废弃煤矿瓦斯资源估算与评价方法构建及应用

刘小磊，闫江伟，刘 操，贾天让，冯阵东，魏建平，魏国营

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454000；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理省部共建国家重点实验室培育基地,河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南 焦作 454000)

随着国家供给侧结构性改革和煤炭去产能相关政策的实施，大量煤矿被关闭[1-2]，其中不乏高瓦斯突出矿井[3]。据统计，废弃煤矿中约有5 000 亿m3瓦斯[4]，这部分瓦斯正在不断逸散。目前，部分国家对废弃煤矿瓦斯进行了研究[5-8]，还没有建立完善的评价体系和勘探开发技术，特别是初期对废弃煤矿瓦斯资源的评价，这是决定后期是否具有开发价值的重要参考依据。由于前期没有针对废弃煤矿采取相应的监测措施，废弃煤矿瓦斯资源估算中面临影响因素多且不确定性大等诸多困难[9]。国内外学者对废弃煤矿瓦斯资源类型划分、评价方法及其相关理论进行了多年的探索和研究[4,10-15]，并进行了现场试验[16]，但对废弃煤矿瓦斯的定义尚没有统一的标准[17-19]；同时，根据废弃煤矿瓦斯主要来源和赋存状态等，提出了物质平衡法和资源构成法等计算方法[13,17,19-21]。物质平衡法主要是根据瓦斯来源及其排放途径之间的关系进行计算；资源构成法主要是把瓦斯资源划分为吸附态和游离态，分别进行计算[17]。此外，韩保山等[21]基于瓦斯涌出规律提出了基于下降曲线估算废弃煤矿瓦斯资源的方法；孟召平等[20]基于覆岩变形破坏特征及积水情况等建立了采空区瓦斯资源量计算模型；文光才等[13]根据“间接减法”理念构建了相应的瓦斯资源量计算模型。以上方法需获取瓦斯排放总量、后期逸散量、采空区瓦斯浓度及压力等多种参数，而目前我国废弃煤矿多数缺少采空区的实测参数，估算难度较大，难以大范围进行应用。基于前人研究及我国废弃煤矿瓦斯资源评价面临的现实问题，本文提出了“资源估算+初步评价”的思路，即先行估算出废弃煤矿可能赋存有多少瓦斯，然后再结合影响这部分瓦斯资源的地质条件进行初步评价，找出具有潜在开发价值的区域，为后期进行深入的勘查提供理论依据。基于此，建立废弃煤矿瓦斯资源估算方法，并构建相应的评价模型，对其潜在开发价值进行初步分级，最后，以焦作矿区为例进行相应分析，以期为合理评估我国废弃煤矿瓦斯资源提供参考。

1 废弃煤矿瓦斯资源量估算方法确定

采动影响范围之外煤岩层中的瓦斯对废弃煤矿瓦斯抽采贡献不大，且河南省原位煤层气开采难度大；同时，文献[22]表明，相比废弃煤矿瓦斯资源总量，采动扰动区瓦斯资源量比例不足1%。鉴于此，本文只进行废弃煤矿开采层瓦斯资源量的估算。

1.1 估算思路

本文重点预测有多少资源，然后再结合地质条件进行资源潜力评价，资源量估算方法思路如图1所示。

图1 废弃煤矿瓦斯资源量估算思路Fig.1 Estimation of gas resources in abandoned coal mines

具体估算步骤如下：

①将废弃煤矿瓦斯资源分为煤炭动用区遗煤瓦斯资源量和煤炭未动用区瓦斯资源量两部分；

② 获取煤矿的原始煤炭储量，截至关井已动用的煤炭储量和尚未动用的煤炭储量；

③针对尚未动用的煤炭储量，根据瓦斯资源量计算方法中的体积法，利用煤炭储量与煤层原始瓦斯含量的乘积估算尚未动用瓦斯资源量；

④ 针对已动用煤炭储量，首先根据煤矿、采区或工作面回采率计算得出动用储量中遗留在井下的储量；

⑤ 动用煤炭储量中遗留煤炭瓦斯资源量利用遗留煤炭资源与煤层残存瓦斯含量的乘积进行估算；

⑥ 结合煤矿具体地质条件对废弃煤矿瓦斯资源进行评价。

此方法所需参数相对较少，同时，所需资料均为煤矿生产阶段必备资料，因此，资料相对较全；同时本方法计算思路简单，各煤矿均可依据本方法进行计算，效率相对较高。需要说明的是本模型不考虑煤矿开采过程中邻近层向开采层的涌出，因此，其适用于无邻近层开采或开采层与邻近层间距较大，对邻近层瓦斯涌出影响相对较小的矿井。

1.2 估算方法

根据以上思路，废弃煤矿瓦斯资源量估算公式如下：

式中：Qc为煤矿开采层残存瓦斯资源量；Qy为煤矿开采层遗留煤炭中瓦斯资源量；Qb为煤矿开采层未动用煤炭中瓦斯资源量；Q1为 遗煤资源量；Q2为开采层未动用煤炭储量；W0为 原始瓦斯含量；Wc为残存瓦斯含量。

对残余瓦斯含量，有实测值时，采用实测值，当缺少实测值时，考虑到煤炭开采后，对开采煤层，前期已进行了长期抽采和解吸，开采时瓦斯含量已经较低，废弃前遗煤经过了较长时间的解吸，根据Langmuir 定律，后期解吸速度逐渐变慢，此时，运出矿井前后误差相对较小，可根据AQ 1 018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》进行预测。该方法提供了2 种预测方法，当高变质煤瓦斯含量大于10.00 m3/t 和低变质煤的残余瓦斯含量值可按表1 选取。瓦斯含量小于10.00 m3/t 的高变质煤的残余瓦斯含量值可按下式选取。

表1 纯煤的残存瓦斯含量取值Table 1 Value of residual gas content in pure coal

2 废弃煤矿类型划分及瓦斯资源评价方法

2.1 废弃煤矿类型划分

煤矿开采实际是对地下储层平衡环境的破坏，开采之后，地下环境会再次趋于平衡，这里面不但包括岩层的移动，也包括岩层气体的再次运移平衡。前人研究认为煤炭开采后，周围瓦斯涌向采空区的时间可长达15 年，之后绝对涌出量基本为零[5]。据此，根据气体运移平衡时间将废弃煤矿划分为稳定型和非稳定型。稳定型定义为废弃时间在15 年以上的煤矿，非稳定型定义为废弃时间在0～15 年的煤矿；由于非稳定型跨度较大，进一步划分为非稳定型初期(0～5 年)、中期(6～10 年)和后期(11～15 年)。

2.2 废弃煤矿瓦斯资源赋存评价模型

煤层瓦斯原始状态主要以吸附态存在，存在少量游离态[23]，随着煤矿开采，原位平衡状态被打破，吸附气逐渐解吸，变为游离气，并不断逸散，虽然逸散量对废弃煤矿瓦斯资源量具有不可忽视的作用，但由于影响废弃煤矿瓦斯逸散的因素众多，开发前需深入勘查。本模型主要应用于废弃煤矿瓦斯资源潜力评价，重点评价其是否具有潜在开发价值，是否有必要进行勘查投入，因此，影响瓦斯逸散的因素暂不做重点考虑。

如图2 所示，废弃煤矿瓦斯主要由煤体中吸附态瓦斯、采空区及裂隙带和弯曲下沉带游离态瓦斯构成，水溶气相对较少[20]。采空区游离态瓦斯主要由吸附气解吸而来，在不考虑气体逸散时，游离气的多少取决于废弃时间(相当于解吸时间)的长短以及开采煤层保有煤炭资源和遗留煤炭资源(相当于解吸的来源)的多少；废弃时间越长，原始以吸附态存在的瓦斯可能更多的解吸出来，变为游离气；由于遗留煤炭资源在开采过程中，大部分瓦斯均已涌出，以风排或抽采的形式被排出[18]，其剩余的可解吸量非常有限，游离态瓦斯可能主要来源于保有煤炭资源。同时，我国前期煤炭开采过程中，遗煤量相对较高[20]，保有量和遗煤量的比值可反映保有量及保有量与遗煤量的相对情况。

图2 废弃煤矿瓦斯赋存Fig.2 Gas occurrence in abandoned coal mines

鉴于此，以废弃时间和保有煤炭资源与遗留煤炭资源的百分比分别为X和Y轴区分遗煤瓦斯资源赋存形式及其保存情况(图3)。其中，X轴反映气体逸散的概率，Y轴反映气体的主要赋存形式。

图3 废弃煤矿瓦斯资源评价模式Fig.3 Evaluation model of gas resources in abandoned coal mines

根据保有量与遗煤量的比值及煤矿废弃时间将整个区域划分为16 个小区域；16 个区域的数字代码中，十位数字代表保有量和遗煤量比值，以50%递增划分为4 个区间，需要说明的是，纵轴仅是一种半定量表示方法，并非绝对值，50%以下代表保有量相对非常少，50%～100%代表保有量相对较少，100%～150%代表保有量相对较多，大于150%代表保有量非常多；个位数字代表废弃时间，结合废弃煤矿类型，以5 年为一个区间，以非稳定型和稳定型划分为4 个区间，其中非稳定型包含3 个区间，稳定型包含1 个区间。

首先根据Y轴进行评价，对于11、12、13、14、21、22、23 和24 这8 种类型，由于遗煤量相对较高，保有量相对较低，因此，废弃煤矿中游离和吸附态瓦斯相对较少；对31、32、33、34、41、42、43 和44 这8 种类型，由于保有量相对较高，除了向采空区涌出的部分瓦斯外，大部分还是以吸附态赋存于煤层中，因此这部分废弃煤矿中吸附态瓦斯相对较高，同时，由于保有量中原始吸附态瓦斯在煤矿废弃后涌入采空区，因此，相对上面8 种类型，其游离量相对也较高。

除瓦斯赋存类型外，决定后期开发价值的是有多少瓦斯资源能保留下来。据此，需根据X轴进行评价。由于我国前期开采煤矿大部分位于浅部，随废弃时间增加，瓦斯会不断逸散，时间越长，逸散量越大，涌出量越少，后期可抽采量及抽采难度均会加大。由于废弃15 年后，瓦斯绝对涌出量基本为零，此时相当于只有逸散而无涌出；同时，根据研究，煤矿废弃后，瓦斯涌出量随时间增加，基本呈指数降低趋势[5,21]，因此，在非稳定型后期，瓦斯涌出量已非常低，此时以瓦斯逸散为主。据此分析，13、14、23、24、33、34、43 和44 这8种类型，遗留游离态瓦斯资源基本均已逸散，其中，33、34、43 和44 这4 种类型保有煤炭储量相对较多，吸附态瓦斯含量较高，但由于可解吸的基本已解吸逸散，剩余吸附瓦斯资源原位开采难度较大，在保存条件较好的区域，采空区游离瓦斯量可能较高。11、21、31 和41 这4 种类型，由于煤矿废弃时间短，开采深度相对较深，吸附态瓦斯向采空区的涌出速度相对较高，废弃煤矿中保有较多的游离态瓦斯，吸附态瓦斯主要赋存在保有煤炭资源中。根据英国废弃煤矿瓦斯开发经验，废弃煤矿瓦斯开发在煤矿关闭后越早进行抽采，抽采效果越好[4]，因此，这4 种类型可作为后期勘探开发的重点。对12、22、32 和42 这4 种类型，逸散量和涌出量可能相当，废弃煤矿中游离态瓦斯基本保持稳定，如果保有煤炭资源量比例较高(32 和42 型)，采空区密闭性又较好，那么遗留瓦斯资源中吸附态和游离态均较高，整体上吸附态占优势，反之如果采空区密闭性不好，虽仍是以吸附态为主，但游离态瓦斯含量可能较低。

结合以上分析，从瓦斯资源和赋存角度，对非稳定型废弃煤矿，31、32、41 和42 这4 种类型开发价值相对较大，游离态瓦斯含量相对也较高，抽采相对容易；11、12、21 和22 这4 种类型开发价值相对中等；33、34、43 和44 这4 种类型开发价值相对较差，13、14、23 和24 这4 种类型开发价值相对最差，游离态瓦斯含量最低，可解吸的吸附态瓦斯基本均已解吸逸散，后期抽采也困难。

3 实例分析

3.1 焦作矿区煤矿废弃概况及类型划分

焦作矿区位于河南省北部太行山东南麓，含煤面积约997 km2，是河南省的主要产煤基地之一，目前，大部分煤矿均已关闭，废弃煤矿比例高。据统计，2005 年及之前，关闭各类小煤矿约29 座，这类煤矿埋藏浅，产能低；2006-2020 年，关闭各类煤矿约14 座(图4)，其中2016-2020 年关闭煤矿8 座，产能最高的为演马庄矿，达120 万t/a，其次为方庄矿和朱村矿，产能均在40 万t/a 以上。

图4 焦作矿区近15 年来废弃煤矿情况Fig.4 Abandoned coal mines in Jiaozuo mining area for recent 15 years

根据焦作矿区历年废弃煤矿数量，可得该矿区废弃煤矿类型比例如图5 所示，从图中可看出，焦作矿区废弃煤矿类型以稳定型为主，占比约67%，远高于其他类型，其次为非稳定型初期，占比约19%，非稳定型中期和非稳定型后期占比分别约12%和2%。虽然稳定型占比高，但其主要是早期关闭的小煤矿，开采深度非常浅，产能非常低，基本均在10 万t/a 以下，其中的瓦斯资源基本不具备开发价值。

图5 焦作矿区废弃煤矿类型比例Fig.5 Proportion of abandoned coal mines in Jiaozuo mining area

3.2 主要废弃煤矿瓦斯资源量估算

基于提出的估算方法，根据主要煤矿的煤炭开采情况，可对废弃煤矿瓦斯资源量进行估算，下面以焦作矿区朱村矿为例进行说明。

1) 遗煤资源量及保有资源量

朱村矿2015 年关闭，该矿区共含煤11 层，其中，一5 煤层和二1 煤层发育稳定，全区可采，为矿井主采煤层。一5 煤层平均厚1.17 m，原煤瓦斯含量平均3.94 m3/t，挥发分产率平均为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，挥发分产率平均为6%。截止煤矿废弃，二1 煤查明煤炭资源储量5 503.04 万t，历年动用煤炭资源储量为4 502.46 万t(累计采出量2 475.00 万t，累计损失量2 027.46 万t，矿井回采率约为55%)，保有煤炭资源储量1 000.58万t；一5 煤查明煤炭资源储量1 247.57 万t，历年动用煤炭资源储量为675.84 万t(累计采出量361.71 万t，累计损失量314.13 万t，矿井回采率约为54%)，保有煤炭资源储量571.73 万t。矿区两个主采煤层遗煤量为2 341.60 万t(表2)。

表2 朱村矿煤炭开采情况Table 2 Coal mining in Zhucun Mine

2) 遗煤中瓦斯资源量估算

由于朱村矿煤层原始瓦斯含量小于10.00 m3/t，根据式(4)进行计算，得到二1 煤残存瓦斯含量为3.18 m3/t，一5 煤残存瓦斯含量为1.67 m3/t。

将相关数据代入式(1)-式(3)，可得朱村矿开采层遗留煤炭中瓦斯资源量约为0.69×108m3，其中，二1、一5煤开采层遗留煤炭中瓦斯资源量分别为0.64×108m3、0.05×108m3；开采层未动用煤炭中瓦斯资源量约为0.84×108m3，其中，二1、一5 煤开采层遗留煤炭中瓦斯资源量分别为0.61×108m3、0.23×108m3；开采层残存瓦斯资源量约为1.53×108m3。

根据以上估算方法，可分别估算出演马庄矿、方庄矿、冯营矿、小马村矿、韩王矿、白庄矿和吴村矿的废弃瓦斯资源量(表3)。估算焦作矿区近15 年来关闭的煤矿中开采层废弃瓦斯资源量约为26.06×108m3，其中，保有煤炭资源中瓦斯资源量约为20.75×108m3，动用煤炭遗煤中瓦斯资源量约为5.31×108m3。需说明的是这里面不包含矿区内小煤矿及未开采层的瓦斯资源量。

表3 近15 年来焦作矿区关闭煤矿遗留煤炭瓦斯资源量Table 3 Gas resources of remaining coal of abandoned coal mine in Jiaozuo mining area for recent 15 years

3.3 废弃煤矿瓦斯资源评价

根据焦作矿区废弃煤矿分布特征，可知焦作矿区废弃煤矿包括稳定型和非稳定型两大类，其中稳定型占有较大比例，而这一部分主要是早期废弃的小煤矿，其废弃时间较长，早期开采区域埋深也相对较浅，瓦斯资源大部分均已逸散，因此重点针对非稳定型进行评价。

根据以上模型，近5 年，焦作矿区主要煤矿废弃较多，基本属于41 型，即废弃煤矿中保有煤炭资源量相对较高，废弃时间相对较短，游离态瓦斯保存可能较好。从瓦斯资源和赋存角度，演马庄矿、方庄矿、冯营矿和白庄矿开发价值相对较大，特别是演马庄矿保有煤炭资源量较高，瓦斯含量也较高，具有较大的开发潜力；小马村矿、朱村矿和韩王矿开发价值相对中等，此种类型以小马村矿为代表，小马村矿属于11 型，从估算的资源量可看出，此种类型保有煤炭资源量远低于动用煤炭遗煤资源量，其中瓦斯资源量主要以遗留煤炭中瓦斯资源为主，若采空区密闭性较好，则其能够形成游离型煤层气藏，反之，其开发价值将大打折扣；吴村矿开发价值相对较差，虽然其遗留煤炭中瓦斯资源量相对较高，但其可解吸量有限，且已解吸部分逸散的概率比较大。

此外，根据焦作矿区主要矿井的水文地质概况可知，焦作矿区主要矿井均受煤层顶底板含水层的影响，煤矿关闭后，可能由于地应力重新分布，在平衡过程中，岩层或断层将采空区和含水层沟通，采空区存在被淹的可能性。这种情况将导致两种情况，一种是采空区和地面具有沟通通道，使游离气沿通道逸散(图6a)；另一种是采空区和地面没有通道沟通，则采空区瓦斯在地下水的作用下可能重新运移聚集于采空区或煤层顶板某一空间，形成气藏(图6b)，具体情况尚需要进一步进行勘查。

图6 矿井水作用下瓦斯运移Fig.6 Sketch map of gas migration under the action of mine water

4 结 论

a.基于目前我国废弃煤矿实际情况，提出了废弃煤矿瓦斯资源量计算模型，该模型具有所需参数少和实用强的优点；基于废弃煤矿废弃时间，将废弃煤矿划分为稳定型和非稳定型两类，其中非稳定型又进一步划分为非稳定型初期、中期和后期3 个阶段；通过分析废弃煤矿瓦斯资源赋存特点和废弃煤矿类型，构建了废弃煤矿瓦斯资源评价模型，将其划分为16 个类型，并对其特点和开发价值进行了评价，从瓦斯资源和赋存角度，将其开发价值分为相对较好、相对中等、相对较差和相对最差四类。

b.根据构建的瓦斯资源估算和评价模型，以焦作矿区为例，估算焦作矿区近15 年来主要废弃煤矿开采层废弃瓦斯资源量约26.06×108m3，其中，保有煤炭资源中瓦斯资源量约20.75×108m3，动用煤炭遗煤中瓦斯资源量约5.31×108m3；矿区中大部分废弃煤矿属于41 型，开发价值相对较好，但由于焦作矿区煤层受含水层影响较大，后期需进一步勘查。