王家琛，楊兆彪，秦 勇，楊彥群，董志勇，孟祥昊

(1.中國礦業(yè)大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.山西焦煤集團公司技術中心，山西 太原 030024)

中國具有富煤貧油少氣的能源格局，煤炭能源依然會在未來較長時間內居于能源結構中的重要位置[1]，但隨著煤炭資源的不斷開采和“雙碳目標”的落實，會有大量煤礦在整個行業(yè)的優(yōu)化調整中被關閉。我國煤炭開采歷史長久，自20 世紀末到21 世紀初，全國關停礦井有將近7 萬處。各地區(qū)煤礦生產過程中，因回采率的制約和地質條件限制，據估算有45%～50%的主采煤層和保留煤柱的煤炭遺留在井下，而這些遺留煤炭資源中賦存大量煤層氣資源。

統(tǒng)計表明，20 世紀末各種情況導致的遺留的煤炭資源量將近300 多億噸，其中聚集的遺留煤層氣(Abandoned Mine Methane，AMM)據估算將達到上千億m3[2]。隨著關閉煤礦的增加，還會產生大量廢棄采空區(qū)，采空區(qū)周圍形成采動區(qū)，遺留的煤層氣資源量會進入一個動態(tài)高速增長期。遺留的煤層氣資源若不妥善利用，任由其遺留地下廢棄采空區(qū)，一方面，會造成優(yōu)質能源的浪費，并威脅與其賦存層位鄰近井下工作面的安全生產；另一方面，淺埋深廢棄煤礦的遺留煤層氣可順采動裂隙帶逸散到地表，而CH4造成的溫室效應是同等體積CO2的20 多倍，會對氣候和生態(tài)環(huán)境造成巨大影響。在當前國家大力推進“雙碳目標”落實階段，廢棄礦井遺留煤層氣資源評價與開發(fā)具有重要的現實意義。

然而，廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)具有其獨特性，源于其在原始地質條件下擾動后的二次動態(tài)成藏。因此，準確圈定遺留煤層氣富集空間及其采動裂隙場，揭示遺留煤層氣的賦存特征及其動態(tài)運移和聚集過程，建立遺留煤層氣資源量的動態(tài)評價模型是廢棄礦井遺留煤層氣資源成功開發(fā)的地質理論基礎。本文主要針對以上研究的進展開展了綜述，并探討今后研究方向。

1 開采擾動區(qū)分帶及應力-裂隙-滲流三場特征

1.1 煤層開采覆巖擾動區(qū)

開采煤層工作面推進時，覆巖會經歷頂板垮落、離層產生、擾動裂隙的延展、擾動區(qū)外圍地層彎曲下沉等一系列過程，前人針對開采擾動條件下覆巖移動和破壞特征提出了眾多理論，如傳遞巖梁假說、砌體梁理論，覆巖關鍵層理論等。國內外學者基于現有理論，對煤層開采擾動地層的演化規(guī)律進行深入的研究，普遍認為長壁開采工作面上覆地層存在3 個垂向的移動帶[3-6]，分別為垮落帶、導水裂隙帶和接近地表的彎曲下沉帶，同時給出了經驗公式用以判斷“三帶”范圍(圖1)。

圖1 擾動區(qū)分帶Fig.1 Diagram of the disturbed area

針對具有采深大、煤層厚、工作面跨度大等特殊條件的開采煤層，其覆巖關鍵層與開采煤層的位置關系，對導水裂隙帶的垂向延展距離起到控制作用，許家林等[7]應用相似模擬研究手段，發(fā)現覆巖關鍵層位于煤層采高的7～10 倍距離內時，其控制的破斷裂縫會貫通為導水裂隙。陳榮華等[8]根據長臂開采工作面現場數據建立采場模型，應用仿真軟件RFPA2D對煤礦開采進行分步開挖模擬，通過分析推進過程中覆巖的形變和破斷，預測覆巖裂隙帶頂部高度為83 m，與現場鉆孔得到83.9 m 裂隙帶高度基本吻合。徐光等[9]針對開采擾動下覆巖導水裂隙帶側向邊界的確定開展研究，基于仿真模擬方法，對陽泉礦區(qū)廢棄礦井中煤巖的導水裂隙帶的發(fā)育邊界進行預測，結果顯示煤層覆巖導水裂隙帶頂部高度為71.7 m，裂隙帶側向邊界最大超出工作面邊界34.6 m，位于覆巖51.4 m 處。針對瓦斯卸壓，新“三帶”理論將開采擾動覆巖地層分為：導氣裂隙帶，卸壓帶及不易解吸帶，研究表明采煤工作面的高度、長度、覆巖關鍵層結構等是控制三帶高度及分布特征的關鍵[10-11]。通過煤礦開采經驗和覆巖擾動區(qū)破壞規(guī)律的研究成果可以發(fā)現，如果開采工作面的推進長度、開采高度及覆巖破斷角越大，覆巖裂隙帶越高。李日富等[12]通過搭建相似實驗平臺，對開采擾動地層應力場分布進行實時監(jiān)測，揭示出開采擾動圍巖地層的有效卸壓區(qū)會延伸至宏觀裂隙帶外，宏觀裂隙帶至有效卸壓邊界內的煤層氣仍可以自由流動，并且有效卸壓區(qū)外存在一個煤層氣不可運移的過渡卸壓區(qū)。

1.2 煤層開采底板擾動區(qū)

在煤礦開采擾動下，主采煤層底板同樣會存在導氣裂隙帶，使位于下部的煤層中的煤層氣導氣能力增大，順裂隙向上部運移富集。隨著前人對底板導氣裂隙帶研究深入，揭示了采動誘導應力分布特征及演化規(guī)律，以此對下伏地層進行區(qū)帶劃分，垂直方向上將底板分為三維卸壓帶、一維卸壓帶和原始應力帶，水平方向上沿煤層開采方向分為原始應力區(qū)、壓縮區(qū)、膨脹區(qū)、恢復區(qū)和重新壓實區(qū)，如圖2 所示[13]。

圖2 下伏地層“三帶五區(qū)”劃分[13]Fig.2 Schematic diagram of“three bands and five zones”in underlying strata[13]

由于煤礦開采時工程條件的限制，若想全面準確地了解煤礦開采擾動下底板破壞規(guī)律，需要在現場監(jiān)測手段的基礎上，輔以物理模擬實驗和計算機模擬實驗。姜耀東等[14]應用自主研發(fā)的煤層底板水壓模擬裝置，進行承壓水上煤層開采過程試驗，獲得了煤層回采過程中圍巖應力-應變規(guī)律，發(fā)現工作面前方的煤巖一直處于承壓狀態(tài)，采空區(qū)中的下伏地層基本呈卸壓狀態(tài)，巖體發(fā)生鼓脹，在采煤整體過程中水平方向底板巖體應力規(guī)律呈現承壓-卸壓-恢復特征，在底板的鼓脹區(qū)中，會同時發(fā)育縱向和橫向裂隙。張勇等[15]利用仿真模擬軟件，分析了開采煤層底板應力場演化規(guī)律及裂隙帶動態(tài)變化特征，發(fā)現工作面前方8 m 之內的下伏地層壓縮區(qū)中主要發(fā)育垂直方向的彎曲拉伸裂縫，工作面的后方發(fā)育較多傾角在45°以下的剪切裂縫，最遠可延展至40 m 處。張蕊等[16]結合仿真模擬結果與現場實測數據，研究大采深厚煤層開采時底板的破壞特征，確定其開采破壞深度為20 m，并揭示了大采深厚煤層底板應力場演化規(guī)律。

前人基于工程實踐和各類模擬實驗研究發(fā)現常規(guī)煤層開采覆巖擾動區(qū)影響范圍可達到100 m 左右，而底板的擾動區(qū)范圍可達到50 m 左右。

1.3 擾動區(qū)地層應力場-裂隙場-滲流場特征

國內外學者已經針對單一工作面開采擾動下應力-裂隙-滲流三場特征做了大量研究，取得了較為全面的認識。A.K.Singh 等[17]總結開采擾動覆巖應力場分布特征的研究進展，提出覆巖采動誘導應力分布模型(圖3)，發(fā)現伴隨工作面寬度的增大，工作面兩側承壓區(qū)的采動誘導應力增大，且重新壓實區(qū)范圍逐漸增大，進一步結合淺埋深煤礦井實測覆巖采動誘導應力數據，發(fā)現覆巖應力場主要受控于煤層埋深和覆巖力學性質。大量煤層氣開發(fā)井工程實踐表明，抽采產能受煤層的應力敏感性影響較大，煤層滲透率會隨有效應力增大明顯降低[18]。開采煤層擾動區(qū)內的應力分布情況會影響滲流場分布，進而決定遺留煤層氣資源運移聚集特征。

圖3 地下煤礦不同挖掘寬度下的采動應力(垂直)發(fā)展變化概念模型[17]Fig.3 A conceptual model of mining induced stress(vertical) development at different widths of excavations for an underground coal mining[17]

采煤過程中，伴隨工作面推進，覆巖應力重新分布，工作面前進一段距離后，其后方較遠距離的采空區(qū)中部覆巖因自重而發(fā)生壓實作用，應力恢復過程導致重新壓實區(qū)內的部分采動裂隙發(fā)生閉合，進而降低地層滲透率；而采空區(qū)四周靠近煤壁的采動裂隙在煤壁支撐作用得以大量保存，使得重新壓實區(qū)四周地層滲透率增大，由此產生了采空區(qū)圍繞中部重新壓實區(qū)分布的裂隙帶。錢鳴高等[19]針對覆巖裂隙帶分布特征進行研究，應用相似模擬、仿真模擬等方法，提出開采擾動裂隙分布的著名“O”形圈理論(圖4)，并且指導了淮北桃園礦和蘆嶺礦布置卸壓瓦斯抽采鉆孔。D.P.Adhikary 等[20]應用仿真模擬方法，對澳大利亞新南威爾士州一礦區(qū)開采擾動滲透率分布情況進行研究，發(fā)現距巷道11.2～11.5 m 處，滲透率可增加到50 倍以上，增透效應最遠作用于巷道外20 m 處，開采擾動區(qū)內覆巖的滲透率最大可以增加1 000 倍以上，并指出其原因為實測段的位置有較大的裂縫發(fā)育。這表明開采時卸壓作用導致裂隙大量發(fā)育，地層滲透率隨之大幅增加，滲流場分布受到裂隙場分布的控制，而在采煤工作面推進的動態(tài)過程中，卸壓作用的增滲與壓實作用的降滲共同發(fā)生、相互影響，進而作用于遺留煤層氣資源的二次富集成藏。孟召平等[21]綜合考慮煤礦開采擾動下巖體的應力值、形變位移量及滲透性，應用數值模擬方法，闡明開采擾動巖體破壞產生的斷裂密度和斷裂張開度是影響滲透率的決定因素，并且滲透性的分布與巖體應力場和破壞規(guī)律保持一致。

圖4 覆巖裂隙帶分布的“O”形圈示意Fig.4 Schematic diagram of“O”rings of fracture zone distribution in the overburden rock

袁亮等[22]分析淮南顧橋煤礦工作面現場實測采動誘導應力、圍巖形變及孔隙流體壓力等數據，得出工作面前方采動誘導應力在水平方向上最大擾動范圍為300 m，覆巖裂隙場集中在工作面后170 m 內，其后基本為重新壓實區(qū)域，裂隙帶垂向發(fā)育高度可達145 m，并且根據覆巖應力-裂隙-滲流三場動態(tài)演化規(guī)律，結合覆巖擾動區(qū)內煤層氣“環(huán)形”流動通道，建立了開采煤層覆巖高位環(huán)形裂隙體模型。B.A.Poulsen 等[23]研究開采擾動地層的變形特征，結合數學模型，計算擾動裂隙孔徑，并精確計算滲透率的峰值分布情況，發(fā)現開采煤層中部和兩側的支撐煤壁的覆巖滲透性不同程度增加，在相同高度下，工作面支撐煤壁上部地層滲透率會增加3～6 倍，而靠近中部重新壓實區(qū)上部地層的滲透率增加程度較小。這表明開采擾動區(qū)中部的覆巖重新壓實作用對裂隙場分布影響明顯，使覆巖部分區(qū)域采動裂隙重新閉合，進而使擾動區(qū)內滲流場出現差異性分布。根據裂隙帶及滲透率分布特征，可以明確常規(guī)工作面開采擾動裂隙場具有靠近四周煤壁裂隙數量分布多而密、中間重新壓實區(qū)裂隙較少的特征，且覆巖關鍵層下的巖層間會產生較大的離層空間，使得開采擾動區(qū)內局部滲透率大幅增加，地層孔隙率整體分布基本為馬鞍狀[24]。

常規(guī)單一工作面開采下的圍巖擾動特征研究是早期研究的重點，但是在實際工程中往往會有多個采煤工作面在較小范圍內存在，這導致多個采煤工作面的擾動區(qū)相互之間會有明顯的疊加擾動影響。應力場-裂隙場-滲流場特征及耦合關系也會在多個工作面開采的相互干擾下與單一工作面開采有較大的不同，這將是廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)的重點研究方向。

2 廢棄煤礦遺留煤層氣賦存特征及其運聚規(guī)律

2.1 賦存特征

廢棄礦井遺留煤層氣資源可以按來源分成3 類，第一類為主采煤層的落煤、保留煤柱等剩余煤炭中所賦存的煤層氣；第二類為賦存在原位煤層中，為主采煤層擾動范圍內鄰近的未開采煤層；第三類為主采煤層擾動范圍外各煤層中的煤層氣(圖5)。

圖5 廢棄礦井遺留煤層氣資源構成Fig.5 Composition of residual coalbed methane resources in abandoned mines

煤層開采的卸壓作用使得主采煤層和圍巖發(fā)育大量裂隙，煤層氣向新的裂隙系統(tǒng)中運移流動，其中的煤層氣富集區(qū)是重點開采區(qū)域，開采擾動區(qū)中的儲氣空間特征描述是后續(xù)進行遺留煤層氣資源量評估的基礎。傳統(tǒng)理論將廢棄煤礦煤層氣資源的富集空間范圍定為：主采煤層開采擾動區(qū)內的裂隙場及其四周圍巖中的各類含氣地層[19]，其中的擾動裂隙場主要分布在主采煤層上下地層中，由原位煤層中的裂隙和開采影響下發(fā)育的裂隙及殘留采空區(qū)之間相互連通形成[25]。韓保山等[26]將傳統(tǒng)“三帶”理論和煤層氣吸附理論相結合，確定遺留煤層氣賦存范圍大致可等效為一個橫向上的圓餅狀區(qū)域，并根據采動角確定了其半徑。

煤礦開采受到實際生產中回采率和地質條件限制，采空區(qū)內含有大量本煤層遺煤，并且會有礦井水聚集，這會導致遺留煤層氣資源會以各種狀態(tài)賦存于采空區(qū)中[27]。魏慶喜等[28]對封閉采空區(qū)煤層氣賦存方式進行了研究，依據存在形式將其分為游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)，不過三者之間的比例較原始狀態(tài)發(fā)生了變化，其中吸附氣比例有下降，游離氣則在采煤擾動的影響下占比大增，溶解氣比例有所下降。開采擾動條件下各狀態(tài)煤層氣運移動態(tài)分布規(guī)律(圖6)表現為：在具有穩(wěn)定蓋層的覆巖采動裂隙帶中，吸附氣含量在采掘工作面附近最低，在覆巖和底板中隨著遠離工作面而逐漸增大；游離氣分布規(guī)律恰好相反，含量從采掘工作面開始向周圍逐漸降低[29]。

圖6 煤層開采擾動下不同狀態(tài)煤層氣運移規(guī)律Fig.6 Migration law of coalbed methane in different states under mining disturbance

2.2 運移及聚集規(guī)律

國內外學者在煤層瓦斯運移方面形成眾多理論，有煤層瓦斯擴散理論、煤層瓦斯流固耦合滲流、地球物理場中煤層瓦斯?jié)B流理論等。隨著理論研究的深化，煤層瓦斯擴散-滲流理論在解釋煤層瓦斯流動過程時被廣泛接受。

開采擾動區(qū)巖體發(fā)生破壞后，擾動區(qū)卸壓作用使得大量煤層瓦斯解吸，瓦斯與擾動區(qū)煤巖體的“流-固”耦合作用規(guī)律是探明廢棄礦井中遺留煤層氣二次富集的關鍵[30]。相關研究表明，開采卸壓條件下瓦斯大量解吸會引起煤基質收縮，使采動區(qū)煤層孔-裂隙增大，擴展瓦斯?jié)B流通道；此外，煤層瓦斯壓力與采動區(qū)誘導應力具有正相關性，同時采動影響下煤層瓦斯擴散系數衰減系數增大會導致瓦斯壓力在裂隙內的衰減速率增大，并且開采擾動條件下瓦斯壓力減小的區(qū)域內煤體有效應力相應增加，使得部分采動孔裂隙閉合，縮減瓦斯流動通道[31-33]。趙洪寶等[34]采用Fluent 仿真軟件針對薄煤層開采特殊條件，對薄煤層開采擾動區(qū)中瓦斯的運聚規(guī)律進行了研究，發(fā)現采空區(qū)內的瓦斯運移速度隨孔隙率增加而增加，并且受到工作面通風系統(tǒng)的影響。胡勝勇等[35]應用自制相似實驗裝置研究采空區(qū)氣體富集情況，并模擬了分濃度梯度煤層氣運移和聚集過程，發(fā)現由于空氣和煤層氣的密度差異產生浮力，使得煤層氣濃度在采空區(qū)中頂部高底部低，在頂部形成煤層氣聚集區(qū)，并揭示殘煤中煤層氣濃度越高開采后聚集區(qū)內的濃度也越高。張江華等[36]依據山西晉城寺河礦3 號煤過采空區(qū)煤層氣井工程實踐經驗，研究底板鄰近層的煤層氣解吸情況及其運移和聚集特征，闡明了過采空區(qū)煤層氣井的抽采機制，并且確定過采空區(qū)井最優(yōu)間距為350～400 m，同時分析了底板煤巖滲透率重分布情況，發(fā)現位于3 號煤層下伏地層開采擾動變形帶內的9 號煤層滲透率增加明顯，受卸壓作用明顯。

綜合前文所述研究發(fā)現，可知主采煤層受開采擾動使煤層及圍巖應力場重新分布，覆巖和底板地層在此過程中不同程度卸壓，裂隙帶的分布特征為距離開采工作面越近，地層裂隙密度和破斷張開度均越大，這使得在靠近工作面的上下地層中存在一個三維卸壓帶，此區(qū)域內發(fā)育大量豎直和水平方向裂隙，因此，煤層氣可以自由流動；煤層氣自由流動區(qū)邊界至過渡卸壓區(qū)邊界內屬于一維卸壓帶，其內地層形變較小，少量發(fā)育平行微觀裂隙，該范圍內鄰近煤層中煤層氣可以發(fā)生解吸，但相對運移較難；一維卸壓帶范圍外為原始應力區(qū)，煤層氣無法自然解吸并運移。由于廢棄礦井的開采擾動區(qū)內多組分氣體間的物理作用，遺留煤層氣會在升浮作用下向整個開采擾動區(qū)上部運移聚集，并在三維卸壓帶上部形成一個潛在富集區(qū)(圖7)。

圖7 煤層開采擾動條件下煤層氣運移分帶及富集Fig.7 Migration zoning and enrichment of coalbed methane under mining disturbance

3 廢棄煤礦遺留煤層氣資源評價

3.1 國外

國外在廢棄煤礦煤層氣資源量評價上開展了大量實踐工作，大多依靠廢棄礦井自然逸散現場數據的監(jiān)測，采用月下降曲線法計算廢棄礦井中煤層氣資源量，通過對廢棄煤礦監(jiān)測數據的分析和總結，發(fā)現煤礦關閉后的前2 個月是煤層氣快速逸散期，這段時間內近七成的煤層氣資源量被排出，然后保持一個平穩(wěn)逸散期[37-39]。Raven Ridge 能源公司根據實測數據建立資源量估算模型，并開發(fā)了專門用于估算廢棄礦井遺留煤層氣資源量的軟件，并成功投入運營[37]。V.Palchik[38]針對烏克蘭頓涅茨克市多個不同地質條件的淺埋深煤礦實地測量數據進行研究，優(yōu)化了甲烷涌出下降曲線法中的參數，布置的多個甲烷逸散監(jiān)測井中，位于Centralnaya 礦的2 號井60 d 內甲烷最高自然逸散量可達到1 400 m3以上。C.?.Karacan 等[39]以美國賓夕法尼亞州西南部一煤礦兩相鄰工作面為研究對象，評估其關閉后的遺留煤層氣資源開發(fā)潛力，依據煤礦內278 個煤層氣勘探鉆孔實測數據，得出研究區(qū)煤礦關閉后700 d 內遺留煤層氣可開發(fā)資源量達3.68×106m3，整體開發(fā)周期可達到2 500～4 000 d。

3.2 國內

受各種廢棄煤礦特殊條件的限制，國內學者提出了很多關于廢棄礦井遺留煤層氣資源量評價方法。李日富[40]將相似模擬和仿真模擬結合，利用“三帶”理論對擾動區(qū)內上下巖層的煤層氣賦存空間范圍進行厘定，優(yōu)化了采空區(qū)煤層氣資源量計算參數，分別對單煤層開采、煤層群中單煤層開采及煤層群中多煤層合采3 種開采方式進行遺留煤層氣資源量的估算。張大旺等[41]針對煤礦開采擾動地層中的原位區(qū)、卸壓區(qū)和采空區(qū)建立了對應的煤層氣資源評價體系，并應用層次分析法進行選區(qū)評價。近年來，間接扣減法和分源疊加法這2 種廢棄礦井煤層氣資源量計算方法應用較多，間接扣減法原理為總資源量扣減損耗量，即在評估煤礦開采前的煤層氣資源量基礎上，扣去煤礦開采過程中損失的資源量，從而得到廢棄礦井內的遺留煤層氣資源量[42]。

周建軍等[43]研究指出應重視廢棄煤礦積水對其內遺留煤層氣資源開發(fā)利用的影響，穩(wěn)定采空區(qū)的積水會影響其內煤層氣資源量計算的精確度，廢棄煤礦中的積水如果十分嚴重，還會導致其占據游離氣存儲空間，進而在地面抽采過程中使產量快速衰減；另一方面廢棄煤礦中積水產生的靜水壓力，也會增加煤層氣抽采時的解吸難度。孟召平等[44]依據采空區(qū)內遺留煤層氣資源賦存狀態(tài)分析其來源，在計算游離氣和吸附氣資源量的基礎上，充分考慮煤礦內積水情況，并分別建立廢棄煤礦采空區(qū)的積水量和含水飽和度計算模型，最終評估晉煤集團晉圣煤礦的遺留煤層氣總資源量為5.871 7 億 m3，具有較高的開發(fā)價值。

綜上，當前廢棄煤礦遺留煤層氣資源量評價方法主要有月下降曲線法、分源疊加法、間接扣減法等，其有各自的缺點和優(yōu)勢，并且適用的情況也有差別(表1)。月下降曲線法適合礦井瓦斯監(jiān)測數據完整全面，關閉后仍然對瓦斯?jié)舛扰c逸散量等數據進行監(jiān)測的管理制度完善的礦井；分源疊加法是對遺留煤層氣3 種賦存狀態(tài)分別進行計算，最后疊加求得，具有較高的準確性，但是其數學模型中需要涉及很多參數，需要大量且全面的煤礦原始資料；間接扣減法主要是以原位煤層中煤層氣含量為基礎，扣減采煤過程中抽采的煤層氣資源量和自然逸散的煤層氣資源量后獲得，其原理較為簡單，涉及參數適中，但是其中的參數獲取途徑較為困難，且準確性較低。

表1 廢棄礦井遺留煤層氣資源量主要計算方法及優(yōu)缺點Table 1 Main calculation methods,advantages and disadvantages of CBM resources left over from abandoned mines

4 問題及展望

近年來煤礦行業(yè)發(fā)展新階段促使廢棄礦井遺留煤層氣資源開發(fā)利用相關方面研究取得大量新進展和新技術，學者對于遺留煤層氣的賦存、運移及富集機理都有了較為深刻的認識。但還存在一定的問題需要深入研究。

(1)單一煤層多廢棄工作面擾動疊加下的圍巖應力場-裂隙場-滲流場研究。煤礦單工作面開采擾動圍巖分帶理論較成熟，對圍巖開采擾動區(qū)特征的認識也較為深入，擾動區(qū)分帶理論與圍巖應力場-裂隙場-滲流場特征的結合也越來越緊密，后續(xù)研究的重點在于單一煤層多工作面開采之間的相互影響關系，如同一盤區(qū)多工作面開采時間差異及位置關系對廢棄礦井整體擾動區(qū)內應力場-裂隙場-滲流場特征的影響。

(2)時空尺度下廢棄煤礦遺留煤層氣動態(tài)運移聚集規(guī)律。在空間尺度下，針對不同開采擾動區(qū)帶內裂隙場和滲流場特征，研究煤層氣運聚特征，指明廢棄煤礦中遺留煤層氣資源的二次富集空間有利區(qū)。在時間尺度下，研究礦井開采到關閉全生命周期的煤層氣動態(tài)運移聚集規(guī)律，并預測有利聚積的時間窗口。同時建立具有普適意義的煤層氣次生富集成藏的地質模式，以指導后期廢棄礦井煤層氣地面開發(fā)。

(3)廢棄礦井煤層氣資源量動態(tài)計算模型。當前有很多關于煤礦采空區(qū)煤層氣資源量的計算模型或方法，各種方法的使用條件和范圍都有不同，眾多資源評價方法在實際應用中會有各種局限性；且往往是靜態(tài)的，未考慮廢棄礦井煤層氣聚積是一個動態(tài)過程。針對廢棄煤礦開采擾動地層各區(qū)帶中煤層氣資源量的動態(tài)計算模型還需要進一步完善。

5 結論

a.工作面開采覆巖及底板擾動帶一般可以分為3 類，最靠近工作面的導氣裂隙帶，其由采空區(qū)及大量豎向和橫向開采誘導裂隙連通形成；中間部位是卸壓帶，其中以順層裂隙為主，地層的變形和破斷程度均小于導氣裂隙帶；最外圍區(qū)域為不易解吸帶，其內地層會發(fā)生一些彎曲變形。常規(guī)煤層開采擾動影響范圍在覆可達到100 m 左右，底板可以達到50 m 左右。

b.廢棄煤礦遺留煤層氣資源賦存空間基本為開采擾動下的底板有效卸壓邊界至覆巖有效卸壓邊界內，其中頂底板有效卸壓邊界會延伸至裂隙帶范圍外；在臨近主采煤層一定范圍內存在一個三維卸壓帶，其中的煤層氣可以自由流動；在其外直到過渡卸壓區(qū)邊界，存在一維卸壓帶，其內的煤層氣可以解吸但難以自由移動。由于廢棄煤礦采空區(qū)中多組分氣體間物理作用，遺留煤層氣資源受升浮作用向開采擾動區(qū)上部運移，潛在富集區(qū)一般在主采煤層覆巖的三維卸壓帶上部。

c.國內外煤礦管理制度差異導致月下降曲線法在國內的推廣有局限性，分源疊加法和間接扣減法等相較于月下降曲線法容易實現，具有更廣泛的適用性；對于水文地質情況復雜的廢棄礦井，應充分研究積水對遺留煤層氣資源量評估的影響，使得評價方法更具真實性。

d.準確圈定遺留煤層氣富集空間及其采動裂隙場，揭示遺留煤層氣的賦存特征及其動態(tài)運聚過程，建立遺留煤層氣資源量的動態(tài)評價模型是廢棄礦井遺留煤層氣資源成功開發(fā)的地質理論基礎，也是今后的重要研究方向。