步進(jìn)行深入認(rèn)識。

5）廢棄煤礦瓦斯抽采可行性評價體系及評價方法的構(gòu)建。廢棄煤礦瓦斯抽采必須遵守科學(xué)采礦、精準(zhǔn)采礦的先進(jìn)理念。因而，在對廢棄煤礦瓦斯進(jìn)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(gòu)建這一關(guān)鍵性基礎(chǔ)科學(xué)問題，進(jìn)而科學(xué)的評價廢棄煤礦瓦斯抽采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，方可避免盲目開發(fā)造成爛尾工程。

6）廢棄煤礦瓦斯抽采布井位置的再優(yōu)化。國內(nèi)學(xué)者對瓦斯抽采布井位置優(yōu)化研究的對象多為廢棄煤礦單工作面采空區(qū)，且基本認(rèn)同廢棄煤礦單工作面充分采動采空區(qū)的地面最佳布井位置為“O”形裂隙圈區(qū)域。而實際工程應(yīng)用是從整個廢棄煤礦的瓦斯抽采角度出發(fā)進(jìn)行布井位置選擇，同時真實的廢棄煤礦工作面采空區(qū)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(qū)的狀況有所不同，這就可能造成瓦斯抽采失敗等情況發(fā)生。因而，需要進(jìn)一步從廢棄煤礦整體角度出發(fā)對瓦斯抽采的布井位置進(jìn)行再優(yōu)化。

4 結(jié)語

《煤層氣（煤礦瓦斯）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》指出，廢棄煤礦殘存瓦斯的抽采利用或?qū)⒊蔀槊簩託猱a(chǎn)業(yè)新的增長點。中國擁有數(shù)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(fā)具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，我國已在廢棄煤礦瓦斯資源評價、瓦斯資源開發(fā)利用這2個廢棄煤礦瓦斯資源開發(fā)利用的核心環(huán)節(jié)取得了豐富的研究成果，但仍需在這2個核心環(huán)節(jié)的多個方面，如廢棄煤礦瓦斯富集分布規(guī)律、抽采布井的位置優(yōu)化、抽采可行性評價等，不斷進(jìn)行深入研究。同時，應(yīng)借鑒吸收國內(nèi)外煤層氣評價與抽采利用的理論、技術(shù)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(shù)、新裝備研究。