王家琛，杨兆彪，秦 勇，杨彦群，董志勇，孟祥昊

(1.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008；2.山西焦煤集团公司技术中心，山西 太原 030024)

中国具有富煤贫油少气的能源格局，煤炭能源依然会在未来较长时间内居于能源结构中的重要位置[1]，但随着煤炭资源的不断开采和“双碳目标”的落实，会有大量煤矿在整个行业的优化调整中被关闭。我国煤炭开采历史长久，自20 世纪末到21 世纪初，全国关停矿井有将近7 万处。各地区煤矿生产过程中，因回采率的制约和地质条件限制，据估算有45%～50%的主采煤层和保留煤柱的煤炭遗留在井下，而这些遗留煤炭资源中赋存大量煤层气资源。

统计表明，20 世纪末各种情况导致的遗留的煤炭资源量将近300 多亿吨，其中聚集的遗留煤层气(Abandoned Mine Methane，AMM)据估算将达到上千亿m³[2]。随着关闭煤矿的增加，还会产生大量废弃采空区，采空区周围形成采动区，遗留的煤层气资源量会进入一个动态高速增长期。遗留的煤层气资源若不妥善利用，任由其遗留地下废弃采空区，一方面，会造成优质能源的浪费，并威胁与其赋存层位邻近井下工作面的安全生产；另一方面，浅埋深废弃煤矿的遗留煤层气可顺采动裂隙带逸散到地表，而CH4造成的温室效应是同等体积CO2的20 多倍，会对气候和生态环境造成巨大影响。在当前国家大力推进“双碳目标”落实阶段，废弃矿井遗留煤层气资源评价与开发具有重要的现实意义。

然而，废弃矿井遗留煤层气资源开发具有其独特性，源于其在原始地质条件下扰动后的二次动态成藏。因此，准确圈定遗留煤层气富集空间及其采动裂隙场，揭示遗留煤层气的赋存特征及其动态运移和聚集过程，建立遗留煤层气资源量的动态评价模型是废弃矿井遗留煤层气资源成功开发的地质理论基础。本文主要针对以上研究的进展开展了综述，并探讨今后研究方向。

1 开采扰动区分带及应力-裂隙-渗流三场特征

1.1 煤层开采覆岩扰动区

开采煤层工作面推进时，覆岩会经历顶板垮落、离层产生、扰动裂隙的延展、扰动区外围地层弯曲下沉等一系列过程，前人针对开采扰动条件下覆岩移动和破坏特征提出了众多理论，如传递岩梁假说、砌体梁理论，覆岩关键层理论等。国内外学者基于现有理论，对煤层开采扰动地层的演化规律进行深入的研究，普遍认为长壁开采工作面上覆地层存在3 个垂向的移动带[3-6]，分别为垮落带、导水裂隙带和接近地表的弯曲下沉带，同时给出了经验公式用以判断“三带”范围(图1)。

图1 扰动区分带Fig.1 Diagram of the disturbed area

针对具有采深大、煤层厚、工作面跨度大等特殊条件的开采煤层，其覆岩关键层与开采煤层的位置关系，对导水裂隙带的垂向延展距离起到控制作用，许家林等[7]应用相似模拟研究手段，发现覆岩关键层位于煤层采高的7～10 倍距离内时，其控制的破断裂缝会贯通为导水裂隙。陈荣华等[8]根据长臂开采工作面现场数据建立采场模型，应用仿真软件RFPA2D对煤矿开采进行分步开挖模拟，通过分析推进过程中覆岩的形变和破断，预测覆岩裂隙带顶部高度为83 m，与现场钻孔得到83.9 m 裂隙带高度基本吻合。徐光等[9]针对开采扰动下覆岩导水裂隙带侧向边界的确定开展研究，基于仿真模拟方法，对阳泉矿区废弃矿井中煤岩的导水裂隙带的发育边界进行预测，结果显示煤层覆岩导水裂隙带顶部高度为71.7 m，裂隙带侧向边界最大超出工作面边界34.6 m，位于覆岩51.4 m 处。针对瓦斯卸压，新“三带”理论将开采扰动覆岩地层分为：导气裂隙带，卸压带及不易解吸带，研究表明采煤工作面的高度、长度、覆岩关键层结构等是控制三带高度及分布特征的关键[10-11]。通过煤矿开采经验和覆岩扰动区破坏规律的研究成果可以发现，如果开采工作面的推进长度、开采高度及覆岩破断角越大，覆岩裂隙带越高。李日富等[12]通过搭建相似实验平台，对开采扰动地层应力场分布进行实时监测，揭示出开采扰动围岩地层的有效卸压区会延伸至宏观裂隙带外，宏观裂隙带至有效卸压边界内的煤层气仍可以自由流动，并且有效卸压区外存在一个煤层气不可运移的过渡卸压区。

1.2 煤层开采底板扰动区

在煤矿开采扰动下，主采煤层底板同样会存在导气裂隙带，使位于下部的煤层中的煤层气导气能力增大，顺裂隙向上部运移富集。随着前人对底板导气裂隙带研究深入，揭示了采动诱导应力分布特征及演化规律，以此对下伏地层进行区带划分，垂直方向上将底板分为三维卸压带、一维卸压带和原始应力带，水平方向上沿煤层开采方向分为原始应力区、压缩区、膨胀区、恢复区和重新压实区，如图2 所示[13]。

图2 下伏地层“三带五区”划分[13]Fig.2 Schematic diagram of“three bands and five zones”in underlying strata[13]

由于煤矿开采时工程条件的限制，若想全面准确地了解煤矿开采扰动下底板破坏规律，需要在现场监测手段的基础上，辅以物理模拟实验和计算机模拟实验。姜耀东等[14]应用自主研发的煤层底板水压模拟装置，进行承压水上煤层开采过程试验，获得了煤层回采过程中围岩应力-应变规律，发现工作面前方的煤岩一直处于承压状态，采空区中的下伏地层基本呈卸压状态，岩体发生鼓胀，在采煤整体过程中水平方向底板岩体应力规律呈现承压-卸压-恢复特征，在底板的鼓胀区中，会同时发育纵向和横向裂隙。张勇等[15]利用仿真模拟软件，分析了开采煤层底板应力场演化规律及裂隙带动态变化特征，发现工作面前方8 m 之内的下伏地层压缩区中主要发育垂直方向的弯曲拉伸裂缝，工作面的后方发育较多倾角在45°以下的剪切裂缝，最远可延展至40 m 处。张蕊等[16]结合仿真模拟结果与现场实测数据，研究大采深厚煤层开采时底板的破坏特征，确定其开采破坏深度为20 m，并揭示了大采深厚煤层底板应力场演化规律。

前人基于工程实践和各类模拟实验研究发现常规煤层开采覆岩扰动区影响范围可达到100 m 左右，而底板的扰动区范围可达到50 m 左右。

1.3 扰动区地层应力场-裂隙场-渗流场特征

国内外学者已经针对单一工作面开采扰动下应力-裂隙-渗流三场特征做了大量研究，取得了较为全面的认识。A.K.Singh 等[17]总结开采扰动覆岩应力场分布特征的研究进展，提出覆岩采动诱导应力分布模型(图3)，发现伴随工作面宽度的增大，工作面两侧承压区的采动诱导应力增大，且重新压实区范围逐渐增大，进一步结合浅埋深煤矿井实测覆岩采动诱导应力数据，发现覆岩应力场主要受控于煤层埋深和覆岩力学性质。大量煤层气开发井工程实践表明，抽采产能受煤层的应力敏感性影响较大，煤层渗透率会随有效应力增大明显降低[18]。开采煤层扰动区内的应力分布情况会影响渗流场分布，进而决定遗留煤层气资源运移聚集特征。

图3 地下煤矿不同挖掘宽度下的采动应力(垂直)发展变化概念模型[17]Fig.3 A conceptual model of mining induced stress(vertical) development at different widths of excavations for an underground coal mining[17]

采煤过程中，伴随工作面推进，覆岩应力重新分布，工作面前进一段距离后，其后方较远距离的采空区中部覆岩因自重而发生压实作用，应力恢复过程导致重新压实区内的部分采动裂隙发生闭合，进而降低地层渗透率；而采空区四周靠近煤壁的采动裂隙在煤壁支撑作用得以大量保存，使得重新压实区四周地层渗透率增大，由此产生了采空区围绕中部重新压实区分布的裂隙带。钱鸣高等[19]针对覆岩裂隙带分布特征进行研究，应用相似模拟、仿真模拟等方法，提出开采扰动裂隙分布的著名“O”形圈理论(图4)，并且指导了淮北桃园矿和芦岭矿布置卸压瓦斯抽采钻孔。D.P.Adhikary 等[20]应用仿真模拟方法，对澳大利亚新南威尔士州一矿区开采扰动渗透率分布情况进行研究，发现距巷道11.2～11.5 m 处，渗透率可增加到50 倍以上，增透效应最远作用于巷道外20 m 处，开采扰动区内覆岩的渗透率最大可以增加1 000 倍以上，并指出其原因为实测段的位置有较大的裂缝发育。这表明开采时卸压作用导致裂隙大量发育，地层渗透率随之大幅增加，渗流场分布受到裂隙场分布的控制，而在采煤工作面推进的动态过程中，卸压作用的增渗与压实作用的降渗共同发生、相互影响，进而作用于遗留煤层气资源的二次富集成藏。孟召平等[21]综合考虑煤矿开采扰动下岩体的应力值、形变位移量及渗透性，应用数值模拟方法，阐明开采扰动岩体破坏产生的断裂密度和断裂张开度是影响渗透率的决定因素，并且渗透性的分布与岩体应力场和破坏规律保持一致。

图4 覆岩裂隙带分布的“O”形圈示意Fig.4 Schematic diagram of“O”rings of fracture zone distribution in the overburden rock

袁亮等[22]分析淮南顾桥煤矿工作面现场实测采动诱导应力、围岩形变及孔隙流体压力等数据，得出工作面前方采动诱导应力在水平方向上最大扰动范围为300 m，覆岩裂隙场集中在工作面后170 m 内，其后基本为重新压实区域，裂隙带垂向发育高度可达145 m，并且根据覆岩应力-裂隙-渗流三场动态演化规律，结合覆岩扰动区内煤层气“环形”流动通道，建立了开采煤层覆岩高位环形裂隙体模型。B.A.Poulsen 等[23]研究开采扰动地层的变形特征，结合数学模型，计算扰动裂隙孔径，并精确计算渗透率的峰值分布情况，发现开采煤层中部和两侧的支撑煤壁的覆岩渗透性不同程度增加，在相同高度下，工作面支撑煤壁上部地层渗透率会增加3～6 倍，而靠近中部重新压实区上部地层的渗透率增加程度较小。这表明开采扰动区中部的覆岩重新压实作用对裂隙场分布影响明显，使覆岩部分区域采动裂隙重新闭合，进而使扰动区内渗流场出现差异性分布。根据裂隙带及渗透率分布特征，可以明确常规工作面开采扰动裂隙场具有靠近四周煤壁裂隙数量分布多而密、中间重新压实区裂隙较少的特征，且覆岩关键层下的岩层间会产生较大的离层空间，使得开采扰动区内局部渗透率大幅增加，地层孔隙率整体分布基本为马鞍状[24]。

常规单一工作面开采下的围岩扰动特征研究是早期研究的重点，但是在实际工程中往往会有多个采煤工作面在较小范围内存在，这导致多个采煤工作面的扰动区相互之间会有明显的叠加扰动影响。应力场-裂隙场-渗流场特征及耦合关系也会在多个工作面开采的相互干扰下与单一工作面开采有较大的不同，这将是废弃矿井遗留煤层气资源开发的重点研究方向。

2 废弃煤矿遗留煤层气赋存特征及其运聚规律

2.1 赋存特征

废弃矿井遗留煤层气资源可以按来源分成3 类，第一类为主采煤层的落煤、保留煤柱等剩余煤炭中所赋存的煤层气；第二类为赋存在原位煤层中，为主采煤层扰动范围内邻近的未开采煤层；第三类为主采煤层扰动范围外各煤层中的煤层气(图5)。

图5 废弃矿井遗留煤层气资源构成Fig.5 Composition of residual coalbed methane resources in abandoned mines

煤层开采的卸压作用使得主采煤层和围岩发育大量裂隙，煤层气向新的裂隙系统中运移流动，其中的煤层气富集区是重点开采区域，开采扰动区中的储气空间特征描述是后续进行遗留煤层气资源量评估的基础。传统理论将废弃煤矿煤层气资源的富集空间范围定为：主采煤层开采扰动区内的裂隙场及其四周围岩中的各类含气地层[19]，其中的扰动裂隙场主要分布在主采煤层上下地层中，由原位煤层中的裂隙和开采影响下发育的裂隙及残留采空区之间相互连通形成[25]。韩保山等[26]将传统“三带”理论和煤层气吸附理论相结合，确定遗留煤层气赋存范围大致可等效为一个横向上的圆饼状区域，并根据采动角确定了其半径。

煤矿开采受到实际生产中回采率和地质条件限制，采空区内含有大量本煤层遗煤，并且会有矿井水聚集，这会导致遗留煤层气资源会以各种状态赋存于采空区中[27]。魏庆喜等[28]对封闭采空区煤层气赋存方式进行了研究，依据存在形式将其分为游离态、吸附态和溶解态，不过三者之间的比例较原始状态发生了变化，其中吸附气比例有下降，游离气则在采煤扰动的影响下占比大增，溶解气比例有所下降。开采扰动条件下各状态煤层气运移动态分布规律(图6)表现为：在具有稳定盖层的覆岩采动裂隙带中，吸附气含量在采掘工作面附近最低，在覆岩和底板中随着远离工作面而逐渐增大；游离气分布规律恰好相反，含量从采掘工作面开始向周围逐渐降低[29]。

图6 煤层开采扰动下不同状态煤层气运移规律Fig.6 Migration law of coalbed methane in different states under mining disturbance

2.2 运移及聚集规律

国内外学者在煤层瓦斯运移方面形成众多理论，有煤层瓦斯扩散理论、煤层瓦斯流固耦合渗流、地球物理场中煤层瓦斯渗流理论等。随着理论研究的深化，煤层瓦斯扩散-渗流理论在解释煤层瓦斯流动过程时被广泛接受。

开采扰动区岩体发生破坏后，扰动区卸压作用使得大量煤层瓦斯解吸，瓦斯与扰动区煤岩体的“流-固”耦合作用规律是探明废弃矿井中遗留煤层气二次富集的关键[30]。相关研究表明，开采卸压条件下瓦斯大量解吸会引起煤基质收缩，使采动区煤层孔-裂隙增大，扩展瓦斯渗流通道；此外，煤层瓦斯压力与采动区诱导应力具有正相关性，同时采动影响下煤层瓦斯扩散系数衰减系数增大会导致瓦斯压力在裂隙内的衰减速率增大，并且开采扰动条件下瓦斯压力减小的区域内煤体有效应力相应增加，使得部分采动孔裂隙闭合，缩减瓦斯流动通道[31-33]。赵洪宝等[34]采用Fluent 仿真软件针对薄煤层开采特殊条件，对薄煤层开采扰动区中瓦斯的运聚规律进行了研究，发现采空区内的瓦斯运移速度随孔隙率增加而增加，并且受到工作面通风系统的影响。胡胜勇等[35]应用自制相似实验装置研究采空区气体富集情况，并模拟了分浓度梯度煤层气运移和聚集过程，发现由于空气和煤层气的密度差异产生浮力，使得煤层气浓度在采空区中顶部高底部低，在顶部形成煤层气聚集区，并揭示残煤中煤层气浓度越高开采后聚集区内的浓度也越高。张江华等[36]依据山西晋城寺河矿3 号煤过采空区煤层气井工程实践经验，研究底板邻近层的煤层气解吸情况及其运移和聚集特征，阐明了过采空区煤层气井的抽采机制，并且确定过采空区井最优间距为350～400 m，同时分析了底板煤岩渗透率重分布情况，发现位于3 号煤层下伏地层开采扰动变形带内的9 号煤层渗透率增加明显，受卸压作用明显。

综合前文所述研究发现，可知主采煤层受开采扰动使煤层及围岩应力场重新分布，覆岩和底板地层在此过程中不同程度卸压，裂隙带的分布特征为距离开采工作面越近，地层裂隙密度和破断张开度均越大，这使得在靠近工作面的上下地层中存在一个三维卸压带，此区域内发育大量竖直和水平方向裂隙，因此，煤层气可以自由流动；煤层气自由流动区边界至过渡卸压区边界内属于一维卸压带，其内地层形变较小，少量发育平行微观裂隙，该范围内邻近煤层中煤层气可以发生解吸，但相对运移较难；一维卸压带范围外为原始应力区，煤层气无法自然解吸并运移。由于废弃矿井的开采扰动区内多组分气体间的物理作用，遗留煤层气会在升浮作用下向整个开采扰动区上部运移聚集，并在三维卸压带上部形成一个潜在富集区(图7)。

图7 煤层开采扰动条件下煤层气运移分带及富集Fig.7 Migration zoning and enrichment of coalbed methane under mining disturbance

3 废弃煤矿遗留煤层气资源评价

3.1 国外

国外在废弃煤矿煤层气资源量评价上开展了大量实践工作，大多依靠废弃矿井自然逸散现场数据的监测，采用月下降曲线法计算废弃矿井中煤层气资源量，通过对废弃煤矿监测数据的分析和总结，发现煤矿关闭后的前2 个月是煤层气快速逸散期，这段时间内近七成的煤层气资源量被排出，然后保持一个平稳逸散期[37-39]。Raven Ridge 能源公司根据实测数据建立资源量估算模型，并开发了专门用于估算废弃矿井遗留煤层气资源量的软件，并成功投入运营[37]。V.Palchik[38]针对乌克兰顿涅茨克市多个不同地质条件的浅埋深煤矿实地测量数据进行研究，优化了甲烷涌出下降曲线法中的参数，布置的多个甲烷逸散监测井中，位于Centralnaya 矿的2 号井60 d 内甲烷最高自然逸散量可达到1 400 m3以上。C.Ö.Karacan 等[39]以美国宾夕法尼亚州西南部一煤矿两相邻工作面为研究对象，评估其关闭后的遗留煤层气资源开发潜力，依据煤矿内278 个煤层气勘探钻孔实测数据，得出研究区煤矿关闭后700 d 内遗留煤层气可开发资源量达3.68×106m3，整体开发周期可达到2 500～4 000 d。

3.2 国内

受各种废弃煤矿特殊条件的限制，国内学者提出了很多关于废弃矿井遗留煤层气资源量评价方法。李日富[40]将相似模拟和仿真模拟结合，利用“三带”理论对扰动区内上下岩层的煤层气赋存空间范围进行厘定，优化了采空区煤层气资源量计算参数，分别对单煤层开采、煤层群中单煤层开采及煤层群中多煤层合采3 种开采方式进行遗留煤层气资源量的估算。张大旺等[41]针对煤矿开采扰动地层中的原位区、卸压区和采空区建立了对应的煤层气资源评价体系，并应用层次分析法进行选区评价。近年来，间接扣减法和分源叠加法这2 种废弃矿井煤层气资源量计算方法应用较多，间接扣减法原理为总资源量扣减损耗量，即在评估煤矿开采前的煤层气资源量基础上，扣去煤矿开采过程中损失的资源量，从而得到废弃矿井内的遗留煤层气资源量[42]。

周建军等[43]研究指出应重视废弃煤矿积水对其内遗留煤层气资源开发利用的影响，稳定采空区的积水会影响其内煤层气资源量计算的精确度，废弃煤矿中的积水如果十分严重，还会导致其占据游离气存储空间，进而在地面抽采过程中使产量快速衰减；另一方面废弃煤矿中积水产生的静水压力，也会增加煤层气抽采时的解吸难度。孟召平等[44]依据采空区内遗留煤层气资源赋存状态分析其来源，在计算游离气和吸附气资源量的基础上，充分考虑煤矿内积水情况，并分别建立废弃煤矿采空区的积水量和含水饱和度计算模型，最终评估晋煤集团晋圣煤矿的遗留煤层气总资源量为5.871 7 亿 m3，具有较高的开发价值。

综上，当前废弃煤矿遗留煤层气资源量评价方法主要有月下降曲线法、分源叠加法、间接扣减法等，其有各自的缺点和优势，并且适用的情况也有差别(表1)。月下降曲线法适合矿井瓦斯监测数据完整全面，关闭后仍然对瓦斯浓度与逸散量等数据进行监测的管理制度完善的矿井；分源叠加法是对遗留煤层气3 种赋存状态分别进行计算，最后叠加求得，具有较高的准确性，但是其数学模型中需要涉及很多参数，需要大量且全面的煤矿原始资料；间接扣减法主要是以原位煤层中煤层气含量为基础，扣减采煤过程中抽采的煤层气资源量和自然逸散的煤层气资源量后获得，其原理较为简单，涉及参数适中，但是其中的参数获取途径较为困难，且准确性较低。

表1 废弃矿井遗留煤层气资源量主要计算方法及优缺点Table 1 Main calculation methods,advantages and disadvantages of CBM resources left over from abandoned mines

4 问题及展望

近年来煤矿行业发展新阶段促使废弃矿井遗留煤层气资源开发利用相关方面研究取得大量新进展和新技术，学者对于遗留煤层气的赋存、运移及富集机理都有了较为深刻的认识。但还存在一定的问题需要深入研究。

(1)单一煤层多废弃工作面扰动叠加下的围岩应力场-裂隙场-渗流场研究。煤矿单工作面开采扰动围岩分带理论较成熟，对围岩开采扰动区特征的认识也较为深入，扰动区分带理论与围岩应力场-裂隙场-渗流场特征的结合也越来越紧密，后续研究的重点在于单一煤层多工作面开采之间的相互影响关系，如同一盘区多工作面开采时间差异及位置关系对废弃矿井整体扰动区内应力场-裂隙场-渗流场特征的影响。

(2)时空尺度下废弃煤矿遗留煤层气动态运移聚集规律。在空间尺度下，针对不同开采扰动区带内裂隙场和渗流场特征，研究煤层气运聚特征，指明废弃煤矿中遗留煤层气资源的二次富集空间有利区。在时间尺度下，研究矿井开采到关闭全生命周期的煤层气动态运移聚集规律，并预测有利聚积的时间窗口。同时建立具有普适意义的煤层气次生富集成藏的地质模式，以指导后期废弃矿井煤层气地面开发。

(3)废弃矿井煤层气资源量动态计算模型。当前有很多关于煤矿采空区煤层气资源量的计算模型或方法，各种方法的使用条件和范围都有不同，众多资源评价方法在实际应用中会有各种局限性；且往往是静态的，未考虑废弃矿井煤层气聚积是一个动态过程。针对废弃煤矿开采扰动地层各区带中煤层气资源量的动态计算模型还需要进一步完善。

5 结论

a.工作面开采覆岩及底板扰动带一般可以分为3 类，最靠近工作面的导气裂隙带，其由采空区及大量竖向和横向开采诱导裂隙连通形成；中间部位是卸压带，其中以顺层裂隙为主，地层的变形和破断程度均小于导气裂隙带；最外围区域为不易解吸带，其内地层会发生一些弯曲变形。常规煤层开采扰动影响范围在覆可达到100 m 左右，底板可以达到50 m 左右。

b.废弃煤矿遗留煤层气资源赋存空间基本为开采扰动下的底板有效卸压边界至覆岩有效卸压边界内，其中顶底板有效卸压边界会延伸至裂隙带范围外；在临近主采煤层一定范围内存在一个三维卸压带，其中的煤层气可以自由流动；在其外直到过渡卸压区边界，存在一维卸压带，其内的煤层气可以解吸但难以自由移动。由于废弃煤矿采空区中多组分气体间物理作用，遗留煤层气资源受升浮作用向开采扰动区上部运移，潜在富集区一般在主采煤层覆岩的三维卸压带上部。

c.国内外煤矿管理制度差异导致月下降曲线法在国内的推广有局限性，分源叠加法和间接扣减法等相较于月下降曲线法容易实现，具有更广泛的适用性；对于水文地质情况复杂的废弃矿井，应充分研究积水对遗留煤层气资源量评估的影响，使得评价方法更具真实性。

d.准确圈定遗留煤层气富集空间及其采动裂隙场，揭示遗留煤层气的赋存特征及其动态运聚过程，建立遗留煤层气资源量的动态评价模型是废弃矿井遗留煤层气资源成功开发的地质理论基础，也是今后的重要研究方向。