廢棄煤礦瓦斯資源估算與評價方法構建及應用

劉小磊，閆江偉，劉 操，賈天讓，馮陣東，魏建平，魏國營

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理省部共建國家重點實驗室培育基地,河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心,河南 焦作 454000)

隨著國家供給側結構性改革和煤炭去產能相關政策的實施，大量煤礦被關閉[1-2]，其中不乏高瓦斯突出礦井[3]。據統計，廢棄煤礦中約有5 000 億m3瓦斯[4]，這部分瓦斯正在不斷逸散。目前，部分國家對廢棄煤礦瓦斯進行了研究[5-8]，還沒有建立完善的評價體系和勘探開發技術，特別是初期對廢棄煤礦瓦斯資源的評價，這是決定后期是否具有開發價值的重要參考依據。由于前期沒有針對廢棄煤礦采取相應的監測措施，廢棄煤礦瓦斯資源估算中面臨影響因素多且不確定性大等諸多困難[9]。國內外學者對廢棄煤礦瓦斯資源類型劃分、評價方法及其相關理論進行了多年的探索和研究[4,10-15]，并進行了現場試驗[16]，但對廢棄煤礦瓦斯的定義尚沒有統一的標準[17-19]；同時，根據廢棄煤礦瓦斯主要來源和賦存狀態等，提出了物質平衡法和資源構成法等計算方法[13,17,19-21]。物質平衡法主要是根據瓦斯來源及其排放途徑之間的關系進行計算；資源構成法主要是把瓦斯資源劃分為吸附態和游離態，分別進行計算[17]。此外，韓保山等[21]基于瓦斯涌出規律提出了基于下降曲線估算廢棄煤礦瓦斯資源的方法；孟召平等[20]基于覆巖變形破壞特征及積水情況等建立了采空區瓦斯資源量計算模型；文光才等[13]根據“間接減法”理念構建了相應的瓦斯資源量計算模型。以上方法需獲取瓦斯排放總量、后期逸散量、采空區瓦斯濃度及壓力等多種參數，而目前我國廢棄煤礦多數缺少采空區的實測參數，估算難度較大，難以大范圍進行應用?；谇叭搜芯考拔覈鴱U棄煤礦瓦斯資源評價面臨的現實問題，本文提出了“資源估算+初步評價”的思路，即先行估算出廢棄煤礦可能賦存有多少瓦斯，然后再結合影響這部分瓦斯資源的地質條件進行初步評價，找出具有潛在開發價值的區域，為后期進行深入的勘查提供理論依據?；诖?，建立廢棄煤礦瓦斯資源估算方法，并構建相應的評價模型，對其潛在開發價值進行初步分級，最后，以焦作礦區為例進行相應分析，以期為合理評估我國廢棄煤礦瓦斯資源提供參考。

1 廢棄煤礦瓦斯資源量估算方法確定

采動影響范圍之外煤巖層中的瓦斯對廢棄煤礦瓦斯抽采貢獻不大，且河南省原位煤層氣開采難度大；同時，文獻[22]表明，相比廢棄煤礦瓦斯資源總量，采動擾動區瓦斯資源量比例不足1%。鑒于此，本文只進行廢棄煤礦開采層瓦斯資源量的估算。

1.1 估算思路

本文重點預測有多少資源，然后再結合地質條件進行資源潛力評價，資源量估算方法思路如圖1所示。

圖1 廢棄煤礦瓦斯資源量估算思路Fig.1 Estimation of gas resources in abandoned coal mines

具體估算步驟如下：

①將廢棄煤礦瓦斯資源分為煤炭動用區遺煤瓦斯資源量和煤炭未動用區瓦斯資源量兩部分；

② 獲取煤礦的原始煤炭儲量，截至關井已動用的煤炭儲量和尚未動用的煤炭儲量；

③針對尚未動用的煤炭儲量，根據瓦斯資源量計算方法中的體積法，利用煤炭儲量與煤層原始瓦斯含量的乘積估算尚未動用瓦斯資源量；

④ 針對已動用煤炭儲量，首先根據煤礦、采區或工作面回采率計算得出動用儲量中遺留在井下的儲量；

⑤ 動用煤炭儲量中遺留煤炭瓦斯資源量利用遺留煤炭資源與煤層殘存瓦斯含量的乘積進行估算；

⑥ 結合煤礦具體地質條件對廢棄煤礦瓦斯資源進行評價。

此方法所需參數相對較少，同時，所需資料均為煤礦生產階段必備資料，因此，資料相對較全；同時本方法計算思路簡單，各煤礦均可依據本方法進行計算，效率相對較高。需要說明的是本模型不考慮煤礦開采過程中鄰近層向開采層的涌出，因此，其適用于無鄰近層開采或開采層與鄰近層間距較大，對鄰近層瓦斯涌出影響相對較小的礦井。

1.2 估算方法

根據以上思路，廢棄煤礦瓦斯資源量估算公式如下：

式中：Qc為煤礦開采層殘存瓦斯資源量；Qy為煤礦開采層遺留煤炭中瓦斯資源量；Qb為煤礦開采層未動用煤炭中瓦斯資源量；Q1為 遺煤資源量；Q2為開采層未動用煤炭儲量；W0為 原始瓦斯含量；Wc為殘存瓦斯含量。

對殘余瓦斯含量，有實測值時，采用實測值，當缺少實測值時，考慮到煤炭開采后，對開采煤層，前期已進行了長期抽采和解吸，開采時瓦斯含量已經較低，廢棄前遺煤經過了較長時間的解吸，根據Langmuir 定律，后期解吸速度逐漸變慢，此時，運出礦井前后誤差相對較小，可根據AQ 1 018-2006《礦井瓦斯涌出量預測方法》進行預測。該方法提供了2 種預測方法，當高變質煤瓦斯含量大于10.00 m3/t 和低變質煤的殘余瓦斯含量值可按表1 選取。瓦斯含量小于10.00 m3/t 的高變質煤的殘余瓦斯含量值可按下式選取。

表1 純煤的殘存瓦斯含量取值Table 1 Value of residual gas content in pure coal

2 廢棄煤礦類型劃分及瓦斯資源評價方法

2.1 廢棄煤礦類型劃分

煤礦開采實際是對地下儲層平衡環境的破壞，開采之后，地下環境會再次趨于平衡，這里面不但包括巖層的移動，也包括巖層氣體的再次運移平衡。前人研究認為煤炭開采后，周圍瓦斯涌向采空區的時間可長達15 年，之后絕對涌出量基本為零[5]。據此，根據氣體運移平衡時間將廢棄煤礦劃分為穩定型和非穩定型。穩定型定義為廢棄時間在15 年以上的煤礦，非穩定型定義為廢棄時間在0～15 年的煤礦；由于非穩定型跨度較大，進一步劃分為非穩定型初期(0～5 年)、中期(6～10 年)和后期(11～15 年)。

2.2 廢棄煤礦瓦斯資源賦存評價模型

煤層瓦斯原始狀態主要以吸附態存在，存在少量游離態[23]，隨著煤礦開采，原位平衡狀態被打破，吸附氣逐漸解吸，變為游離氣，并不斷逸散，雖然逸散量對廢棄煤礦瓦斯資源量具有不可忽視的作用，但由于影響廢棄煤礦瓦斯逸散的因素眾多，開發前需深入勘查。本模型主要應用于廢棄煤礦瓦斯資源潛力評價，重點評價其是否具有潛在開發價值，是否有必要進行勘查投入，因此，影響瓦斯逸散的因素暫不做重點考慮。

如圖2 所示，廢棄煤礦瓦斯主要由煤體中吸附態瓦斯、采空區及裂隙帶和彎曲下沉帶游離態瓦斯構成，水溶氣相對較少[20]。采空區游離態瓦斯主要由吸附氣解吸而來，在不考慮氣體逸散時，游離氣的多少取決于廢棄時間(相當于解吸時間)的長短以及開采煤層保有煤炭資源和遺留煤炭資源(相當于解吸的來源)的多少；廢棄時間越長，原始以吸附態存在的瓦斯可能更多的解吸出來，變為游離氣；由于遺留煤炭資源在開采過程中，大部分瓦斯均已涌出，以風排或抽采的形式被排出[18]，其剩余的可解吸量非常有限，游離態瓦斯可能主要來源于保有煤炭資源。同時，我國前期煤炭開采過程中，遺煤量相對較高[20]，保有量和遺煤量的比值可反映保有量及保有量與遺煤量的相對情況。

圖2 廢棄煤礦瓦斯賦存Fig.2 Gas occurrence in abandoned coal mines

鑒于此，以廢棄時間和保有煤炭資源與遺留煤炭資源的百分比分別為X和Y軸區分遺煤瓦斯資源賦存形式及其保存情況(圖3)。其中，X軸反映氣體逸散的概率，Y軸反映氣體的主要賦存形式。

圖3 廢棄煤礦瓦斯資源評價模式Fig.3 Evaluation model of gas resources in abandoned coal mines

根據保有量與遺煤量的比值及煤礦廢棄時間將整個區域劃分為16 個小區域；16 個區域的數字代碼中，十位數字代表保有量和遺煤量比值，以50%遞增劃分為4 個區間，需要說明的是，縱軸僅是一種半定量表示方法，并非絕對值，50%以下代表保有量相對非常少，50%～100%代表保有量相對較少，100%～150%代表保有量相對較多，大于150%代表保有量非常多；個位數字代表廢棄時間，結合廢棄煤礦類型，以5 年為一個區間，以非穩定型和穩定型劃分為4 個區間，其中非穩定型包含3 個區間，穩定型包含1 個區間。

首先根據Y軸進行評價，對于11、12、13、14、21、22、23 和24 這8 種類型，由于遺煤量相對較高，保有量相對較低，因此，廢棄煤礦中游離和吸附態瓦斯相對較少；對31、32、33、34、41、42、43 和44 這8 種類型，由于保有量相對較高，除了向采空區涌出的部分瓦斯外，大部分還是以吸附態賦存于煤層中，因此這部分廢棄煤礦中吸附態瓦斯相對較高，同時，由于保有量中原始吸附態瓦斯在煤礦廢棄后涌入采空區，因此，相對上面8 種類型，其游離量相對也較高。

除瓦斯賦存類型外，決定后期開發價值的是有多少瓦斯資源能保留下來。據此，需根據X軸進行評價。由于我國前期開采煤礦大部分位于淺部，隨廢棄時間增加，瓦斯會不斷逸散，時間越長，逸散量越大，涌出量越少，后期可抽采量及抽采難度均會加大。由于廢棄15 年后，瓦斯絕對涌出量基本為零，此時相當于只有逸散而無涌出；同時，根據研究，煤礦廢棄后，瓦斯涌出量隨時間增加，基本呈指數降低趨勢[5,21]，因此，在非穩定型后期，瓦斯涌出量已非常低，此時以瓦斯逸散為主。據此分析，13、14、23、24、33、34、43 和44 這8種類型，遺留游離態瓦斯資源基本均已逸散，其中，33、34、43 和44 這4 種類型保有煤炭儲量相對較多，吸附態瓦斯含量較高，但由于可解吸的基本已解吸逸散，剩余吸附瓦斯資源原位開采難度較大，在保存條件較好的區域，采空區游離瓦斯量可能較高。11、21、31 和41 這4 種類型，由于煤礦廢棄時間短，開采深度相對較深，吸附態瓦斯向采空區的涌出速度相對較高，廢棄煤礦中保有較多的游離態瓦斯，吸附態瓦斯主要賦存在保有煤炭資源中。根據英國廢棄煤礦瓦斯開發經驗，廢棄煤礦瓦斯開發在煤礦關閉后越早進行抽采，抽采效果越好[4]，因此，這4 種類型可作為后期勘探開發的重點。對12、22、32 和42 這4 種類型，逸散量和涌出量可能相當，廢棄煤礦中游離態瓦斯基本保持穩定，如果保有煤炭資源量比例較高(32 和42 型)，采空區密閉性又較好，那么遺留瓦斯資源中吸附態和游離態均較高，整體上吸附態占優勢，反之如果采空區密閉性不好，雖仍是以吸附態為主，但游離態瓦斯含量可能較低。

結合以上分析，從瓦斯資源和賦存角度，對非穩定型廢棄煤礦，31、32、41 和42 這4 種類型開發價值相對較大，游離態瓦斯含量相對也較高，抽采相對容易；11、12、21 和22 這4 種類型開發價值相對中等；33、34、43 和44 這4 種類型開發價值相對較差，13、14、23 和24 這4 種類型開發價值相對最差，游離態瓦斯含量最低，可解吸的吸附態瓦斯基本均已解吸逸散，后期抽采也困難。

3 實例分析

3.1 焦作礦區煤礦廢棄概況及類型劃分

焦作礦區位于河南省北部太行山東南麓，含煤面積約997 km2，是河南省的主要產煤基地之一，目前，大部分煤礦均已關閉，廢棄煤礦比例高。據統計，2005 年及之前，關閉各類小煤礦約29 座，這類煤礦埋藏淺，產能低；2006-2020 年，關閉各類煤礦約14 座(圖4)，其中2016-2020 年關閉煤礦8 座，產能最高的為演馬莊礦，達120 萬t/a，其次為方莊礦和朱村礦，產能均在40 萬t/a 以上。

圖4 焦作礦區近15 年來廢棄煤礦情況Fig.4 Abandoned coal mines in Jiaozuo mining area for recent 15 years

根據焦作礦區歷年廢棄煤礦數量，可得該礦區廢棄煤礦類型比例如圖5 所示，從圖中可看出，焦作礦區廢棄煤礦類型以穩定型為主，占比約67%，遠高于其他類型，其次為非穩定型初期，占比約19%，非穩定型中期和非穩定型后期占比分別約12%和2%。雖然穩定型占比高，但其主要是早期關閉的小煤礦，開采深度非常淺，產能非常低，基本均在10 萬t/a 以下，其中的瓦斯資源基本不具備開發價值。

圖5 焦作礦區廢棄煤礦類型比例Fig.5 Proportion of abandoned coal mines in Jiaozuo mining area

3.2 主要廢棄煤礦瓦斯資源量估算

基于提出的估算方法，根據主要煤礦的煤炭開采情況，可對廢棄煤礦瓦斯資源量進行估算，下面以焦作礦區朱村礦為例進行說明。

1) 遺煤資源量及保有資源量

朱村礦2015 年關閉，該礦區共含煤11 層，其中，一5 煤層和二1 煤層發育穩定，全區可采，為礦井主采煤層。一5 煤層平均厚1.17 m，原煤瓦斯含量平均3.94 m3/t，揮發分產率平均為8%；二1 煤厚度在0.86～11.73 m，平均5.28 m，原煤瓦斯含量平均6.09 m3/t，揮發分產率平均為6%。截止煤礦廢棄，二1 煤查明煤炭資源儲量5 503.04 萬t，歷年動用煤炭資源儲量為4 502.46 萬t(累計采出量2 475.00 萬t，累計損失量2 027.46 萬t，礦井回采率約為55%)，保有煤炭資源儲量1 000.58萬t；一5 煤查明煤炭資源儲量1 247.57 萬t，歷年動用煤炭資源儲量為675.84 萬t(累計采出量361.71 萬t，累計損失量314.13 萬t，礦井回采率約為54%)，保有煤炭資源儲量571.73 萬t。礦區兩個主采煤層遺煤量為2 341.60 萬t(表2)。

表2 朱村礦煤炭開采情況Table 2 Coal mining in Zhucun Mine

2) 遺煤中瓦斯資源量估算

由于朱村礦煤層原始瓦斯含量小于10.00 m3/t，根據式(4)進行計算，得到二1 煤殘存瓦斯含量為3.18 m3/t，一5 煤殘存瓦斯含量為1.67 m3/t。

將相關數據代入式(1)-式(3)，可得朱村礦開采層遺留煤炭中瓦斯資源量約為0.69×108m3，其中，二1、一5煤開采層遺留煤炭中瓦斯資源量分別為0.64×108m3、0.05×108m3；開采層未動用煤炭中瓦斯資源量約為0.84×108m3，其中，二1、一5 煤開采層遺留煤炭中瓦斯資源量分別為0.61×108m3、0.23×108m3；開采層殘存瓦斯資源量約為1.53×108m3。

根據以上估算方法，可分別估算出演馬莊礦、方莊礦、馮營礦、小馬村礦、韓王礦、白莊礦和吳村礦的廢棄瓦斯資源量(表3)。估算焦作礦區近15 年來關閉的煤礦中開采層廢棄瓦斯資源量約為26.06×108m3，其中，保有煤炭資源中瓦斯資源量約為20.75×108m3，動用煤炭遺煤中瓦斯資源量約為5.31×108m3。需說明的是這里面不包含礦區內小煤礦及未開采層的瓦斯資源量。

表3 近15 年來焦作礦區關閉煤礦遺留煤炭瓦斯資源量Table 3 Gas resources of remaining coal of abandoned coal mine in Jiaozuo mining area for recent 15 years

3.3 廢棄煤礦瓦斯資源評價

根據焦作礦區廢棄煤礦分布特征，可知焦作礦區廢棄煤礦包括穩定型和非穩定型兩大類，其中穩定型占有較大比例，而這一部分主要是早期廢棄的小煤礦，其廢棄時間較長，早期開采區域埋深也相對較淺，瓦斯資源大部分均已逸散，因此重點針對非穩定型進行評價。

根據以上模型，近5 年，焦作礦區主要煤礦廢棄較多，基本屬于41 型，即廢棄煤礦中保有煤炭資源量相對較高，廢棄時間相對較短，游離態瓦斯保存可能較好。從瓦斯資源和賦存角度，演馬莊礦、方莊礦、馮營礦和白莊礦開發價值相對較大，特別是演馬莊礦保有煤炭資源量較高，瓦斯含量也較高，具有較大的開發潛力；小馬村礦、朱村礦和韓王礦開發價值相對中等，此種類型以小馬村礦為代表，小馬村礦屬于11 型，從估算的資源量可看出，此種類型保有煤炭資源量遠低于動用煤炭遺煤資源量，其中瓦斯資源量主要以遺留煤炭中瓦斯資源為主，若采空區密閉性較好，則其能夠形成游離型煤層氣藏，反之，其開發價值將大打折扣；吳村礦開發價值相對較差，雖然其遺留煤炭中瓦斯資源量相對較高，但其可解吸量有限，且已解吸部分逸散的概率比較大。

此外，根據焦作礦區主要礦井的水文地質概況可知，焦作礦區主要礦井均受煤層頂底板含水層的影響，煤礦關閉后，可能由于地應力重新分布，在平衡過程中，巖層或斷層將采空區和含水層溝通，采空區存在被淹的可能性。這種情況將導致兩種情況，一種是采空區和地面具有溝通通道，使游離氣沿通道逸散(圖6a)；另一種是采空區和地面沒有通道溝通，則采空區瓦斯在地下水的作用下可能重新運移聚集于采空區或煤層頂板某一空間，形成氣藏(圖6b)，具體情況尚需要進一步進行勘查。

圖6 礦井水作用下瓦斯運移Fig.6 Sketch map of gas migration under the action of mine water

4 結 論

a.基于目前我國廢棄煤礦實際情況，提出了廢棄煤礦瓦斯資源量計算模型，該模型具有所需參數少和實用強的優點；基于廢棄煤礦廢棄時間，將廢棄煤礦劃分為穩定型和非穩定型兩類，其中非穩定型又進一步劃分為非穩定型初期、中期和后期3 個階段；通過分析廢棄煤礦瓦斯資源賦存特點和廢棄煤礦類型，構建了廢棄煤礦瓦斯資源評價模型，將其劃分為16 個類型，并對其特點和開發價值進行了評價，從瓦斯資源和賦存角度，將其開發價值分為相對較好、相對中等、相對較差和相對最差四類。

b.根據構建的瓦斯資源估算和評價模型，以焦作礦區為例，估算焦作礦區近15 年來主要廢棄煤礦開采層廢棄瓦斯資源量約26.06×108m3，其中，保有煤炭資源中瓦斯資源量約20.75×108m3，動用煤炭遺煤中瓦斯資源量約5.31×108m3；礦區中大部分廢棄煤礦屬于41 型，開發價值相對較好，但由于焦作礦區煤層受含水層影響較大，后期需進一步勘查。