杜瑞成

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

矿井实际采掘过程中，经常出现局部区域易燃气体涌出量突然增大的现象[1]。当对矿层进行开采后，周围的应力会降低并造成裂隙的扩张和增加。压力释放易燃气体主要由这些裂隙和它自身的压力梯度造成。矿床的地质条件如结构特性、矿层顶板岩性和水文地质对未经开采的矿层的易燃气体积聚和富集有很大影响。近年来，对采空区能源富集规律特征和采动压力研究受到国内外学者广泛关注[2]。

1 采空区易燃气体

1.1 采空区易燃气体赋存状态

易燃气体在地层内有三种基本赋存状态分别为吸附状态、游离状态和溶解状态。三种状态易燃气体的含量受空间体积、地层压力、外界温度影响。在原始煤体中，由于地质矿物的结构特征，吸附状态的易燃气体占大多数，还有一些在大裂隙中游离的易燃气体，可以随空气流动。若地层中存在水，则部分易燃气体会溶解在水中呈溶解状态。三种状态的易燃气体处于动态平衡，在一定条件上能够相互转化，当外界条件变化时，三种状态的易燃气体比例会发生变化并最终达到平衡。

1.2 采空区易燃气体来源

矿井采空区的易燃气体来源主要包括四个方面：矿柱及开采剩余资源、邻近矿层、围岩、生物分解易燃气体。

1.2.1 矿柱及开采剩余资源

在开采矿产资源过程中，为达到支撑和稳定性要求，会在采空区之间留下一定宽度的矿柱，当矿井废弃后，这些矿柱也被废弃在地下。我国现有的开采率较低，致使一些矿井在关闭后残留了一定量的剩余资源，这些矿体内赋存了很多易燃气体，当周围压力变动时，这些易燃气体解吸并流入采空区。矿柱及开采剩余资源是采空区易燃气体的重要来源。

1.2.2 邻近矿层

一些矿井已采矿层附近可能还存在一些未开采的极薄矿层，这些矿层中含有一定量的吸附易燃气体。由于开采地层遭到破坏，应力状态改变，形成大量裂隙，则处于卸压范围内的邻近地层应力降低，当应力降低到易燃气体解吸范围时，邻近地层中的易燃气体解吸，并在与已采矿层形成的压力差的作用下，沿着纵向裂隙流向采空区，直至空间内的压力达到平衡，易燃气体才会减慢流动直至趋于稳定。而应力状态已经改变的但未达到易燃气体解吸范围的邻近矿层，也会成为采空区易燃气体不可忽视的潜在来源。

1.2.3 围岩

一些矿井采空区的周围岩体中也存在易燃气体，易燃气体赋存在矿石孔隙和裂隙中，并基本处于游离态。当采空区围岩卸压，产生许多纵向和横向裂隙，围岩透气性系数增加，这些游离态易燃气体会沿着裂隙通道流向采空区，使采空区易燃气体积聚。

1.2.4 生物分解易燃气体

在地质矿物中可能存在一些微生物，它们经过一系列有机作用源源不断地释放甲烷，但这类易燃气体所占比例很小，可忽略不计。

1.3 采空区易燃气体赋存范围

在抽采易燃气体的过程中，需要明确围岩应力场和具体参数，确定易燃气体赋存的范围，提高易燃气体抽采效率。采空区的上覆岩层根据裂隙和变形特征通常分为不同的区域，这种地层分区模型在我国广泛应用。

在竖直方向，上覆岩层分为I冒落带、II裂隙带和III弯曲下沉带。在开采前进方向，分为A支撑区、B离层区和C重新压实区。覆岩裂隙带高度和开采厚度M的存在相应的经验关系，显示了在国内矿企广泛应用的裂隙带高度的计算方法，因为该方法不需要现场测量或计算机模拟。

易燃气体高效抽采应该有效地控制其浓度升高，以保证在安全的环境中最大化地抽采到高质量的易燃气体，以进一步使用。为了实现这些目标，需要清楚两个方面：①在多大程度上可以有效抽采易燃气体；②采空区和覆岩裂隙决定易燃气体流动方向。

在易燃气体流动裂隙区内，地层充分卸压，含有竖直和水平方向均贯通的采动裂隙。该区域内地层内的吸附易燃气体由于充分卸压能够解吸，易燃气体能够轻易流过裂隙网。该区域内易燃气体流动速率大于其他区域。

在卸压易燃气体解吸区内，覆岩卸压，发生地层分离和矿石膨胀。该区域内覆岩裂隙几乎不发育成贯通裂隙，地层中的易燃气体由于卸压在一定程度上解吸，并只能在水平方向流动。如果不抽采，解吸的易燃气体由于孔隙压力恢复又重新被吸收。

在易燃气体解吸受限区内，覆岩既没有卸压又没有形成裂隙。该区域内易燃气体保持在矿石中的吸附状态。

1.4 采空区易燃气体运移规律

用显微镜观察地质矿物，在基质中可以看到它是双重孔隙介质，在矿物节理中可以看到它的孔隙。地层中的大多数气体最初都吸附在矿物基质表面而不是呈自由状态。矿物基质在易燃气体来源中扮演了重要角色。在双重孔隙地层中，不同的机理控制着易燃气体运动，在矿物基质中的易燃气体运移称为扩散过程，是由菲克定律描述的，在节理中的粘性流动通常由达西定律描述。易燃气体渗流规律可以用达西定律解释，达西定律适用于流速不是太高的情况，表示压力梯度和流动速度的线性关系式。当流速增加时，可以从层流变化到湍流，由于惯性阻力或湍流，这种压力梯度不遵循这个线性与流速的关系，这种非线性关系被定义为非达西流。非达西流可以用非达西流关系式来表示。易燃气体扩散是描述分子从高浓度到低浓度自由移动的过程。扩散的规律是流体流动速度和浓度梯度之间的关系。扩散分稳态扩散和非稳态扩散，大多数扩散过程都是在非稳态条件下进行的。当扩散为稳态扩散时是符合菲克第一定律，如果是非稳态扩散遵循菲克第二定律。

2 地层应力与破坏

2.1 地层应力

在矿产资源开采过程中，支护好顶板是保证安全的关键，为了保证采空区顶板的稳定性，需要了解采空区上覆岩层应力分布的规律。

地层应力场的形成过程是缓慢的，在各种影响因素下，矿体发生变形并逐渐保持平衡，并不断重复变形与平衡的过程，它与水平构造运动尤其相关。其中，重力应力场相对简单些，主要受上覆岩体影响，垂直应力在数值上基本等同于上覆岩层重量，一般小于水平方向应力值，且随深度线性增加。构造应力场的成因相对复杂得多，它主要是矿石在各种地质活动如：板块迁移、火山喷发、地标升降等以及地壳运动中长时间所表现出来的力。构造应力是极其不规则的，由于它的常数随时间变化，几乎不可能通过精确的分析解描述构造应力。描述构造应力需要明确其方向性。一般在构造运动中，水平运动占主导，因此在地层中尤其是坚硬岩层中主要存在水平构造应力。

通过研究分析，钻孔周围应力集中程度与孔的直径和曲率有关，应力集中程度随曲率增大而增大，随直径增大而减小。且相邻的两钻孔会出现应力叠加的情况，钻孔间距越小，彼此应力影响越明显。所以在打钻孔的过程中要分析可能出现的应力变化情况，以免钻孔压裂。

2.2 矿石的破坏机制

仿真实验表明了矿石失效过程，随着矿石断裂，可以测试到应力峰值和弹性模量。为了研究矿石的力学行为，设置一系列的不同围压的三轴压缩实验，如图1所示。三轴压缩实验模拟了矿石的破坏过程，包括损坏指数都在实验中详细的呈现出来，且地层应力会对矿石的破坏模式产生重大影响。当围压较小时，矿石会呈现混合张力和剪切破坏模式，可明显观察到裂隙。随着围压增大，矿石产生剪切破坏，形成许多不连续的裂缝，最后围压增大到矿石彻底沿剪切面断裂。围压垂直于最大主应力方向。该方法可用于预测和分析矿石的破坏状态。

图1 矿石在不同围压下的三轴压缩实验结果图

图1（a）显示了矿石在不同围压下的全应力-应变曲线。从图中我们可以看到，变形过程中，该曲线包括三个不同的阶段，分别是：微观裂隙闭合区域、线性弹性区域、裂缝产生延伸区域。线性增加的部分的斜率不是定值，它随着地层应力的增加而增加。通过将该斜率作为材料的初始弹性模量，可以计算出不同围压下的弹性模量和泊松比的值。弹性模量随围压增大而增大，而泊松比呈无规律变化。

3 地层渗透率的影响因素

由于多次构造运动，变质程度高的地质矿物在其基质孔隙度、裂隙、岩性、易燃气体吸附/解吸、渗透率和地质方面有自己的特点。地层渗透率是一个指示矿层易燃气体流动的重要的指标，是易燃气体储存的关键参数，是一个影响钻井抽采易燃气体量的主要因素，它在时间和空间上的变化会对易燃气体抽采有显著的影响。地层渗透率可以用渗透系数表示，通常受多方面因素的影响，如：地应力、地质构造、埋藏深度、矿石结构、岩相特征、裂缝发育程度等等，其中，裂隙和地应力的大小、方向对地层渗透率的影响最大。

3.1 地应力-裂隙-渗透率关系

易燃气体储层的渗透率很低，气体吸附能力很强，在双重孔隙系统中，矿物基质被认为是低渗透率、高储存能力在原生孔隙；孔隙被认为是具有高渗透率、低储存能力的次生孔隙。原生孔隙主要由矿物沉积形成，而次生孔隙由孔隙度和裂隙决定。中深部地层开采覆岩损伤变形影响下含水层“侧向直接与垂向渗漏”复合失水模式,以COMSOL多物理场耦合数值分析软件为平台，提出了中深层开采覆岩变形损伤与含水层失水数值分析模型。然而，由于缺乏易燃气体储存压力和渗透率数据，还没有广泛展开地应力对易燃气体储层渗透率影响的研究。因此，对易燃气体开发和发展阶段的渗透率变化的理解还比较欠缺。易燃气体储层的渗透率在不同应力状态下会变化很大。

通过三轴压缩实验研究矿石破坏过程的三个阶段中，根据初始裂隙密度、裂隙形状以及随着存在裂隙的闭合导致的渗透率降低可知，微观裂隙闭合区域的微裂隙有不存在的可能性。一旦现有的裂隙闭合，矿石则能被视为一个线性、均匀的弹性材料，裂隙的体积应变和渗透率基本不变。随着负载的增加，主要裂隙发育并产生了许多次生裂隙，裂隙体应变的再次增加标志着压缩过程第三阶段的开始，相应地，矿石渗透率急剧增加。各类矿石和地层渗透率变化均符合该过程。压缩载荷不仅对渗透率影响显著，而且影响矿石的主要裂隙发育。所以，渗透率的变化与裂隙体应变呈线性相关。在微观裂隙闭合区域，渗透率随裂隙体应变的减小而线性减小，在裂缝产生延伸区域，渗透率随裂隙体应变的增大而线性增大。

依据轴向应力、应变、渗透率的关系建立“地应力-裂隙-渗透率”本构模型。在矿石中存在大量原生裂隙，当应力变大则垂直于应力方向的裂隙收缩变形，应力降低则垂直于应力方向的裂隙膨胀变形。裂隙的闭合或扩张受到正向应力的显著影响，但是矿物孔隙系统在压缩和塑性变形的情况下压实闭合且不能恢复，从而渗透率不能恢复。应力和裂隙的存在一定的函数关系，无因次渗透率和初始正应力的倍数呈反比的关系。渗透率随压力的增大而减小。因此地层的卸压可以提高渗透率。随着开采深度的增加，高易燃气体、高地应力和低渗透率的特点也逐渐明显。减压和增大渗透率对于易燃气体抽采非常重要。

随着在早期阶段易燃气体抽采时的矿石收缩引起钻井压力减小，有效应力增加，进而造成了钻井抽采过程中渗透率的改变。钻井的完工和操作不可避免地造成地应力局部集中，甚至钻井附近的岩体失效。为了增加钻井抽采易燃气体的能力和效率，有必要增加钻井周围的卸压范围。基于方程分析和描述卸压对渗透率的影响是可行的。

3.2 地层渗透率的其他影响因素

3.2.1 矿物性质

除了有效压力，矿物性质也会影响地层渗透率。矿物性质可能影响裂隙。矿物等级高的显微组分主要是镜质体，与低变质矿物和中等变质矿物的组分有很大不同。镜质组含量越高，矿物裂隙发育越充分，渗透率越高。

3.2.2 含水量

矿产资源通常都会含水，在矿井易燃气体开发过程中，地下水也会影响地层应力敏感性，且矿物样品湿度越大，矿层对应力的敏感性越强，地层渗透率会随着有效应力的增加降低更快。也就是说，对于较湿的地质矿物速增长的有效应力会造成更大的渗透率损失。在有机质，水使矿石内部分子更为活跃，在裂隙系统产生孔隙水/气体压力。孔隙压力下降会相应引起有效应力的增加。水/气压力会抵消一部分煤体全压，减少弹性极限和剪切强度，矿产资源就更容易发生弹性和塑性变形。

3.2.3 矿产资源的等级划分

不同等级的地质矿物具有不同的纹理，它们在多变的有效应力下的行为就不同。由于矿化程度低，裂隙和孔隙不完全发育，强度低，基质等级低的矿物容易压实，导致了渗透率急剧降低。在实际环境中，形成易燃气体储层压力的敏感因素是复杂多变的，很难定量描述个别因素对渗透率的影响。

4 总结

（1）明确了易燃气体在采空区内的三种基本赋存状态和采空区矿产资源赋存范围。当储层压力下降到一定程度时，易燃气体就开始解吸，由吸附状态转化成游离状态，并沿着裂隙向外部扩散、运移。

（2）矿井采空区可划分为矿柱及开采剩余开采矿体、邻近地层、围岩、生物分解易燃气体。揭示了矿层内易燃气体运动是包含了渗透和扩散的混合流动过程。

（3）分析了原岩应力的构成及分布特征，三向应力随深度线性增加。水平应力普遍大于垂直应力。钻孔周围矿体出现局部应力集中现象，且表现为压缩应力。描述了矿石破坏机制，将岩石应力-应变曲线分为三个阶段：微观裂隙闭合区域、线性弹性区域、裂缝产生延伸区域。

（4）从地层渗透率受地应力、裂隙、矿物性质、含水量、矿产资源等级等因素的影响。依据轴向应力、应变、渗透率的关系建立了“地应力-裂隙-渗透率”本构模型。易燃气体流动受到地层渗透率的影响，而渗透率取决于裂隙的闭合或扩张，渗透率随正向应力的增大而减小，地层应力分布规律可以指导围岩渗透率的研究。

（5）进而为研究卸压易燃气体沿不同方向的流动规律，采空区矿产资源储存空间分布特征，地面钻井抽采方法的实际应用，地面钻井的位置的合理选择，控制采空区易燃气体的抽采，统一井位布置，可提高抽采量以及利用率提供了理论指导。