Research status and prospect of gas extraction in abandoned/closed coal mines in China
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摘要:
在“双碳”目标的驱动下，我国能源结构迎来高质量发展。截至目前，已累计淘汰落后煤炭产能10亿t，废弃/关闭煤矿数量快速增加，据研究预计到2030年，我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处，其中赋存非常规天然气近
5000 亿m3。为构建清洁低碳、安全高效的能源体系，加快发展新质生产力，亟需加大我国对废弃/关闭煤矿遗留瓦斯的抽采与开发力度。系统性地总结分析了我国现阶段废弃煤矿瓦斯地面抽采理论、技术及工艺设备的研究进展与存在问题，提出了未来研究的关键方向与潜在热点。首先，总结了废弃/关闭煤矿瓦斯赋存规律，归纳对比了遗留瓦斯资源量评估方法，分析了废弃煤矿地面抽采过程中瓦斯渗流及运移规律。其次，总结了2种常见的废弃/关闭煤矿瓦斯地面抽采技术，以及采用的钻井抽采工艺设备，对比分析了与生产矿井地面钻井瓦斯抽采工艺的异同。然后，从废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术和工艺设备等方面分析了研究中存在的不足：① 瓦斯资源赋存空间和机理不明；② 瓦斯资源量评估不精准；③ 瓦斯次生运移及动态积聚规律不清；④ 瓦斯抽采渗流及运移规律研究不充分；⑤ 瓦斯抽采关键技术不成熟；⑥ 地面钻井工艺设备不全面；⑦ 瓦斯抽采系统不完善。最后，凝练提出了未来的研究方向：揭示不同影响因素下的遗留瓦斯资源赋存特征与运移机理，构建废弃煤矿瓦斯储量与资源精准预测理论模型，阐明遗留瓦斯次生运移聚集范围分布特征及演化过程，丰富完善地面抽采过程中遗留瓦斯渗流及运移规律研究理论，逐步优化废弃煤矿地面瓦斯抽采技术体系，系统升级废弃煤矿瓦斯地面钻井工艺设备，逐步实现废弃煤矿地面钻井工艺智能化，深入改进废弃煤矿地面瓦斯抽采工艺设备。废弃/关闭煤矿瓦斯资源的精准与安全开发研究，对于提升废弃/关闭煤矿安全水平、促进能源结构调整、保障国家能源安全和推动经济持续健康发展具有重大意义。Abstract:Driven by the “Carbon Peaking and Carbon Neutrality” goals, the energy structure has ushered in high-quality development in China. Up to now, 1 billion tons of backward coal production capacity has been eliminated, and the number of abandoned/closed coal mines has increased rapidly. According to the research, it is estimated that by 2030, there will be 15 000 abandoned/closed mines in China, of which nearly 500 billion m3 of unconventional natural gas will be stored. In order to build a clean, low-carbon, safe and efficient energy system and accelerate the development of new productivity, it is urgent to increase the extraction and development of residual gas in abandoned/closed coal mines in China. The research progress and existing problems of gas ground extraction theory, technology and process equipment in abandoned coal mines in China are systematically introduced and analyzed, and the key directions and potential hotspots of future research are put forward. Firstly, the gas occurrence law of abandoned/closed coal mines is summarized, the evaluation methods of remaining gas resources are summarized and compared, and the gas seepage and migration law in the process of surface extraction of abandoned coal mines is analyzed. Secondly, two common ground gas extraction technologies for abandoned/closed coal mines and the adopted drilling extraction process equipment are summarized, and the similarities and differences with the production mine surface drilling gas extraction process are compared and analyzed. Thirdly, the deficiencies in the research are analyzed from the aspects of gas drainage theory, technology and process equipment in abandoned/closed coal mines: ① The inhabitation space and mechanism of gas resources are unknown. ② The evaluation of gas resources is imprecise. ③ The law of gas secondary migration and dynamic accumulation is unclear. ④ The research on seepage and migration law of gas extraction is insufficient. ⑤ The key technology of gas extraction is immature. ⑥ The ground drilling process equipment is incomprehensive. ⑦ The gas extraction system is imperfect. Finally, the future research direction is put forward concisely: Revealing the occurrence characteristics and migration mechanism of residual gas resources under different influencing factors, constructing the theoretical model of accurate prediction of gas reserves and resources in abandoned coal mines, expounding the distribution characteristics and evolution process of secondary migration and accumulation range of residual gas, enriching and perfecting the research theory of residual gas seepage and migration law in the process of surface extraction, gradually optimize the technical system of surface gas extraction in abandoned/coal mines, systematically upgrade the surface drilling process equipment of abandoned/coal mines, gradually realize the intelligent surface drilling process of abandoned/coal mines, and further improve the surface gas extraction process equipment of abandoned/coal mines. Research on the accurate and safe development of abandoned/closed coal mine gas resources is of great significance for improving the safety level of abandoned/closed coal mines, promoting energy structure adjustment, ensuring national energy security and promoting sustained and healthy economic development.
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0. 引 言
煤炭作为我国的主体能源地位在未来相当长的一段时间内不会改变[1]，将持久担负国家资源、经济、安全等方面的发展重任。随着煤矿自身服务年限期满和“双碳”目标的推进[2]，我国废弃/关闭煤矿数量不断增加。废弃/关闭煤矿是指由于煤炭资源枯竭、不具备开采条件、环境保护和经济效益等原因而废弃或关闭的煤矿[3]。研究指出，“十三五”期间全国累计退出煤矿5 500处左右，落后煤炭产能以每年超10亿t的速度退出，超额化解过剩产能目标，截至2023年底，我国煤矿数量已减少至4 300处左右[4-5]。据调查，我国已废弃/关闭煤矿中赋存煤炭资源量高达420亿t，非常规天然气近5 000亿m3[6-8]。与此同时，废弃煤矿的瓦斯排放量被严重低估，研究表明，预计到2060年，我国的废弃煤矿瓦斯排放量将达到（2.18±0.67）亿t/a，相当于我国人为CO2排放量预测值的1/3[9-10]。遗留瓦斯若不妥善回收利用，不仅会造成优质能源的浪费，而且废弃煤矿中的部分遗留瓦斯将沿着采动裂隙逸散至地表，造成大气污染[11-12]。全球煤矿瓦斯排放的预测表明，到2050年，废弃煤矿瓦斯占煤矿瓦斯排放总量比例将会增至24%[13]。
随着大量煤矿的停采、关闭或废弃，遗留瓦斯资源未能得到充分利用，相比生产矿井的瓦斯开发利用，废弃煤矿存在瓦斯浓度低、抽采难度大和开发程度不足等关键问题[14]。为研究阳泉矿区废弃煤矿瓦斯资源的开发潜力，刘子龙等[15]针对生产矿井采空区和废弃矿井采空区进行了协同抽采对比试验，其中永红煤矿废弃巷道的瓦斯抽采速率可达2.6 m3/min，试验结果表明，废弃煤矿仍存在大量瓦斯资源，具有较大的开发潜力。据不完全统计，受开采回采率的制约和地质条件的限制，有45%～50%的主采煤层和保护性煤柱在煤矿开采过程中遗留在井下[16]，其中蕴含大量具有较好开发利用价值和经济效益的瓦斯资源[8]。我国政府高度重视废弃煤矿瓦斯的开发与利用，明确提出要加强废弃煤矿瓦斯的抽采与利用，建设废弃矿井遗留瓦斯抽采利用示范工程，研发推广废弃矿井瓦斯抽采利用技术，但目前我国废弃煤矿瓦斯资源的开发利用仍处于探索阶段。为此，围绕废弃/关闭煤矿瓦斯资源的开发利用，深入开展理论体系构建、抽采技术研发及工艺设备优化的研究，已成为亟待解决的新难题和面临的新挑战[17]。
我国煤矿地质赋存条件复杂，废弃/关闭煤矿数量较多。然而，废弃/关闭煤矿瓦斯抽采利用研究起步较晚、基础理论研究相对薄弱、关键技术尚不成熟、开发利用程度低、单井产量低和产业发展规模有限。因此，亟需系统梳理废弃/关闭煤矿瓦斯抽采的理论、技术及工艺设备的研究现状，深入分析其在研究中存在的短板与不足，展望废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术与工艺设备的未来研究方向，为我国废弃/关闭煤矿瓦斯资源的高效开发与利用提供科学借鉴与实践指导。
1. 废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论
1.1 瓦斯赋存与富集理论
1.1.1 瓦斯赋存规律
废弃煤矿原始地质条件长期、频繁地受开采扰动影响，导致遗留空间形态复杂、遗留瓦斯资源二次动态成藏[18]。废弃煤矿遗留瓦斯资源按来源可划分为主采煤层遗煤、未开采煤层、残留煤柱等遗留煤炭资源中的赋存瓦斯，赋存状态主要为游离态和吸附态。
精准掌握废弃煤矿瓦斯赋存特征及运移规律是提升瓦斯抽采效率的关键环节。受煤层采动作用的影响，工作面上覆岩层发生垮落、位移和弯曲变形等行为，形成复杂的采动裂隙场，成为瓦斯和水等流体运移的有效通道[19]。矿井中瓦斯流动方向一般是由高压力、高浓度区域向低压力、低浓度区域运移，在开采结束后的一段时间内，废弃煤矿采空区成为遗留瓦斯富集的有效区域，且瓦斯呈现向采空区顶部逐渐流动的特征[20]。因此，掌握废弃煤矿瓦斯赋存及运移规律的关键在于精准定位废弃煤矿遗留瓦斯赋存区域，并明确废弃/关闭煤矿瓦斯的储运路径。
1）废弃/关闭煤矿遗留瓦斯赋存区域。冯国瑞等[21]结合废弃矿井永安煤矿的地质条件，提出了确定废弃矿井采空区瓦斯流动空间的方法，利用物理模拟和注气实验研究了废弃矿井采空区瓦斯运移情况，确定了采空区流动空间自下而上可分为瓦斯高浓度区、瓦斯过渡区、瓦斯富集区和瓦斯非流区（图1）。杨兆彪等[22]基于数值模拟和相似试验的方法，将屯兰煤矿12501废弃工作面遗留瓦斯扰动赋存空间划分为底板裂隙区、重新压实区、导气裂隙区及承压区（图2），结果表明底板裂隙区深度是开采煤厚的5.58倍，承压区煤层原始应力远小于开采后煤层应力，导气裂隙高度为开采煤厚的11.7倍，其导气裂隙区的确定为遗留瓦斯的开发提供了有利条件。
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2）废弃/关闭煤矿瓦斯储运路径。林柏泉等[23]提出了一种废弃矿井多源多面条件下瓦斯储运路径反演方法，利用数值模拟软件建立与废弃矿井真实采区、地质数据等高度对应的废弃矿井三维模型，以数值模型渗透率−现场工程瓦斯钻孔抽采量建立时空对照矩阵，利用数学计算方法进行一致性检验，结合Python与FLAC3D精确反演废弃矿井全局瓦斯储运路径。基于“三带”发育理论和瓦斯吸附机理，尹志胜等[24]研究了废弃矿井近水平煤层单采空区与倾斜煤层相邻采空区瓦斯运移及富集规律。结果表明，近水平与倾斜煤层下采空区内瓦斯分别经垮落带裂隙向上方向和沿着煤层上倾方向运移至采空区上部断裂带区域，均在断裂带处形成瓦斯富集区（图3）。基于煤层双重介质中瓦斯赋存状态的运移规律与时变扩散规律，以及瓦斯在废弃矿井采空区内的非线性渗流特征，杨康等[25]分析得出瓦斯压力与煤层基质压力、扩散系数的关系，瓦斯产量受开采井的布置、负压和开采时间的影响情况，并对地面井位优化布置和废弃采空区瓦斯富集开采进行了预测。韩保山[26]分析得出煤层的渗透率和孔隙率、原地应力，以及气体的密度、压缩系数和黏度等均对瓦斯储层属性有一定的影响，揭示了瓦斯空间赋存分布规律、瓦斯运移机理，以及吸附气与游离气之间相互转化机理。
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1.1.2 瓦斯富集评估
遗留瓦斯资源储量的富集评估是开展废弃/关闭煤矿瓦斯抽采的前提条件，能够有效判断该废弃煤矿瓦斯抽采的必要性和可行性。目前，国内学者针对废弃煤矿瓦斯资源评估构建了多种评估方法，用于估算废弃煤矿遗留瓦斯含量。其中，主要评估方法包括下降曲线法、资源构成法、物质平衡法和分源叠加法等。
1）下降曲线法。基于瓦斯解吸/吸附和“三带”理论，韩保山等[27-28]对废弃煤矿瓦斯资源量的计算范围进行探讨，提出了横向/垂向瓦斯资源量计算范围的方法，横向可根据采动影响角确定，纵向可根据实测残余瓦斯压力曲线确定，使用甲烷涌出速度对时间的下降曲线预测了废弃矿井瓦斯总资源量。
2）资源构成法。基于对煤炭开采后覆岩变形破坏特征的研究，孟召平等[29]利用理论分析与数学推导的方式，采用吸附气与游离气的资源构成法对废弃煤矿瓦斯资源量进行了评估。在资源构成法的基础上，王阳等[30]分别利用采空区瓦斯资源量预测数学模型和体积法评估了采空区和原位瓦斯资源量，认为采空区瓦斯与原位瓦斯共同构成了废弃/关闭瓦斯资源。以国内某废弃矿井为例，李袭明等[31]采用资源构成法对废弃矿井瓦斯资源进行评估，将不同状态的瓦斯进行划分，计算得出了瓦斯资源总量，并对瓦斯抽采可行性进行了评估。
3）物质平衡法。围绕废弃/关闭煤矿瓦斯的构成、瓦斯抽采和瓦斯逸散情况，张培河[32]阐述了遗留瓦斯资源可视为煤层原始瓦斯在经历煤炭开采过程中被抽采、煤矿关闭后沿导通裂隙逸散后的剩余瓦斯，以此来预测遗留瓦斯资源量。
4）分源叠加法。以焦作矿区为例，基于“资源估算+初步评价”的思路，刘小磊等[33]构建了瓦斯资源评价模型（图4），按照保有量与遗煤量的比值和关闭时间的关系，x轴与y轴交叉关联，将资源划分为16个类型，找出了具有开发价值的瓦斯富集区域。秦伟等[34]根据瓦斯来源建立了老采空区瓦斯储量预测模型，考虑导气裂隙带与卸压解吸带高度，结合阳泉三矿的生产地质条件，利用分源法预测老采空区瓦斯储量为3 078万m3。
为了更好地对比分析上述4种评估方法的特点，将其计算公式、优点和局限性进行了对比，对比结果如表1所示。
表 1 遗留瓦斯资源主要计算方法与优缺点Table 1. Main calculation methods for legacy gas resources with advantages and disadvantages方法 计算公式 参数 优点 局限性 下降曲线法[27-28] Qv=Qi(1+bDit)(−1/b) Qv为t时瓦斯涌出速度；
Qi为初始涌出速度；
b为双曲指数；
Di为初始下降率；
t为关闭时长可预测瓦斯涌出量，所需资料少，计算方法简单 需对瓦斯释放全程进行精确检测 资源构成法[29] Q=Gx+Gy+Gz Q为遗留瓦斯资源量；
Gx为吸附气量；
Gy为游离气量；
Gz为溶解气量计算方法简单，准确性高 数据要求高，需要大量废弃煤矿资料 物质平衡法[32] Q=Qy-Qc-Qx Qy为矿井初始瓦斯量；
Qc为抽采瓦斯含量；
Qx为逸散的瓦斯含量评估原理简单 准确性低，逸散资源参数获取困难 分源叠加法[33] Q=Qy+Qb Qy为开采遗煤及煤柱释放瓦斯量；
Qb为未采煤层及围岩释放瓦斯量思路简单，所需参数相对较少，实用性强 参数获取困难，且不考虑瓦斯逸散 1.2 瓦斯抽采及运移理论
煤矿废弃或关闭后，受其复杂地质和开采历史影响，井下情况如同“黑匣子”般持续发生动态变化。同时，由于大多数废弃/关闭煤矿年代久远，相关生产资料缺失或不完整，使得开展废弃/关闭煤矿瓦斯抽采的研究相对困难。因此，研究人员通常采用数值模拟或相似模拟的方法，针对废弃/关闭煤矿采空区瓦斯抽采及运移规律开展研究。
1）废弃/关闭煤矿地面钻井抽采井位的布设选择。基于瓦斯流动方程和双孔隙度模型，郑贵强等[35]以沈北某废弃矿井为例，利用COMSOL软件，结合自动井位优化算法数值模拟了瓦斯抽采过程，提出了井位判识措施，实现了自动搜索预设井位附近高产瓦斯位置的功能，分析了水平、垂直及井底负压3种不同抽采条件下不同井位参数对产气量的敏感性，得出废弃矿井采空区地面钻井井位应处于“O”形圈内。秦伟等[36]在阳泉煤矿进行了地面直井瓦斯抽采试验，其中1号直井位于“O”形环裂隙带内，抽采226 h后，气体流量可达3.77 m3/min，瓦斯抽采总量达到33 000 m3。结果表明直井抽采井位在“O”形圈裂隙带内，直井的控制范围和抽采流量最大，故“O”形圈裂隙带是地面直井瓦斯抽采的最优布设区域（图5）。在考虑直井最佳位置时，应考虑采空区埋深等因素对瓦斯利用及浓度的影响。
2）废弃/关闭煤矿地面直井抽采瓦斯渗流及运移规律。冯国瑞等[37]数值模拟了地面钻孔瓦斯抽采情况，瓦斯富集区域类似“蟹壳”状（图6），各采空区顶部瓦斯富集带的分布范围大于底部，并随着距采空区原点距离的增大而减小。同时，通过钻孔从邻近采空区提取瓦斯，在抽采井负压作用下，被抽走的瓦斯在抽采井内形成压力梯度，促使相邻采空区的瓦斯通过煤柱向抽采井运移。
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3）废弃/关闭煤矿瓦斯抽采可行性评价。杨明等[38]以晋城矿区古书院矿为研究背景，构建了博弈论−模糊综合评价指标模型，采用博弈论、熵值法及层次分析法组合赋权，对比验证了博弈论−模糊综合评价法的准确性和合理性。研究结果表明，瓦斯资源条件和保存条件权重高，地面钻孔抽采瓦斯的浓度和地下水灾害对废弃矿井瓦斯抽采影响程度较高。
2. 废弃/关闭煤矿瓦斯抽采技术及工艺设备
我国在矿井瓦斯开发勘探方面历经了40年的探索与实践，积累了丰富的抽采工艺、装备研发及标准制定等方面的经验，形成了一套具有自主创新的特色技术体系[39-40]。但废弃/关闭煤矿瓦斯抽采仍处于探索研究阶段，其在抽采技术及工艺设备方面仍存在短板与不足。
2.1 瓦斯抽采技术
废弃/关闭煤矿受地质条件、采空区结构、瓦斯富集区分布等因素影响，不同的地面钻井抽采技术之间存在差异。我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采技术一般采用地面直井和“L”型井瓦斯抽采2种技术。
2.1.1 地面直井瓦斯抽采
1）直井抽采结构
以废弃/关闭矿井采空区为中心，采动区裂隙为通道，采用地面直井方式进行抽采。由于采空区既是应力释放区，也是低瓦斯压力区，使得瓦斯逐渐向采空区运移并聚集[7,30]。废弃矿井地面直井常采用三开设计、两级固井、割缝完井的结构设计，三开位置位于瓦斯富集的断裂带。
针对废弃矿井采空区瓦斯地面钻井抽采，孟召平等[41-42]在晋城矿区进行了技术探索，将地面直井结构由原来的二开结构优化成三开结构（图7），钻进深度延伸至采空区上方断裂带（即裂隙发育区）对遗留瓦斯进行了抽采，该技术在山西省西山矿区得到了推广利用。以山西晋城岳城矿为例，周显俊等[43]对比了房柱式采煤与长壁式采煤形成的采空区空间形态，分析了地面直井最优钻井区域，优化了采空区井抽采系统，增加了排水泵抽采井底积水，将排水管与二开固井套管之间环形空间连接瓦斯抽采泵，实现排水排气一体化抽采技术。于志军等[44]对呼鲁斯太矿区废弃矿井乌兰特矿瓦斯抽采利用技术进行了探究，利用地面卸压钻孔瓦斯抽采技术，卸压孔布置为非均匀布井，卸压孔井身均为三开井身结构，地面直井抽采过程中，需对套管进行疏通补修，以防变形和堵塞，未采动区域进行压裂改造来增大单井瓦斯产量。
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2）直井抽采模式
山西蓝焰煤层气公司创立了“采煤采气一体化”的煤矿瓦斯治理新模式，提出了地面采前预抽、采动抽采、采后抽采（废弃矿井采空区煤层气抽采）“三级模式”，建立了包括靶区优选、抽采井设计、安全钻井、地面抽采、管网集输和分级利用等在内的完整开发利用体系，初步形成适应废弃矿井采空区的地面钻井、抽采、利用工艺和技术体系。王阳等[30,45-46]分析了关闭煤矿阳泉−晋城矿区瓦斯资源特征及抽采模式，采用地面直井采空区瓦斯与水平邻近原位瓦斯合采和过采空区下部瓦斯抽采的抽采模式（图8），通过对已采和未采煤层进行射孔压裂，有效提高了瓦斯渗透性，对于过采空区瓦斯抽采，通过独立压裂井进行压裂，显著提升了瓦斯抽采产量。
2.1.2 地面“L”型井瓦斯抽采
1）生产矿井“L”型井
废弃/关闭煤矿地面“L”型井的井身结构亦为三开结构，与直井不同的是三开位置揭露于采空区空间，并采用割缝筛管护壁。采后地面“L”型井与采前、采中地面“L”型井瓦斯抽采的布置位置和增透方式均不相同。采前地面“L”型井布置于前期规划区，通常在工作面开采前进行瓦斯预抽采，井段置于煤层中，基本不易受到破坏，瓦斯流通性较好，但需要人为增透，提高煤层透气性；一般煤层顶板分段压裂水平井抽采瓦斯，结合“U”型或“L”型井水平段布置于煤层中，进行煤层分段水力压裂，达到瓦斯储层改造效果，再对接直井或“L”型井采用排水降压工艺抽采煤层瓦斯[47-48]；采中“L”型井布置于采掘准备区，且在工作面推过至水平段附近时开始进行瓦斯抽采，对井型结构要求采动过程中不影响“L”型抽采瓦斯的流通性，采动过程中通过采动卸压产生的增透效应，无需人为干预[49]。综上所述，针对不同开采时期“L”型井的布置区域、运行时间、井段要求、抽采工艺和抽采机理比较如表2所示。
表 2 不同开采时期“L”型井比较Table 2. Comparison of “ L ” type wells in different mining periods时期 布置区域 运行时间 井段要求 抽采工艺 抽采机理 采前 远景规划区 工作面开采前对煤层瓦斯预抽采 直井段：无采动防护要求；
水平段：一般置于煤层排水降压
抽采工艺水力压裂增透 采中 生产采动区 工作面推进至水平段附近开始抽采 直井段：要求保证采动时井筒畅通；
水平段：置于煤层顶板岩层中负压抽采工艺 采动卸压增透 采后 废弃/关闭
采空区工作面开采结束后对采空区瓦斯抽采 直井段：要求井筒固定，防止套管变形；
水平段：置于采空区空间负压抽采工艺 水力压裂增透 2）废弃矿井“L”型井
针对废弃矿井瓦斯地面钻井瓦斯抽采技术问题，以山西省某废弃矿井为示范区，结合井下高位钻孔开发技术以及地面直井开发技术的优缺点，王争等[50]提出了一种“L”型井身结构（图9），其井身轨迹为直线−曲线形式的单孔底定向孔，选取采空区周边一定距离的保安煤柱为“L”型井位，并配备特殊钻井工艺设备，能最大限度开发瓦斯资源，增大采空区揭露空间和单井瓦斯抽采浓度。
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淮河能源煤层气公司在淮南的关闭煤矿潘一东矿，采用了三开结构的“L”型水平试验井，其PX2-2水平井位于3煤层顶板，通过排出煤层水将煤层压力降至临界解吸压力之下，使甲烷从煤基质内表面解吸出来，经基岩和微孔隙扩散逐渐进入割理、裂隙流向井筒，最后从井口产出，其抽采管道轨迹如图10所示，表明“L”型水平井亦可用于关闭煤矿采空区瓦斯抽采。
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图 10 潘一东瓦斯“L”型抽采管道轨迹示意图Figure 10. Trajectory diagram of “ L ” type coalbed gas drainage pipeline in Panyidong Coal Mine地面“L”型水平井在废弃/关闭煤矿瓦斯抽采中应用较为广泛，其具有技术难度低、钻井成本相对较低的优势，尤其适用于地质构造简单、埋深适宜及煤矿资料较为完备的废弃矿井采空区群。目前，我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采技术总体处于起步阶段，大部分研究仍集中于废弃煤矿瓦斯直井抽采的基础研究阶段，相关政策支持和技术体系亟待加强，深度开发与高效利用仍需进一步探索和研究[51-52]。
2.2 瓦斯抽采工艺设备
废弃煤矿瓦斯抽采主要采用地面钻井方式，但由于废弃煤矿工程条件复杂、地质条件多变及相关资料丢失，地面钻井施工难度较大，对工艺设计和设备选型的要求较高。因此，对地面钻井工艺设备与地面瓦斯抽采工艺设备进行归纳分析，以期为废弃煤矿瓦斯抽采工艺设备的研发与优化提供借鉴。
2.2.1 地面钻井工艺设备
1）生产矿井
针对生产煤矿地面钻井施工，常采用双管双循环携岩钻井、清水注气欠平衡钻井及水力喷射径向井钻井等工艺[39,53]。双管双循环携岩钻井是为防止煤层井壁失稳大块岩石掉落造成堵塞、引起环空憋堵，在立管中和外层套管与内层套管中间各注入钻井液，使用射流发生器相关部件进行转向，实现双循环流体上返，提高携岩能力，保证钻井过程中井眼清洁[54-55]。欠平衡钻井技术通常与水平井和分支井相结合，以提高施工效率和效果。此外，雾化钻井、泡沫钻井及微泡欠平衡钻井等形式亦被广泛应用。清水注气欠平衡钻井通过对双井筒结构进行注气，气体与钻井液结合形成气液两相流，钻井过程中混合液由于井底压力小于地层压力而有控制地进入井筒循环排出至地面。该钻井工艺能有效解决护壁堵漏及储存保护问题[53,56]。水力喷射径向井钻井是通过水力射流钻头产生的高压水力对岩石进行破碎，高压水力可辐射出不同深度和范围裂隙，增大煤岩层透气性，但水力喷射无法较好对井眼轨迹进行控制，分支延伸较短的问题[57]。通过借鉴和结合生产矿井的钻井工艺，对废弃煤矿钻井工艺进行优化，以提高钻井成功率和废弃煤矿瓦斯的产出率。
2）废弃矿井
① 废弃矿井地面直井钻井施工。赵向东[42]采用的钻井工艺为利用气体压缩机将压缩空气作为井内循环介质进行一开和二开两段式钻井，防止钻井液泄露以及泥浆堵塞产气裂隙。然而，三开钻井过程中压缩空气与瓦斯混合后，易产生爆炸，须配备膜制氮设备（膜分离制氮机）产生工业氮气，压入钻杆中进行三开钻井，有效地抑制瓦斯爆炸。同时选用小钻压吊打方式进行小泵量、小钻压及低转速钻井来确保钻孔过程中的稳定性，并采用不同的冲孔方法有效减少钻孔过程中卡钻、掉块等复杂情况。HU等[58]在废弃煤矿永安矿区采用的钻井工艺为在一开处使用高强度、低密度的水泥将无缝短桩固定于井壁上；二开处引入无缝管，同样用水泥密封在含水层；三开处对瓦斯进行抽采，采用开槽管，防止井壁坍塌堵塞采空区的气流通道。晋城矿区在废弃矿井地面钻井过程中，采用潜孔锤+压缩空气（氮气）的钻井工艺，潜孔锤连接钻杆的最下端，钻机带动钻杆回转，压缩空气通过钻杆进入潜孔锤产生冲击力，对岩石进行破碎。潜孔锤的外径小于钻孔直径，达到钻进更深的效果。该工艺一方面利用压缩氮气代替空气作为揭露含气断裂带的循环介质，有效抑制瓦斯爆炸，提升安全性；另一方面能够避免钻井液堵塞断裂带的气体流动通道，以确保瓦斯顺畅抽采（图11）[45]。
② 废弃矿井地面“L”型井钻井施工。受煤层开采扰动影响，地层裂隙复杂且形态多变，采用泥浆或氮气钻井工艺的常规钻机，易造成钻井液漏失或氮气稀释瓦斯浓度使瓦斯浓度降低。王争等[50]针对地面“L”型钻井施工作业，设计了一种微泡沫欠平衡钻井工艺，有效减少了钻井液的漏失，并对粉状岩屑有较强的清洗能力，可避免空气进入安全揭露采空区。同时，利用电磁波随钻测量系统在地面钻井过程中进行了定向钻井，但其易受地层电阻影响导致钻井精度下降。因此，该工艺对废弃矿井的地质条件要求较高。
受不同煤矿地质条件的影响，煤矿地面钻井工艺的选型决定着钻井的成功与否，表3统计了我国废弃与生产煤矿常用钻井工艺的优缺点。
表 3 废弃与生产煤矿钻井工艺对比Table 3. Comparison of abandoned and production coal mine drilling technology类别 工艺类型 优点 缺点 生产煤矿钻井工艺 双管双循环携岩钻井 携岩能力高，确保井眼清洁，钻井安全性高，保护储层 技术要求高，工程应用较少 清水注气欠平衡钻井 防止护壁堵漏，储层伤害有效控制，减少储层钻井污染 钻井成本高，安全隐患大，易造成地层损害 水力喷射径向井钻井 破岩钻孔能力强，下钻速度快，施工周期短，见效快 井眼轨迹难控制，对地质条件要求高 废弃/关闭煤矿
钻井工艺水力喷射钻井 破岩能力强，下钻速度快，安全系数高 积水易堵塞瓦斯运移通道，地质条件要求高 压缩气体钻井 防止钻井液泄露和泥浆堵塞裂隙，有效减少卡钻、掉块 制氮成本高，气体与瓦斯混合易产生爆炸 潜孔锤+压缩气体钻井 破岩钻孔能力强，钻井深度深，防止钻井液和泥浆堵塞裂隙 技术要求高，钻井成本高，易产生爆炸 2.2.2 地面瓦斯抽采工艺设备
1）生产矿井
对于生产煤矿地面瓦斯抽采，常采用真空泵负压直抽、瓦斯回注水抽采、卸压瓦斯抽采等。在地面瓦斯抽采中，真空泵负压抽采是一种常见且高效的瓦斯抽采工艺，利用真空泵产生的负压差，通过降低煤层压力，促使瓦斯解吸并沿着煤体微裂隙向负压区域（抽采井）流动[59]。真空泵作为负压抽采工艺中的核心设备，一般根据工艺需求及适用场景进行选取可分为水环真空泵、罗茨真空泵和旋片式真空泵等。该工艺既提高了瓦斯抽采效率又可快速降低煤层瓦斯压力，但对负压的要求较高，即负压过高时可能会引发煤层塌陷或空气漏入。瓦斯回注水抽采工艺通过将沉淀、过滤后的产出液回注到井底，加快井筒内水流速度，通过稀释煤粉有效降低了区块内因煤粉沉积而造成的泵堵、卡泵等现象的发生，保证抽采井的连续、稳定生产[39,60]。地面卸压瓦斯抽采基于采动导致的应力释放和煤层中产生的“卸压增透增流”效应，通过下煤层开采卸压增强上煤层的透气性，打破煤层瓦斯的原始赋存平衡，使邻近煤层瓦斯解吸和涌出，再将开采导气裂隙带的瓦斯抽出[61]。该工艺不但降低煤层压力，加速瓦斯解吸，提高瓦斯抽采效率，而且有效预防瓦斯突出的危险。
2）废弃矿井
废弃/关闭煤矿瓦斯抽采工艺要求实现瓦斯能够长期、稳定、缓慢及连续地抽采，但由于废弃煤矿自身的特殊性，瓦斯抽采过程中常难达到预期效果。王争等[50]设计了变频功能和PLC(Programmable Logic Controller)控制系统增压机组等设备进行负压抽采，其设备实现了定量控制流量与负压的改变。同时，整个抽采工艺增加了安全系统。例如，防回火装置、单向阀及监测系统等，可有效降低抽采过程中瓦斯爆炸的风险，并多角度、全方位监测监控抽采过程，保障瓦斯抽采设备的稳定性和抽采过程的安全性。朱大志等[62]阐述了大隆煤矿已开采结束煤层或采区的封闭采空区瓦斯地面直井抽采技术，为解决瓦斯流量小的问题，采用矿用水环真空泵强抽技术，待瓦斯浓度提高后，拆除泵后瓦斯能够自行涌出。沁水盆地南部的晋城矿区废弃矿井对瓦斯利用真空泵、螺杆增压机等设备进行负压抽采，通过人为改变压降，瓦斯在压降的作用下运移至抽采设备。其中，专用负压抽采机组中通过电机驱动风扇转动降低热量，并对进气流量进行变压调节，排气流量进行自动调节，设置安全阀防止气体压力过高，使得抽采机组发生故障。抽采过程中，单井抽采瓦斯混合气含量可达500～5 000 m3/d，且瓦斯体积分数可达30%～90%，大多数钻井抽采瓦斯浓度高达80%以上[41-42,45]。
地面瓦斯抽采工艺的选择对于瓦斯的高效抽采尤为重要，合理地选择抽采工艺设备，有利于降低经济成本且延长生产时间，提高瓦斯抽采效率。表4为我国废弃与生产煤矿抽采工艺对比。
表 4 废弃与生产煤矿抽采工艺对比Table 4. Comparison of abandoned and production coal mine extraction process类别 工艺类型 优点 缺点 生产煤矿
抽采工艺真空泵负压直抽 瓦斯抽采效率高，适应性强，系统简单、运行可靠，高效降压 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，对煤层渗透性要求高，设备能耗较高，设备维护工作量大 瓦斯回注水抽采 瓦斯抽采效率高，降低泵堵、卡泵等现象的发生，实现连续、稳定生产，节约成本 排水处理成本高，除水难度大，工艺控制要求高，压力与回注量需精确调节，初期设备投入成本高 卸压瓦斯抽采 瓦斯抽采效率高，降低瓦斯突出、爆炸的危险 受环境影响导致抽采效果受限，密封性要求高，瓦斯抽采不均，初期设备投入成本高，设备维护工作量大 废弃/关闭煤矿
抽采工艺增压机组负压抽采 瓦斯抽采效率高，负压控制灵活，降低电能损耗，技术成熟 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，初期设备投入
成本高，设备维护工作量大真空泵强抽采 瓦斯抽采效率高，快速响应需求，解决瓦斯流量小的问题 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，设备能耗较高，设备维护工作量大 3. 研究存在问题及未来方向
3.1 我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采存在的问题
为助力实现“双碳”目标，加强废弃煤矿瓦斯的抽采与开发利用对能源行业降碳、减碳、控碳及增能等方面具有重要意义。总体来看，尽管我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采领域的研究已取得诸多的新理论、新技术及新设备方面的研究成果，但仍存在一些亟待深入研究和解决的问题。
3.1.1 瓦斯抽采理论存在的问题
废弃/关闭煤矿瓦斯抽采科学理论研究欠缺，基础理论研究薄弱。针对瓦斯资源赋存空间和机理、瓦斯资源精准评估、瓦斯次生运移和动态聚集规律、抽采时瓦斯渗流及分布规律的理论研究存在的不足，具体体现在4个方面：
1）遗留瓦斯资源赋存空间和机理不明。废弃/关闭煤矿受复杂地质条件影响、矿井开拓开采布局及时空顺序相互作用、生产资料的缺失，导致废弃/关闭煤矿遗留瓦斯赋存空间难以判识。地下煤岩的渗透率和孔隙率，以及瓦斯的密度、压缩系数和黏性系数等因素，均对瓦斯的赋存特征产生一定影响。矿井废弃/关闭后，受采动作用的影响，邻近煤层中赋存大量瓦斯，但缺乏有效监测手段，增大了研究遗留瓦斯赋存机理的难度。此外，现有研究较少考虑废弃矿井岩层移动的时效性对瓦斯赋存特征的影响，进一步限制对瓦斯赋存特征的深入理解。
2）遗留瓦斯资源量评估不精准。首先，由于煤矿封闭质量差、井下开采条件复杂、服务和关闭年限较长等因素，导致大量瓦斯逸散，瓦斯浓度显著降低，直接影响瓦斯资源量的准确预测。其次，由于瓦斯评估数学模型所需参数难以获得且参数精度要求高，遗留瓦斯资源量计算过程中易产生较大误差；同时，不同模型的使用条件和计算范围上存在差异，适用性较低。最后，废弃煤矿瓦斯资源储量评估研究多集中于单一工作面开采后的情况，相对复杂巷道群和采空区群条件下瓦斯资源的评估研究较缺乏。
3）遗留瓦斯次生运移和动态积聚规律不清。受历史开采扰动的影响，煤矿停采后，采场空间内不同遗煤应力路径演化特征对瓦斯解吸机理的影响尚未完全厘清，影响对遗留瓦斯次生富集与成藏规律的判识。矿井积水进一步减少了井下储气空间，且岩层裂隙的动态演化较为复杂，废弃矿井巷道和遗留煤柱的连通性对瓦斯的阻隔作用等，均影响瓦斯的渗流及运移。此外，裂隙场、巷道、遗留煤柱和地下水等要素之间对瓦斯次生运移的相互作用关系，目前仍缺乏系统研究。
4）遗留瓦斯抽采渗流及分布规律研究不充分。目前，废弃矿井瓦斯抽采渗流及分布规律的研究主要集中于单一煤层、单一工作面的开采条件下，而针对多煤层多工作面开采条件下废弃煤矿瓦斯渗流及分布规律的研究缺乏。采空区积水对废弃/关闭煤矿遗留瓦斯渗流规律的影响尚不明确，尚未开展水−岩或水−气−岩相互作用对瓦斯抽采过程中渗流及分布规律影响的系统研究。
3.1.2 瓦斯抽采技术及工艺设备存在的问题
针对废弃/关闭煤矿瓦斯抽采关键技术、工艺设备以及瓦斯抽采系统的研究存在的不足，具体体现在3个方面。
1）废弃矿井瓦斯抽采关键技术不成熟。废弃矿井瓦斯抽采井位的选择较为盲目，缺乏完善的理论支持、技术指导和现场经验积累。废弃煤矿采空区地面抽采钻井井位判识研究、井型的设计及优选研究薄弱，且瓦斯抽采可靠性评估尚未引起足够重视。在采空区多源扰动作用下，地面钻井抽采井位−井型与采空区条件的适配性研究相对欠缺。废弃/关闭煤矿地面钻井井型−井位受工程条件和地质条件的影响较大，但目前国内地面钻井井型的选择以满足工程需求和经济效益为主，主要为三开直井，井型结构单一，针对废弃/关闭矿井井型−井位的选择缺乏系统研究。
2）废弃煤矿地面钻井工艺设备不全面。部分地质条件复杂的废弃煤矿，若采用地面水力钻井工艺，钻井过程中易出现塌孔、钻井液泄露和泥浆堵塞裂隙等问题，用于维持钻孔壁稳定及堵漏的设备种类较少且性能不足。我国废弃煤矿地面钻井工艺一般采用技术要求高的压缩气体（氮气）钻井工艺，但存在钻井井眼轨迹难以控制、制氮成本较高和性价比低等问题。压缩气体与瓦斯混合时易产生爆炸，存在较高的危险性。在地面钻井过程中，关于提高煤岩透气性的研究较少，且缺乏有效的现场应用，与生产煤矿地面钻井工艺相比，废弃煤矿地面钻井工艺设备仍需进一步改进和完善，以适应其独特的技术需求和复杂的地质条件。
3）废弃煤矿瓦斯抽采系统不完善。目前，瓦斯抽采通常采用负压系统，但负压强度的选择对抽采效果具有重要影响：负压过高或过低均可能导致抽采效率下降。在抽采过程中容易出现瓦斯泄漏、空气混入及气体压力变化等问题，导致单井瓦斯浓度和产量偏低，限制瓦斯资源的利用途径。因此，针对瓦斯抽采系统的优化与完善研究尤为迫切，以提升系统的稳定性和瓦斯抽采的效率与质量。
3.2 未来研究方向
目前，关于废弃/关闭煤矿遗留瓦斯抽采与开发相关方面的研究方兴未艾，研究体系尚未健全，理论和技术基础相对薄弱。因此，基于上述对废弃/关闭煤矿瓦斯抽采研究中存在问题的分析，从废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术及工艺设备等方面提出以下建议。
1）揭示不同影响因素下的遗留瓦斯资源赋存特征与运移机理。基于废弃高瓦斯煤层地质赋存特征、矿井开拓开采时空顺序，分析废弃巷道、采空区及遗留煤柱的分布情况，揭示井下空间结构的特征，研究井下空间结构对遗留瓦斯赋存、运移的影响机理。结合废弃/关闭工作面围岩裂隙场与渗流场的动态变化特征，探讨地下水对裂隙场与渗流场的影响机理及瓦斯在煤岩中渗流的主要控制因素，精准识别多因素协同作用下废弃煤矿遗留瓦斯资源的赋存特征，为瓦斯资源的开发利用提供科学依据。
2）构建废弃煤矿遗留瓦斯资源精准预测理论模型。针对废弃矿井不同的地质条件，基于MATLAB软件平台开发相应的数字图像处理以及分析程序，对废弃矿井采空区和巷道等储气空间的分布特征进行定性/定量研究。综合考虑废弃煤矿井下各空间的连通性和封闭程度、地下水堵塞裂隙的情况、煤矿废弃时间等关键影响因素，深入探讨废弃煤矿瓦斯储层特征和富集规律。在此基础上，构建废弃矿井瓦斯资源精准预测数学计算模型与理论框架，提出全面、系统且科学的遗留瓦斯资源精准评估方法，实现对废弃矿井遗留瓦斯资源量的高精度评估。
3）阐明遗留瓦斯次生运移积聚范围分布特征及演化过程。基于废弃煤矿采空区结构与地质条件的复杂性，阐明时间和空间尺度下的瓦斯积聚特征、二次成藏机理和地下水对瓦斯在裂隙场中渗流的影响；结合图像识别技术，通过统计并分析采动围岩破断裂隙几何形态参数（如面积、长度、开度等），建立历史开挖过程中的煤岩横纵裂隙瓦斯−水两相流动模型，分析瓦斯与水两相流特征及渗流速度分布及动态变化规律。研究遗留瓦斯在气−固−液耦合作用下的次生运移及动态积聚规律，通过数值模拟方法再现遗留瓦斯次生运移的聚集范围分布特征及其演化过程。
4）丰富完善地面抽采过程中遗留瓦斯渗流及运移规律研究理论。深入研究废弃煤矿瓦斯抽采科学理论，采用数值模拟和相似试验的方法，分析单一（多）煤层单一（多）工作面下不同井型、不同井位和不同终孔位置地面钻井抽采效果，利用控制变量法探究正交模拟或试验下的地面钻井有效抽采半径和气体流动特征，研究地面钻井抽采条件下瓦斯流动状态，对瓦斯流动区域进行分级，模拟得出废弃矿井遗留瓦斯富集分布状态，形成一套废弃煤矿地面钻井井型、井位和终孔位置等精准判识体系，丰富完善地面钻井遗留瓦斯抽采理论。
5）逐步优化废弃煤矿地面瓦斯抽采技术体系。井型设计应从传统单一垂直井抽采向多样化方向发展，分析废弃煤矿“O”形圈裂隙带地面钻井抽采井位布置的最佳区域，获取地面钻井抽采合理布置井位的方法，提升井筒的稳定性，保证瓦斯抽采过程持续且顺畅。通过制定废弃煤矿瓦斯抽采条件评价体系和抽采优化布置的方案，揭示废弃矿井瓦斯抽采技术与瓦斯抽采效率的相关性，建立适应不同复杂地质条件下的废弃煤矿瓦斯地面抽采技术体系。
6）系统升级废弃煤矿瓦斯地面钻井工艺设备。为提高单井瓦斯浓度与产量，需改进废弃矿井地面水力钻井与压缩气体钻井工艺，其中包括对钻井压力、钻井液流速、流量和喷嘴直径等关键参数的优化。针对钻井液配方的改进，提升钻井液的携砂能力、润滑性和冷却性能，有效防止钻井液和泥浆堵塞裂隙和钻孔，同时在钻井液中添加适量的黏度调节剂、抗高温剂和裂隙修复材料，提高钻井液的适应性和稳定性，有效预防钻井塌孔和瓦斯爆炸。
7）逐步实现废弃煤矿地面钻井工艺智能化。以大数据、人工智能、物联网和数字孪生技术为核心，逐步实现钻井过程的自动化、数字化、智能化、无人化和安全化，开发拥有智能随钻测量技术和导向钻井技术的钻机、钻头、钻杆等钻井工艺设备，通过云计算平台实现全国钻井数据和经验共享，提高行业整体效率。利用远程操控钻井钻探来控制井眼轨迹，根据不同废弃煤矿的地质条件，实现自动避让、导航、巡速钻孔等钻探功能，实时传输各项数据，为废弃煤矿后续深入研究提供资料，建立一套精准、高效、绿色的地面钻井控制系统。
8）深入改进废弃煤矿地面瓦斯抽采工艺设备。设计开发高效、节能的真空泵设备，配备智能监控系统和自动化故障诊断系统，根据实时瓦斯流量和浓度自动调节负压泵的抽采负压，确保持续、稳定和快速地瓦斯抽采，减少能耗和运行成本。研发负压泵多级迭代技术来增强抽采能力，有效应对单井瓦斯浓度低和产量小的问题，快速响应瓦斯抽采需求。
4. 结 论
在“双碳”目标的推动下，废弃/关闭煤矿的瓦斯资源开发利用成为我国能源结构优化和绿色发展的重要方向。尽管我国在废弃/关闭煤矿瓦斯开发领域开展了大量的研究，但由于废弃/关闭煤矿地质条件复杂，遗留瓦斯分布不均且部分逸散，导致瓦斯赋存空间和机理不明，资源量评估不精准，次生运移和动态积聚规律尚未厘清，抽采时瓦斯渗流及分布规律研究不充分。同时，瓦斯抽采关键技术不成熟，井型结构较为单一，地面钻井工艺设备不全面，瓦斯抽采系统亟待优化，整体研究存在系统性不足。亟需针对上述问题，构建复杂地质条件下的废弃煤矿瓦斯开发利用理论基础，揭示遗留瓦斯赋存特征及运移机理，构建遗留瓦斯量精准预测的数学模型，阐明遗留瓦斯次生分布特征及演化过程，完善遗留瓦斯抽采渗流及运移规律的理论，优化地面瓦斯抽采技术，升级地面钻井工艺设备并实现地面钻井工艺智能化，改进地面瓦斯抽采工艺设备，推动废弃/关闭煤矿瓦斯抽采利用的规模化、系统化和科学化发展，为废弃/关闭煤矿瓦斯资源的高效开发和清洁利用提供重要支撑。
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图 10 潘一东瓦斯“L”型抽采管道轨迹示意图
Figure 10. Trajectory diagram of “ L ” type coalbed gas drainage pipeline in Panyidong Coal Mine
表 1 遗留瓦斯资源主要计算方法与优缺点
Table 1 Main calculation methods for legacy gas resources with advantages and disadvantages
方法 计算公式 参数 优点 局限性 下降曲线法[27-28] Qv=Qi(1+bDit)(−1/b) Qv为t时瓦斯涌出速度；
Qi为初始涌出速度；
b为双曲指数；
Di为初始下降率；
t为关闭时长可预测瓦斯涌出量，所需资料少，计算方法简单 需对瓦斯释放全程进行精确检测 资源构成法[29] Q=Gx+Gy+Gz Q为遗留瓦斯资源量；
Gx为吸附气量；
Gy为游离气量；
Gz为溶解气量计算方法简单，准确性高 数据要求高，需要大量废弃煤矿资料 物质平衡法[32] Q=Qy-Qc-Qx Qy为矿井初始瓦斯量；
Qc为抽采瓦斯含量；
Qx为逸散的瓦斯含量评估原理简单 准确性低，逸散资源参数获取困难 分源叠加法[33] Q=Qy+Qb Qy为开采遗煤及煤柱释放瓦斯量；
Qb为未采煤层及围岩释放瓦斯量思路简单，所需参数相对较少，实用性强 参数获取困难，且不考虑瓦斯逸散 
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表 2 不同开采时期“L”型井比较
Table 2 Comparison of “ L ” type wells in different mining periods
时期 布置区域 运行时间 井段要求 抽采工艺 抽采机理 采前 远景规划区 工作面开采前对煤层瓦斯预抽采 直井段：无采动防护要求；
水平段：一般置于煤层排水降压
抽采工艺水力压裂增透 采中 生产采动区 工作面推进至水平段附近开始抽采 直井段：要求保证采动时井筒畅通；
水平段：置于煤层顶板岩层中负压抽采工艺 采动卸压增透 采后 废弃/关闭
采空区工作面开采结束后对采空区瓦斯抽采 直井段：要求井筒固定，防止套管变形；
水平段：置于采空区空间负压抽采工艺 水力压裂增透
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表 3 废弃与生产煤矿钻井工艺对比
Table 3 Comparison of abandoned and production coal mine drilling technology
类别 工艺类型 优点 缺点 生产煤矿钻井工艺 双管双循环携岩钻井 携岩能力高，确保井眼清洁，钻井安全性高，保护储层 技术要求高，工程应用较少 清水注气欠平衡钻井 防止护壁堵漏，储层伤害有效控制，减少储层钻井污染 钻井成本高，安全隐患大，易造成地层损害 水力喷射径向井钻井 破岩钻孔能力强，下钻速度快，施工周期短，见效快 井眼轨迹难控制，对地质条件要求高 废弃/关闭煤矿
钻井工艺水力喷射钻井 破岩能力强，下钻速度快，安全系数高 积水易堵塞瓦斯运移通道，地质条件要求高 压缩气体钻井 防止钻井液泄露和泥浆堵塞裂隙，有效减少卡钻、掉块 制氮成本高，气体与瓦斯混合易产生爆炸 潜孔锤+压缩气体钻井 破岩钻孔能力强，钻井深度深，防止钻井液和泥浆堵塞裂隙 技术要求高，钻井成本高，易产生爆炸
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表 4 废弃与生产煤矿抽采工艺对比
Table 4 Comparison of abandoned and production coal mine extraction process
类别 工艺类型 优点 缺点 生产煤矿
抽采工艺真空泵负压直抽 瓦斯抽采效率高，适应性强，系统简单、运行可靠，高效降压 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，对煤层渗透性要求高，设备能耗较高，设备维护工作量大 瓦斯回注水抽采 瓦斯抽采效率高，降低泵堵、卡泵等现象的发生，实现连续、稳定生产，节约成本 排水处理成本高，除水难度大，工艺控制要求高，压力与回注量需精确调节，初期设备投入成本高 卸压瓦斯抽采 瓦斯抽采效率高，降低瓦斯突出、爆炸的危险 受环境影响导致抽采效果受限，密封性要求高，瓦斯抽采不均，初期设备投入成本高，设备维护工作量大 废弃/关闭煤矿
抽采工艺增压机组负压抽采 瓦斯抽采效率高，负压控制灵活，降低电能损耗，技术成熟 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，初期设备投入
成本高，设备维护工作量大真空泵强抽采 瓦斯抽采效率高，快速响应需求，解决瓦斯流量小的问题 密封性要求高，负压过高导致空气漏入，设备能耗较高，设备维护工作量大
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