中国的煤矿开采活动从20世纪初开始蓬勃发展，长久的煤矿生产形成了数以万计的采动稳定区[1]，又称老采空区或废弃矿井。由于回采技术的制约，约有50%的煤炭残留于井下(包括可采煤层和不可采煤层)，残留着大量煤层气(煤矿瓦斯)资源[2-3]。煤层气既是优质清洁能源又是温室气体，其燃烧热值约为36 000 kJ/m3，所产生的污染仅为石油的 1/40、煤炭的1/800;其温室气体效应是同体积CO2的25倍。开发利用采动稳定区煤层气资源，能够缓解我国的能源短缺问题，同时有效遏制煤层气自然逸散造成的大气污染。

采动稳定区(以下简称稳定区)煤层气抽采是于20世纪90年代后期发展起来的一种煤层气开发方式，该技术主要利用负压将残留在地下空间、岩层和煤层裂隙空间中的煤层气从地下抽取至地面。近年来，此技术在美国、比利时、德国、法国、英国等多个国家取得了重大进展[4-5]。直接利用原有废弃矿井的巷道进行煤层气开发的优点是成本低廉，但是对废弃矿井巷道的封闭质量要求高，而排查和封堵漏风区域工程浩大，且质量难以保证[6]。中国煤层赋存复杂，特别是浅部煤层开采较早，矿井封闭质量难以保证[4]，因此在地面重新钻井抽采稳定区煤层气成为一种最优选择。

地面井抽采采动稳定区煤层气首先要寻找具有丰富煤层气资源的储气区域，因此，需要估算目标区域的煤层气资源量用以指导采前选区和经济分析。目前，国内外对稳定区内煤层气资源的评估未形成系统的方法和评估技术，这成为制约国内稳定区丰富煤层气资源开发的瓶颈问题。因此，本文通过建立稳定区煤层气资源量和可采资源量评估方法，进行地面井抽采试验等，对这一技术核心进行研究和探讨。

1 稳定区煤层气来源及影响因素

1.1 稳定区煤层气来源

由于稳定区的卸压区域远远超出了开采煤层空间范围，其煤层气来源不仅是开采煤层。稳定区煤层气的来源主要包括5部分:采空区遗煤残留的煤层气、煤柱及外延煤层内残留的煤层气、采空区“三带”波及的邻近卸压煤层内赋存的煤层气、采空区“三带”波及的卸压围岩内赋存的煤层气以及采空区残留的游离态煤层气，如图1所示。

1.2 稳定区煤层气储量主要影响因素

评估稳定区煤层气资源量主要涉及如下5个主要因素:稳定区空隙体积、遗留煤炭总量及围岩中煤炭量、遗煤及其邻近煤层的残余气含量、空隙内游离煤层气浓度及资源量采出率。当采用的评估方法不同时，涉及的具体因素略有差异。

(1)稳定区空隙体积。指煤层开采前煤岩体内原生孔隙体积和开采后形成的采动裂隙等次生空隙体积之和，其是游离态煤层气的主要赋存空间，由回采煤层厚度、采场覆岩条件等因素决定[7]。

(2)稳定区内遗留煤炭总量及围岩中煤炭量。指采空区内遗留煤炭、残留煤柱及卸压顶底板岩层中的未采煤线等，其是吸附态煤层气资源的主要赋存体，由煤柱尺寸、工作面采出率等因素决定。

(3)稳定区内遗煤及其邻近煤层的残余煤层气含量。指采空区内遗留煤炭、残留煤柱及卸压顶底板岩层中的未采煤线在采后的残余煤层气含量，由煤炭吸附解吸性能、稳定区赋存环境及煤炭生产过程中的抽采量等因素决定。

(4)空隙内游离煤层气浓度。指稳定区空隙内游离态煤层气的体积与稳定区围岩裂隙场的空隙总体积的比值，即体积分数，由煤层原始气含量、煤层暴露面积及暴露时间等因素决定。

(5)煤层气资源量采出率。包括吸附气量采出率和游离气量采出率两个方面，指既有抽采技术条件下的资源采收比例，由抽采系统能力、稳定区裂隙场赋存条件、残煤吸附解吸特性等因素决定。

2 稳定区煤层气资源的“间接减法”评估方法

采动稳定区内进行煤层气资源开发的目标矿区可以是一个工作面，也可以是一个采区、几个采区或者一个废弃矿井。根据目标矿区评估基础条件的不同，可以采用分源预测叠加的“直接加法”进行评估[8-9]，也可以采用总量扣减逸散的间接减法进行评估。直接加法评估方法的总体思想是在明确稳定区煤层气来源的基础上，直接估算各主要来源气量，最后相加得到稳定区煤层气总量评估结果，该方法适用于资料严重缺失的目标矿区，但评估结果准确性较差;间接减法评估方法的总体思想是在原始煤层气资源量评估结果的基础上，扣除掉煤矿井下生产前后损失的各项煤层气量，最终得到稳定区煤层气量评估结果，该方法适用于可获得一定的井下实际生产资料的目标矿区，评估结果准确性较高。

2.1 地质保有煤层气资源量计算模型

2.1.1 原始气量计算模型

原始煤层气源主要包括三大部分，分别是目标区开采煤层原有煤层气、目标区邻近卸压煤层原有煤层气以及目标区煤层围岩内赋存煤层气。

目标区开采煤层原始气量取决于目标区开采煤炭资源量及煤炭原始煤层气含量两大参数，利用下式计算:

Q(c)0=M(c)0q(c)0=L(c)0W(c)0H(c)0γ(c)q(c)0

(1)

式中，Q(c)0为目标区开采煤炭原有气量，m3;M(c)0为目标区开采煤炭资源总量，t;q(c)0为开采煤层原始煤层气含量，m3/t;L(c)0为目标区走向长度，m;W(c)0为目标区倾斜长度，m;H(c)0为开采煤层真厚度，m;γ(c)为开采煤层密度，t/m3。

当开采煤层卸压范围内存在其他煤层时，目标区煤层气来源还需要考虑卸压煤层含气量。目标区卸压煤层气量取决于采区卸压煤炭资源量以及卸压煤层原有含气量两大参数，利用下式计算:

(2)

式中，Q(j)0为目标区卸压邻近煤层原始气量，m3;Q(j)i0为目标区第i卸压邻近煤层原始气量，m3;V(j)i为目标区第i卸压邻近煤层体积，m3;γ(j)i为目标区第i卸压邻近煤层密度，t/m3;q(j)i0为目标区第i卸压邻近煤层原始煤层气含量，m3/t。

根据煤岩层赋存关系及卸压参数，目标区卸压邻近煤层体积可由下式求得:

V(j)i=liwimi=(L+2hicot β)×

{W+hi[cot(βu-α0)+cot(βd+α0)]}mi

(3)

式中，li为目标区第i层岩层的走向长度，m;wi为目标区第i层岩层的倾向宽度，m;mi为目标区第i层岩层的厚度，m;hi为目标区第i层岩层的中心线到开采煤层的垂直距离，m;L为目标区工作面实际推进走向长度，m;W为目标区工作面实际推进倾斜宽度，m;β，βu,βd为目标区走向方向、倾斜上山方向及倾斜下山方向的导气裂缝角，(°);α0为目标区开采煤层倾角，(°)。

煤层围岩具有孔隙，里面存有大量游离气，进行气量计算时这部分资源无法忽略，采用下式计算:

(4)

式中，Qr(c)0为开采煤层围岩内原有气量，m3;Qr(c)k0为开采煤层第k层顶底板岩层内原有气量，m3;Vr(c)k为第k层顶底板岩层卸压体积，m3;φk为第k层顶底板岩层有效孔隙度，%;Sk为第k层顶底板岩层原始含气饱和度，%。

或

Qr(c)0=ζQ(c)0

(5)

式中，ζ为计算系数，一般取0.05～0.2。

则目标区原始煤层气量计算公式为

Q0=Q(c)0+Q(j)0+Qr(c)0

(6)

2.1.2 损失气量计算模型

2.1.2.1 损失项分析

目标区煤层气涌出损失主要包括六大部分，分别是采出的煤炭原始含气量、目标区封闭前的巷道煤柱壁涌出气量、目标区封闭前工作面遗煤涌出气量、目标区卸压煤层涌出气量、井下工程采出气量以及目标区封闭后的涌出气量。

2.1.2.2 损失量分源预测估算

(1)采出地表的煤炭原始含气量

该气量取决于目标区采出煤量及煤炭原始煤层气含量两大参数，计算公式如下:

(7)

式中，M为目标区的煤炭采出量(包括目标区巷道的采掘煤量)，t;κ为目标区的煤炭采出率，%。

(2)目标区封闭前的煤柱(煤壁)涌出气量

为获得煤柱煤层气涌出预测模型，做如下基本假设:煤层中的原始煤层气压力分布均匀;暴露煤壁的煤层气压力瞬间降到巷道内气压;煤层气在煤层中的流动为等温层流渗流，服从线性达西定律;煤巷在单一煤层中掘进，不受顶底板及邻近层煤层气涌出影响;煤层渗透率和孔隙率处处相等，且不受煤层气压力变化的影响;煤层气为理想气体，服从理想气体状态方程;煤壁煤层气渗流为沿垂直于煤壁方向流动的一维平行流动。

在假设条件下，描述煤层气单向一维平行流动的渗流控制方程[10]如下:

(8)

式中，P为煤层中x位置处的煤层气压力平方; a为压力传导系数，为煤层透气性系数，m2/(MPa·d);a0为煤层气含量系数，m3/(m3·MPa0.5);p1为煤层原始气压力，MPa。

基于前述假设条件，巷道煤壁未揭露之前，原始煤层气压力分布均匀，初始条件可表述为

(9)

式中，t为煤壁暴露时间，d;x为至煤壁表面垂直距离，m;Wm为煤柱的宽度，m。

同时，暴露煤壁的煤层气压力瞬间降到巷道内气压，可得到边界条件表达式:

(10)

式中，p2为巷道内大气压力，MPa。

① 窄煤柱煤层气涌出气量。窄煤柱存在两个自由面排放煤层气，取中轴线一侧进行分析。由于煤柱宽度有限，只存在有限的煤层气供给，则在暴露足够长的时间以后，其内部煤层气压力梯度逐渐降低并最终为零，边界条件公式表达如下:

(t→)

(11)

将初始条件(9)、边界条件(10)和(11)与渗流控制方程结合可得窄煤柱煤壁煤层气渗流的定解问题:

(12)

推导可得单侧煤壁煤层气涌出速度[7]表达式为

(13)

可以看出，巷道煤壁煤层气涌出速度与透气性系数λ、煤柱宽度Wm、煤层原始压力p1、巷道内大气压力p2、煤层气压力传导系数a以及暴露时间t密切相关。

式(13)中为时间准数，研究表明[11]，当F0>1.5后，煤层中煤层气流动过程就基本结束，则得到窄煤柱煤层气涌出结束的基本判定准则:

(14)

令为极限排放时间，得到不同条件下窄煤柱的煤层气涌出气量计算公式。

T≥T1时:

=LmWmHmγ(c)(q(c)0-q(c)c)

(15)

式中，T为巷道从开始掘进到采区封闭所经历的时间，d;Lm为巷道长度，m;Hm为煤柱高度，m;q(c)c为煤炭残存煤层气含量，m3/t。

T<T1时，假设巷道以匀速v掘进，令

(16)

式中，为窄煤柱单位面积煤壁的煤层气涌出初速度，m3/(m2·d);β2为窄煤柱煤壁煤层气涌出衰减系数，d-1;l为巷道已掘进长度，m。

② 单侧暴露煤壁或宽煤柱涌出气量。当煤柱宽度超过极限排放宽度，则排放极限宽度以外煤体内的煤层气压力始终不变，边界条件可用公式表达如下:

(17)

式中，Wlm为煤壁煤层气极限排放宽度，m。

将初始条件(9)、边界条件(10)、边界条件(17)与渗流控制方程结合可得单面暴露煤壁或宽煤柱煤壁煤层气渗流的定解问题:

(18)

推导可得宽煤柱或单侧煤壁在暴露时间t后的煤层气涌出速度公式:

(19)

令则

(20)

式中，为宽煤柱单位面积煤壁的煤层气涌出初速度，m3/(m2·d);β1为宽煤柱煤壁煤层气涌出衰减系数，d-1。

同窄煤柱煤层气涌出量推算过程，得目标区封闭前煤柱涌出气量:

(21)

(3)目标区封闭前工作面遗煤涌出气量

工作面落煤煤层气解吸强度与暴露时间近似为双曲线关系[12]:

vt=v0(1+t)-β′

(22)

式中，v0为落煤在t=0时的煤层气解吸强度，m3/(t·min);β′为落煤解吸强度衰减系数，min-1。

则工作面遗煤涌出气量计算公式如下:

(23)

式中，Mf为工作面开采煤炭资源总量，为工作面采出率，%;l1为煤壁到支架的距离，m;l2为目标区沿工作面推进方向上的煤层气浓度非稳定区域宽度，m;vf为工作面推进速度，m/min。

(4)目标区卸压邻近煤层涌出气量

目标区卸压邻近煤层涌出气量利用下式计算:

(24)

式中，q(j)ic为第i卸压邻近煤层的残存气含量，m3/t;η(j)i为第i卸压邻近煤层气排放率，%; H(j)i为第i卸压邻近煤层的厚度，m。

(5)井下抽采工程采出煤层气量

井下抽采工程采出气量利用下式计算:

ut=Mt(q(c)0-q′)

(25)

式中，Mt为抽采工程控制的煤炭量，t;q′为煤层采时实测气含量或始突深度的气含量，m3/t。

(6)目标区封闭后的涌出气量

目标区封闭后的涌出气量包括两部分，一部分是井下涌出气量，另一部分是地表涌出气量。

① 井下涌出气量。目标区封闭后井下涌出气量利用下式计算:

Q=K″[kM(c)0(q(c)0-q(c)c)++f+(j)]

(26)

式中，K″为目标区封闭后煤层气井下涌出系数，如无实测值参照表1选取。

表1 已封闭目标区K″值取值原则
Table 1 Selection principle of K″ to closed area

② 地表涌出气量[13-14]。稳定区煤层气的散失途径主要有2种:游离气通过盖层的散失和溶于水中的气直接被水带走。假设待评估稳定区能有效阻止地下水的大面积浸入，则T′时间内逸散气量计算公式:

(27)

式中，Kt为覆岩盖层岩石的渗透率，m2;ΔP为覆岩盖层顶底部压力差，Pa;f为煤层气驱动力，Pa;μg为煤层气流动黏度，Pa/s;T′为稳定区形成时间，可自目标区封闭时开始计算，d;St为稳定区有效卸压盖层面积，m2;Lr为覆岩盖层厚度，m;Kb为稳定区底板岩层渗透率，m2;Jb为底板岩层水力梯度，Pa/m;Sb为底板岩层面积，m2;μw为地下水流动黏度，Pa/s。

2.1.2.3 地质保有煤层气资源量估算模型

将原始气量计算公式与损失气量计算公式联立，即可得到不同情况下的稳定区地质保有煤层气资源量估算模型。

2.2 可采煤层气资源量计算模型

采出率法是进行稳定区可采气量评估的有效方法，稳定区储层既包括采场内部遗煤及其邻近卸压煤层，又包括采场围岩内的采动裂隙场，因此评估可采气量时，不能仅考虑吸附气量采出率，还需要考虑游离气量采出率。

利用等温吸附曲线法确定吸附气量采出率:① 获得开采煤层及其卸压煤层的等温吸附曲线;② 求取气藏开发的废弃压力;③ 利用等温吸附曲线读取各煤层在废弃压力下的煤层气含量;④ 求得各煤层当前的残余煤层气含量，当前含气量与最终残存含气量的差值，即为采出气量;⑤ 采出气量与当前含气量的比值，即各煤层吸附气量采出率，可以利用下式计算:

Rfa=(Ci-Ca)/Ci

(28)

式中，Rfa为煤层吸附气量采出率，%;Ci为稳定区煤层或遗煤的当前气含量，m3/t;Ca为极限或废弃压力下的气含量，m3/t。

将煤层气视为理想气体，游离气量采出率可以利用下式计算:

Rfg=(Qg-Δ)/Qg=(Ps0-Pw)/Ps0

(29)

式中，Rfg为稳定区游离煤层气量采出率，%;Qg为游离态煤层气总量，m3;Δ为废弃游离态煤层气量，m3;Pw为气藏废弃压力，Pa;Ps0为气藏初始储层压力，Pa。

在已知地面抽采系统最大抽采负压情况下，稳定区内气藏废弃压力可以利用下式计算:

Pw=P0-Pmax+(d+j)

(30)

式中，P0为当地外界大气压，Pa;Pmax为地面抽采泵的最大抽采负压，为地面井抽采系统压损，Pa;d为抽采系统地面压损，Pa;j为抽采系统井内压损，Pa。

以目标区原有资源量为基础估算可采资源量，对煤体内气量使用吸附气量采出率Rfa，对卸压围岩内气量使用游离气量采出率Rfg，将损失气量从可采资源量中直接扣减，即得到稳定区煤层气可采资源量，计算公式如下:

(31)

3 稳定区煤层气地面井抽采试验

选定晋城矿区成庄矿 5310 工作面为目标区，施工了 1 口地面抽采试验井，进行抽采试验。

3.1 矿井概况

5310工作面井下位于成庄矿五盘区中部，地面标高919.1～1 030.8 m，工作面标高468～558 m;开采3号煤层，煤层厚度平均5.75 m，邻近层信息见表2。

表2 3号煤层邻近层信息
Table 2 Information of No.3 coal seam adjacent layers

工作面开采长度2 559.66 m、倾向长度 245.54 m，涉及煤炭地质储量524.01万t、采出率约84.15%，开采工艺为一次采全高。工作面共布置5条巷道，设有3条煤柱，宽度分别为34,34,14 m，各巷道断面参数见表3。

表3 5310工作面各巷道断面参数
Table 3 Parameters of 5310 working face roadways

3.2 煤层气资源量评估

(1)采区原始气量

由于采用地面井预抽技术对煤层进行长达近10 a的规模化抽采，工作面煤层气含量大幅度降低。巷道掘进过程中实测0(开切眼)～1 099 m区域煤体气含量7.7 m3/t，1 099～2 559.66 m煤体气含量6.24 m3/t。采场围岩属中硬岩层，有效卸压围岩范围为顶板52.8 m、底板31.87 m。实测顶板岩层卸压角度71°，底板岩层卸压角度90°。围岩气量在煤体采前原始气量的基础上取0.05系数。

将参数代入式(1)～(5)算得采区原始气量Q0=5 451.47万m3。

(2)采区损失气量

工作面为新形成的稳定区，密闭质量良好，忽略采区封闭后涌出气量。开采煤层原始瓦斯压力0.18 MPa，透气性系数0.441～5.973 m2/(MPa2·d)，挥发分平均8%。实测采出地表煤体残余瓦斯含量3.02 m3/t，工作面煤体采时煤层气含量6.24 m3/t，煤柱极限排放宽度约13.84 m，巷道日掘进速度3.2 m，工作面日推进4.5 m，巷道内气压取0.1 MPa。

将参数代入式(15)，(23)～(25)算得采区损失气量，万m3。

(3)煤层气地质资源量

利用采区原始气量扣除损失气量即得到地质资源量，Q=1 601.5万m3。

(4)煤层气可采资源量

已知3号煤体残存瓦斯含量2.38 m3/t，地面抽采泵站最大负压取90 kPa，抽采管道系统压损22 kPa，则气藏的废弃压力为0.04 MPa。稳定区内初始气压视为0.1 MPa，利用相关公式及吸附等温曲线可算得煤层吸附气量采出率Rfa=78%、游离气量采出率Rfg=62%。由此算得工作面稳定区煤层气最大可采量G=1 213.71万m3。

3.3 地面井抽采试验

根据采空区煤层气储集分布规律，将地面井布置在5310工作面采空区内侧距离53105巷45 m，距离工作面开切眼737 m左右。

地面试验井抽采系统于2013-03-05正式建成，3月20日开始正常试验抽采(工作面已经推过井底523 m)。连续运行433 d后由于产气浓度及纯量过低关井停采，累计抽采煤层气量243.27万m3。试验井部分抽采数据见表4,日产气量变化曲线如图2所示，根据数据拟合的试验井长期抽采日产气量变化规律如图3所示。

表4 地面井部分抽采数据
Table 4 Partial well production data of surface well

分析表4,图2～3发现，CZCD-01地面井在运行的前10个月日均产气量达1万m3，全运行周期的日均产气量达5 000 m3以上，显示出了较高的产气能力。利用日抽采量拟合式算得试验井单井总产气量约245万m3，地面井抽采影响半径200～250 m;试验工作面开采长度2 559.66 m，若在整个工作面布置5～6口地面井进行全范围覆盖抽采，预计抽采总气量将达1 200～1 400万m3，与评估的可采资源量相近，验证了资源量计算方法的准确性。

4 结 论

(1)评估稳定区煤层气资源总量及可抽采资源量涉及稳定区空隙体积、稳定区内遗留煤炭总量及围岩中煤炭资源量、稳定区内遗煤及其邻近煤层的残余煤层气含量、稳定区内煤层气浓度及煤层气资源量采出率等主要因素。

(2)基于“间接减法”的评估理念，在原始煤层气资源量评估结果的基础上，扣除掉煤矿井下生产前后损失的各项煤层气量，可以最终得到稳定区煤层气量评估结果，该方法适用于可获得一定的井下实际生产资料的目标矿区，评估结果准确性较高。

(3)晋城矿区典型稳定区煤层气资源量评估与地面井抽采试验效果良好，证明了评估方法的适用性和地面井抽采技术的可行性。

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