秦玉金，陳煜朋，3，姜文忠，3，于笑晨，蘇偉偉

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；4.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城273500）

經(jīng)過幾十年持續(xù)大規(guī)模開采，我國淺部礦產(chǎn)資源已趨于枯竭，礦產(chǎn)資源采深已進(jìn)入1 000～2 000 m 以深水平[1]，截止2015 年，全國千米深礦井近80余座。目前，我國礦井開采強(qiáng)度平均每年以10～25 m的速度向地下延伸[2]，預(yù)計(jì)2030 年左右我國多數(shù)礦井采深都將進(jìn)入千米級。深部礦產(chǎn)資源豐富，就煤礦而言，中國1 000 m 以深的煤炭資源量占已探明煤炭資源總量的53%[3-4]；就煤層氣而言，中國埋深1 200～2 000 m 的煤層氣地質(zhì)資源量約為16.67×1012m3[5-6]，主要盆地埋深2 000～3 000 m 的煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)18.47×1012m3[6-7]。深部煤炭和瓦斯資源開采是新時(shí)代下能源經(jīng)濟(jì)健康、快速發(fā)展的重要支撐，在未來實(shí)現(xiàn)深部資源規(guī)模化開采程度之前，準(zhǔn)確認(rèn)識深部開采環(huán)境基本特征、建立完善的深部資源開采理論是新時(shí)代深部開采的研究主題。近年來，為了解決深部煤層瓦斯資源開采及瓦斯災(zāi)害治理等面臨的技術(shù)難題，國內(nèi)眾多學(xué)者圍繞著深部煤層瓦斯賦存機(jī)制開展了相關(guān)研究，取得了重要研究成果，極大豐富了深部開采理論。

1 深部煤層的內(nèi)涵

關(guān)于深部的概念與內(nèi)涵目前還沒有統(tǒng)一共識。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)把硬巖發(fā)生軟化的深度作為進(jìn)入深部工程的界限，大多數(shù)專家結(jié)合我國的客觀實(shí)際，認(rèn)為中國深部煤礦的深度可界定為800～1 500 m[2]。謝和平院士[8]提出了亞臨界深度、臨界深度、超臨界深度等概念和定義，并指出“深部”不是深度，而是一種由地應(yīng)力水平、采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性共同決定的力學(xué)狀態(tài)，通過力學(xué)分析可給出定量化表征。何滿潮院士等[9]提出將工程巖體開始出現(xiàn)非線性力學(xué)現(xiàn)象的深度及其以下深度區(qū)間定義為深部開采工程。秦勇[10]通過研究地應(yīng)力分布的規(guī)律以及煤層氣含量臨界深度的出現(xiàn)，提出用側(cè)壓系數(shù)和含氣量反轉(zhuǎn)來表征臨界深度。可以看出，有關(guān)深部界定主要采用地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力、圍巖屬性為主的量化指標(biāo)，從煤巖體力學(xué)性質(zhì)角度進(jìn)行研究。對于深部煤層瓦斯而言，單一的力學(xué)體系已不能完全反應(yīng)瓦斯賦存的真實(shí)狀態(tài)，涵蓋應(yīng)力之外的滲流擴(kuò)散、吸附解吸、孔隙特性、地溫變化等因素構(gòu)成的應(yīng)力場、溫度場、流體場等多物理場耦合環(huán)境才是研究深部煤層瓦斯賦存機(jī)制的客觀條件。當(dāng)前，煤層瓦斯賦存特征影響研究主要集中于單一物理場，間接造成深部煤層瓦斯界定的片面性和不客觀性，開展多物理場耦合作用對煤層瓦斯賦存影響研究不僅進(jìn)一步補(bǔ)充深部瓦斯賦存理論，也必將推動(dòng)構(gòu)建更為完善的深部煤層體系。

2 深部煤層瓦斯賦存特征研究現(xiàn)狀

從淺部到深部，煤層瓦斯賦存環(huán)境發(fā)生顯著變化，高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯壓力、低滲透率的“三高一低”特征決定煤儲層的受力狀態(tài)、孔隙率和滲透率，進(jìn)而影響著煤層瓦斯賦存、吸附解吸平衡及在煤儲層中的擴(kuò)散與滲流。近年來許多學(xué)者針對單一特征對瓦斯賦存的影響做了較為細(xì)致的研究。

2.1 地應(yīng)力對深部煤層瓦斯賦存的影響

地層中垂直應(yīng)力可近似看作線性變化，隨著埋深增加，垂直應(yīng)力線性增加[11]，而水平應(yīng)力的分布規(guī)律則更為復(fù)雜[12]?？导t普院士等[13]分析我國各礦區(qū)地應(yīng)力分布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：埋深1 000 m 以淺井區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力為主，1 000 m 以深的圍巖地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪睉?yīng)力為主，表明了三軸受壓是深部煤儲層應(yīng)力分布的真實(shí)狀態(tài)。劉大猛[14]、謝曉彤[15]、何偉鋼[16]等研究得出煤巖滲透率隨著垂直應(yīng)力、最大和最小水平主應(yīng)力的增大而減小，兩者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。王登科[17]、李曉泉[18]等研究分析了復(fù)雜圍壓加載路徑下和循環(huán)荷載下煤巖滲透率的變化規(guī)律，得出結(jié)論：含瓦斯煤巖的滲透率隨著軸壓和圍壓的增大而減小，呈指數(shù)關(guān)系變化。尚宏波等[19]利用自主研制的破碎巖石三軸滲流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)得出三軸應(yīng)力作用下破碎煤樣的孔隙率隨圍壓的增大而減小，兩者之間的關(guān)系符合對數(shù)函數(shù)。孟雅[20]、尹光志[21]等進(jìn)一步研究指出煤樣滲透率和孔隙度與有效應(yīng)力之間存在負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

無論滲透率與地應(yīng)力之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系還是對數(shù)函數(shù)關(guān)系，都符合前期滲透率急劇減小，后期減小緩慢的規(guī)律。當(dāng)?shù)貞?yīng)力較小時(shí)，煤層主要以煤巖體骨架承壓，煤巖體骨架發(fā)生大的結(jié)構(gòu)變形，孔隙和裂隙急劇減少，導(dǎo)致孔隙率與滲透率明顯下降；當(dāng)?shù)貞?yīng)力較大時(shí)，由于煤巖體中游離瓦斯受到應(yīng)力壓縮，孔隙壓力增大，部分地應(yīng)力被分擔(dān)，有效應(yīng)力增加減緩，由此隨著地應(yīng)力的增加，孔隙率和滲透率的敏感性也將減弱。

在淺部，煤巖地質(zhì)體的彈性較大，地應(yīng)力小，表現(xiàn)出應(yīng)力對瓦斯壓力的影響不明顯，煤層敏感特性以瓦斯壓力為主；進(jìn)入深部地區(qū)之后，因地應(yīng)力較大，瓦斯壓力及瓦斯賦存狀態(tài)發(fā)生變化，深部煤層應(yīng)看作為固相和氣相的結(jié)合體。對于高地應(yīng)力、有效應(yīng)力和瓦斯壓力三者之間的關(guān)系還需進(jìn)一步深入研究。

2.2 溫度對深部煤層瓦斯賦存的影響

每個(gè)礦井所處的地質(zhì)環(huán)境不同，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地下水等因素影響，礦井的地溫梯度變化不一樣[22]。但隨著煤層埋藏深度的不斷增加，煤巖溫度往往不斷升高。高溫對于煤層瓦斯賦存有重要影響。張翔[23]、侯程[24]等試驗(yàn)結(jié)果表明壓力保持一定時(shí)，煤的瓦斯吸附量隨溫度升高而減少。何滿潮等[25]研究得出溫度升高是導(dǎo)致煤層氣體大量解吸的主要原因之一。郭平[26]通過實(shí)驗(yàn)測得吸附常數(shù)a 隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，吸附常數(shù)b 隨著溫度的升高逐漸減小，減小幅度不斷減緩，最終趨于1 個(gè)極限值。秦玉金等[27]通過數(shù)值模擬分析得出在深部煤層中溫度升高所導(dǎo)致的瓦斯吸附量減少抵消了壓力增大導(dǎo)致的瓦斯吸附量增加。張丹丹等[28]研究發(fā)現(xiàn)原煤和型煤的滲透率與溫度之間符合負(fù)指數(shù)關(guān)系，同時(shí)敏感性隨溫度升高而降低。嚴(yán)敏等[29]研究得出：瓦斯在煤體中初始有效擴(kuò)散系數(shù)及動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散參數(shù)隨溫度升高而增大。王玲玲等[30]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高溫將使得煤的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。李志強(qiáng)等[31-32]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)溫度對于煤體滲透率的影響并不單調(diào)，低有效應(yīng)力條件下，滲透率與溫度正相關(guān)，高有效應(yīng)力條件下，滲透率與溫度負(fù)相關(guān)。

可以看出溫度對瓦斯吸附和解吸具有顯著影響，并能引起吸附參數(shù)和滲透率的變化。根據(jù)吸附勢理論，溫度升高，瓦斯分子吸附勢增大，吸附難度增大，吸附量因此減少。吸附參數(shù)的減小表示瓦斯的極限吸附量隨著溫度的升高而減小，溫度的負(fù)效應(yīng)大于瓦斯壓力的正效應(yīng)。溫度升高與滲透率之間的關(guān)系從微觀上進(jìn)行分析：當(dāng)煤體所受有效應(yīng)力較小時(shí)，高溫所引起的煤體骨架膨脹和瓦斯氣體膨脹將形成熱應(yīng)力使得煤體內(nèi)孔隙和裂隙增大，連通度加強(qiáng)，進(jìn)一步引起吸附瓦斯解吸成為游離態(tài)瓦斯，滲透率和滲透量同時(shí)增大，而當(dāng)煤體所受有效應(yīng)力較大時(shí)，高溫引起的膨脹將表現(xiàn)為向內(nèi)膨脹，擠壓煤體內(nèi)孔隙和裂隙，降低滲透率。

實(shí)際條件下，高溫是深部煤層中瓦斯含量反轉(zhuǎn)的重要原因，又由于地應(yīng)力大，深部環(huán)境滿足熱應(yīng)力小于有效應(yīng)力的條件，煤體中的孔隙和裂隙被壓縮和堵塞，瓦斯運(yùn)移困難。對于高溫與滲透量之間的關(guān)系還可以進(jìn)一步深入研究。

2.3 瓦斯壓力對深部煤層瓦斯賦存的影響

對于煤層瓦斯壓力與埋深的關(guān)系有3 種解釋：線性關(guān)系、指數(shù)函數(shù)關(guān)系和冪函數(shù)關(guān)系[33]。無論符合哪種函數(shù)關(guān)系，煤層瓦斯壓力隨著埋深總是增加的。一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬的方式對瓦斯壓力與瓦斯吸附-解吸、瓦斯運(yùn)移的關(guān)系進(jìn)行了探索研究。趙麗娟等[34]通過對長焰煤、肥煤、瘦煤以及貧煤進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，指出在給定溫度的情況下，煤對瓦斯的吸附量隨著瓦斯壓力的增加先是呈指數(shù)式增長，而當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa 以后，吸附量變?yōu)榫徛黾?。?dāng)瓦斯壓力升高到一定程度后，吸附量趨于穩(wěn)定。李奇等[35]采集了我國典型礦區(qū)的涵蓋褐煤-無煙煤的14 個(gè)煤樣，進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)后得出結(jié)論：此14 組煤樣在吸附平衡壓力小于1 MPa范圍內(nèi)，瓦斯吸附量變化明顯，隨著壓力升高，瓦斯吸附量增加趨勢逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，整體變化趨勢符合Langmuir 方程曲線，終極趨向極限瓦斯吸附量。聶百勝等[36]經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出吸附平衡壓力越大，顆粒煤中初始有效擴(kuò)散系數(shù)越大，瓦斯解吸率越大；而李志強(qiáng)等[37]在對柱狀原煤樣進(jìn)行瓦斯擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散系數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)隨平衡壓力增高而減小。

可以發(fā)現(xiàn)瓦斯壓力對于瓦斯吸附量是正相關(guān)的，并且在瓦斯壓力增加的初始階段，瓦斯吸附量可看做線性增加，進(jìn)入高壓力和超高壓階段，瓦斯吸附量增加放緩。原因在于當(dāng)瓦斯壓力不太大的時(shí)候，隨著壓力的增大，瓦斯分子由于壓差的存在可以比較輕易地進(jìn)入煤體中較大的孔隙和裂隙，所以煤體對瓦斯的吸附量增加趨勢明顯，而對于微孔隙，即便瓦斯壓力繼續(xù)增大，瓦斯分子也很難進(jìn)入，只能利用濃度差以擴(kuò)散的形式進(jìn)入，因此當(dāng)瓦斯壓力超過一定值后，吸附量隨壓力增大的趨勢逐漸減緩。

2 個(gè)瓦斯擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)得出相反結(jié)論的原因在于煤骨架吸附瓦斯后發(fā)生膨脹變形，這種膨脹變形在有束縛的情況下方向向內(nèi)，如在柱狀煤樣中，導(dǎo)致瓦斯運(yùn)移通道變窄，孔隙率降低，吸附量越大，向內(nèi)的膨脹變形越大，孔隙率越小，擴(kuò)散系數(shù)也越小。而在顆粒煤中，由于煤骨架不受約束，因此膨脹應(yīng)力與瓦斯壓力使得顆粒煤中孔隙和裂隙發(fā)育，孔隙率增大，擴(kuò)散系數(shù)也隨之增大。

2.4 滲透率對深部煤層瓦斯賦存的影響

煤作為一種多孔隙介質(zhì)，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨機(jī)分布著大小從納米級至微米級的孔隙，還有肉眼可見的裂隙，它們決定了煤體滲透性能的好壞。滲透性對于瓦斯賦存具有重要影響，它是煤層瓦斯運(yùn)移難易程度的指標(biāo)，煤體滲透率越低，孔隙率相對就小。王公忠等[38]研究發(fā)現(xiàn)在恒溫條件下，孔隙率和滲透率之間符合二次函數(shù)關(guān)系，孔隙率越小，滲透率越低。

深部煤層由于地應(yīng)力和溫度的增加，內(nèi)部孔隙和裂隙體積減小，煤體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，瓦斯賦存和運(yùn)移通道直徑縮小，運(yùn)移困難，因此達(dá)西滲流非常不明顯，瓦斯運(yùn)移以擴(kuò)散為主。而胡國忠等[39]通過實(shí)驗(yàn)得出瓦斯在低滲透率煤層中的滲流和水不同，具有顯著的滑脫效應(yīng)，影響瓦斯運(yùn)移速度，同時(shí)瓦斯吸附于孔隙和裂隙表面，使得有效運(yùn)移通道縮小，瓦斯運(yùn)移速度明顯減慢。此外研究證明煤體是各項(xiàng)異性體[40]，相較于垂直層里面方向，瓦斯沿平行層理面流動(dòng)的速度要大得多，這說明沿層理方向的滲透率比垂直層理面滲透率大得多，有可能相差幾個(gè)數(shù)量級。

低滲透率是深部煤巖體利于瓦斯賦存的重要原因之一，相較于淺部煤層，深部煤層成煤過程中生成的瓦斯因煤巖體滲透率低難以運(yùn)移，從而較好的賦存在煤體中。影響深部煤層滲透率的因素有很多，除地應(yīng)力、溫度、瓦斯壓力、有效應(yīng)力外，還包括煤巖類型、水文條件、地質(zhì)構(gòu)造等。目前對于多個(gè)復(fù)雜條件下，煤巖滲透率變化規(guī)律的研究還不完善，需要進(jìn)一步發(fā)展。

3 深部多場耦合作用機(jī)制研究現(xiàn)狀

深部煤層中瓦斯的儲存以及運(yùn)移受應(yīng)力、溫度等多個(gè)因素影響，這些因素形成多個(gè)物理場，多場之間的耦合作用決定了深部煤層瓦斯的賦存機(jī)制。舒才等[41]在研究熱-流-固三場耦合作用時(shí)引入兩能態(tài)吸附熱理論建立耦合模型，從理論上闡述了煤層瓦斯流動(dòng)過程中吸附解吸、應(yīng)力場、溫度場、滲流場相互影響的作用機(jī)制。林柏泉等[42]基于雙重孔隙介質(zhì)的假設(shè)，建立了應(yīng)力場、滲流場和擴(kuò)散場多場耦合模型，研究了煤層瓦斯流場演化規(guī)律。李祥春等[43]研究了煤體裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展過程中振動(dòng)場、電磁場、應(yīng)力場、滲流場的耦合變化；秦玉金等[27]建立了關(guān)于瓦斯運(yùn)移的應(yīng)力場、滲流場和溫度場的多物理場耦合模型，分析了煤層多物理場耦合模型與瓦斯賦存的關(guān)系。另外劉向君[44]、王公忠[45]、楊凱[46]、袁梅[47]等通過實(shí)驗(yàn)研究了溫度和壓力耦合作用下含瓦斯煤巖滲透率的變化。黃旭超[48]建立了含瓦斯煤流-熱-固三場耦合數(shù)學(xué)模型，分析了滲透場和壓力場的變化規(guī)律。尹光志[49]進(jìn)行了含瓦斯煤熱流固耦合全應(yīng)力-應(yīng)變瓦斯?jié)B流實(shí)驗(yàn)。李波波[50]研究了力熱耦合作用下瓦斯吸附量與煤巖滲透率的變化。

以上實(shí)驗(yàn)探索研究了煤層中多物理場的耦合作用機(jī)制，闡釋了瓦斯賦存與運(yùn)移動(dòng)態(tài)過程中，多個(gè)物理場的相互影響。但是煤層多場耦合作用機(jī)制中既存在較多的物理場，又控制著煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、瓦斯的吸附解吸平衡、煤層應(yīng)變等諸多變量，因此目前對于深部多場耦合作用機(jī)制的研究還不夠全面。此外以上實(shí)驗(yàn)所進(jìn)行的研究并不針對深部煤層瓦斯的賦存，只描述了多個(gè)物理場之間的相互聯(lián)系，認(rèn)為在深部煤層瓦斯賦存機(jī)制中，各個(gè)物理場均起作用，但是并沒有確定出控制深部煤層瓦斯機(jī)制的主要物理場。下一步的研究方向即在于針對深部煤層研究瓦斯賦存機(jī)制中多個(gè)物理場之間的耦合作用以及確定出主要物理場。

4 研究的不足

1）關(guān)于深部界定理論研究，從深部煤巖體線性力學(xué)轉(zhuǎn)為非線性、煤層瓦斯含氣量反轉(zhuǎn)等客觀物理現(xiàn)象，可斷定深部煤層特征不僅僅是深度的變化，而是多個(gè)物理場耦合作用的結(jié)果。對于深部煤層瓦斯賦存深度，還應(yīng)結(jié)合深部復(fù)雜的圍巖環(huán)境，從瓦斯吸附解吸、滲流擴(kuò)散等多角度充分研究深部煤層瓦斯賦存基本特征。

2）目前對于影響煤層瓦斯賦存的單一特征因素作用規(guī)律已經(jīng)有了一定的研究，但是關(guān)于影響因素之間的耦合作用研究還不夠完善。此外針對深部煤層瓦斯賦存機(jī)制的研究還多是從淺部煤層瓦斯賦存規(guī)律的理論基礎(chǔ)出發(fā)，對深部煤層進(jìn)行推導(dǎo)。而深部環(huán)境同時(shí)存在高地應(yīng)力、高溫、高瓦斯壓力、低滲透率等多個(gè)條件，通過推導(dǎo)不能合理準(zhǔn)確地解釋實(shí)際的深部煤層瓦斯賦存規(guī)律，這也是現(xiàn)階段深部瓦斯含量預(yù)測不準(zhǔn)確以及現(xiàn)場抽采效果不理想的重要原因。

3）以往實(shí)驗(yàn)研究集中于高溫和高壓對深部煤層瓦斯賦存的影響，但實(shí)際地質(zhì)條件下影響深部煤層瓦斯賦存的因素還有煤巖體強(qiáng)度、層理、構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、構(gòu)造作用等。這些因素的存在有時(shí)會(huì)對瓦斯賦存起到關(guān)鍵作用，而針對這些因素的研究還停留在定性的階段，未能有定量的描述。

4）不同尺度實(shí)驗(yàn)條件下得到的結(jié)論有所不同，如溫度對瓦斯擴(kuò)散的影響，在顆粒尺度下與柱狀煤樣尺度下得出的結(jié)論相反，說明實(shí)驗(yàn)條件本身需符合深部煤層賦存實(shí)際條件，結(jié)論才能符合現(xiàn)場實(shí)踐。另外實(shí)驗(yàn)研究的過程中鮮有考慮時(shí)效性，實(shí)驗(yàn)條件作用的時(shí)間和作用的先后順序不同，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也會(huì)有所差異。

5 結(jié) 語

1）應(yīng)進(jìn)一步研究深部煤層中高地應(yīng)力、有效應(yīng)力和瓦斯壓力三者之間的關(guān)系以及在有效應(yīng)力較大的條件下溫度升高與滲透量之間的關(guān)系。

2）針對深部煤層研究高地應(yīng)力、高溫和高瓦斯壓力等多個(gè)因素共同影響下瓦斯的賦存規(guī)律，同時(shí)對于多個(gè)因素之間相互影響的研究還需更進(jìn)一步。

3）應(yīng)采用現(xiàn)場采樣、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室測試等多種手段研究研究煤巖體強(qiáng)度、層理、構(gòu)造、變質(zhì)程度等因素對于深部煤層瓦斯賦存機(jī)制的影響。4）應(yīng)進(jìn)一步研究深部煤層瓦斯賦存機(jī)制在深部煤層瓦斯含量預(yù)測、深部低滲煤層增透、深部煤層瓦斯抽采、深部瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治等方面的應(yīng)用，以便更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。