Characteristics and applications of gas resources in abandoned coal seam groups within mining areas
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摘要:
受产能过剩、资源保护、国际环境等因素影响，两淮地区关闭煤矿数量较多，但废弃矿井可利用资源丰富多样，废弃矿井瓦斯资源二次开发利用对当前社会发展具有现实意义。针对废弃矿井瓦斯资源开发中的瓦斯资源量准确预测问题，通过分析废弃矿井瓦斯的储集空间和含量特征，提出邻近上下采空区覆岩垮落裂隙空间分布形态近似2个“上下串联梯形体”；构建“先固后气−双源分步”理念(首先分水平、分块段预测剩余煤炭资源量和可采煤炭储量；其次利用分水平、分块段的煤炭资源量结合煤层瓦斯含量，预测瓦斯资源量)的废弃矿井瓦斯资源量评估模型和方法。运用建立的评估模型和方法，对淮南潘一矿废弃矿井13个可采煤层进行了剩余煤炭资源量、可采煤炭储量和瓦斯资源量的分水平、分块段的评估，采空区游离瓦斯资源量采用瓦斯卸压运移“新三带”理论，计算了13–1煤层部分采空区工作面的采空区、垮落带、导气裂隙带的游离态瓦斯资源量，采用地面L型试验井抽采了采空区下部瓦斯。研究表明：“上下串联梯形体”贯通的采空区体积大于未贯通的采空区体积；该矿剩余煤炭资源量为85 981×104 t，可采煤层煤炭资源量44 499×104 t，剩余煤炭资源量下的瓦斯资源量为
42.690334 ×108 m3，可采煤炭储量下的瓦斯资源量为22.397501 ×108 m3，采空区游离态瓦斯资源量为5612.868585 ×104 m3，抽采瓦斯总量为1 209.5×104 m3，潘一矿瓦斯资源规模较大，瓦斯资源丰富，抽采效果良好，为废弃矿井瓦斯资源利用提供方向。Abstract:Affected by overcapacity, resource protection, international environment and other factors, the number of closed coal mines in Huainan and Huaibei areas is large, but the available resources of abandoned mines are rich and diverse. The secondary development and utilization of gas resources in abandoned mines is of practical significance to the current social development. Aiming at the problem of accurate prediction of gas resources in the development of gas resources in abandoned mines, by analyzing the reservoir space and content characteristics of gas in abandoned mines, it is proposed that the spatial distribution pattern of overlying strata caving cracks in adjacent upper and lower goafs is approximately two’ upper and lower series trapezoidal bodies '. Construct the concept of “solid before gas-dual source step by step” ( first, predict the remaining coal resources and recoverable coal reserves by level and block section; secondly, the evaluation model and method of gas resources in abandoned mines are predicted by using the coal resources of sub-level and sub-block sections combined with the gas content of coal seams. Using the established evaluation model and method, the remaining coal resources, recoverable coal reserves and gas resources of 13 minable coal seams in the abandoned mine of Panyi Coal Mine in Huainan were evaluated at different levels and blocks. The free gas resources in the goaf were calculated by using the theory of ‘new three zones’ of gas pressure relief and migration. The free gas resources in the goaf, caving zone and gas-conducting fracture zone of the working face in the goaf of 13–1 coal seam were calculated, and the gas in the lower part of the goaf was extracted by using the ground L-type test well. The research shows that the volume of the mined-out area connected by the upper and lower series trapezoidal bodies is larger than that of the unconnected mined-out area. The amount of remaining coal resources in the mine is 85 981×104 t, the amount of coal resources in the minable coal seam is 44 499×104 t, the amount of gas resources under the remaining coal resources is
42.690 334 ×108 m3, the amount of gas resources under the recoverable coal reserves is22.397 501 ×108 m3, the amount of free gas resources in the goaf is 5612.868 585 ×104 m3, and the total amount of extracted gas is 1 209.5×104 m3. The scale of gas resources in Panyi Mine is large, the gas resources are abundant, and the extraction effect is good, which provides a direction for the utilization of gas resources in abandoned mines. -
0. 引 言
我国煤矿开采主要经历了浅部煤层开采向深部煤层开采，再到矿井废弃的过程，千米以下煤炭资源量占总量的53%，浅部煤层资源即将枯竭，深部开采以每年10～25 m的速度增加。根据中国工程院重大战略咨询项目“我国煤矿安全及废弃矿井资源开发利用战略研究”成果：预计到2030年，我国关闭/废弃矿井将达到1.5万处[1–3]。目前我国已关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t、非常规天然气近
5000 亿m3。直接关闭废弃矿井采取“一刀切”的方式，势必会造成煤矿资源的浪费，同时，废弃矿井瓦斯开发具有多重价值，不仅有利于减少废弃矿井潜在瓦斯事故，也有利于补充清洁能源，优化能源结构，更有利于推进碳达峰、碳中和的目标。为了保障能源的供给，资源持续高效再利用，开发废弃矿井瓦斯资源势在必行[4–6]。林海飞等[7-8]揭示了煤层群采动后覆岩裂隙分布特征以及卸压瓦斯储运演化规律，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。杨滨滨等[9]采用数字图像处理技术，从裂隙分形维数、裂隙熵和裂隙率3个方面，研究了近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征。吴群英等[10]提出了采动上覆岩层裂隙率的计算方法和覆岩在空间上的裂隙率分布情况。张伟等[11]研究了重复采动影响下煤岩体卸压增透范围，得到了含瓦斯岩层渗透率的空间分布情况。LI D等[12]探究了采空区瓦斯资源封闭的多因素条件。孟召平等[13]在对煤炭开采覆岩变形破坏规律研究的基础上,通过理论分析和数学推导，建立了废弃矿井煤层气资源量评价模型和方法，并对某废弃煤矿采空区煤层气资源进行了评价。刘小磊等[14]依据废弃煤矿瓦斯涌出特点及废弃时间，提出了“资源估算+初步评价”的思路，建立废弃煤矿瓦斯资源估算和评价方法。CHENG M等[15]从采矿扰动地层分区的角度，提出了废弃矿井瓦斯资源评估的新方法。文光才等[16]通过分析煤层气的来源、赋存空间和关键影响因素，提出了基于“间接减法”理念的采动稳定区煤层气资源评估模型。胡长勤等[17]根据废弃矿井中不同位置的煤炭资源量、孔隙率和瓦斯体积分数，将煤矿研究区域进行划分块段研究整座煤矿瓦斯资源量。韩保山等[18]利用甲烷涌出速度对时间的曲线与甲烷的解吸速度与时间的曲线均为双曲线，提出了用下降曲线估算废弃矿井瓦斯资源量。秦伟等[19]根据老采空区瓦斯来源，利用分源法建立了基于瓦斯卸压运移“三带”理论的老采空区瓦斯储量预测模型。孟召平等[20-21]认为瓦斯资源量赋存条件不同，其瓦斯资源量评估方法不同，同时提出了当前废弃矿井煤层气抽采的面临的关键科学问题和废弃矿井瓦斯资源地面抽采的新技术。王勃等[22]认为地质条件良好，构造简单，厚煤层，煤层埋深浅，渗透率高，含气量高的废弃矿井适合采用资源构成法计算研究区内的瓦斯资源量。彭金刚[23]根据采空区瓦斯赋存状态，采用可预测区圈划原则，提出了评估单元封闭沟通判定标准，构建了采空区瓦斯资源评价体系。安徽省作为我国重要的能源化工基地，至“十四五”共关闭59座小型煤矿，淮南、淮北分别关闭24座、15座，两淮地区关闭煤矿占比66%，淮南潘一矿去产能600万t/a，是去产能最高的煤矿[24–25]。鉴于此，两淮矿区废弃矿井瓦斯开发利用，意义重大。在前人对废弃矿井领域的研究基础上，同时国家对废弃矿井瓦斯资源评价也提出了新的要求，笔者从2个方面研究废弃矿井瓦斯资源，一方面基于废弃矿井多采空区群的特点，邻近上下采空区覆岩垮落裂隙空间分布形态近似2个“上下串联梯形体”；另一方面提出基于“先固后气—双源分步”理念的废弃矿井瓦斯资源量空间评估模型。笔者以淮南潘一矿废弃矿井为研究对象，系统收集该矿闭坑报告等资料，探究淮南潘一矿废弃矿井瓦斯资源特征，建立剩余煤炭资源量和可采煤层煤炭资源量预测数学模型，构建瓦斯资源量预测数学模型，为两淮地区关闭煤矿瓦斯资源利用提供依据。
1. 淮南矿区潘一矿废弃矿井概况
潘一矿东西长约14.6 km、南北宽约4.0 km，煤矿面积54.671 7 km2，开采深度–350 m～–800 m标高，矿井分中央区和东区2个系统，如图1所示。可采煤层13层，可采煤层平均总厚30.38 m，煤层自下而上分别为1、3、4–1、4–2、5–1、5–2、6–1、7–1、8、11–2、13–1、16–2、17–1煤。其中稳定煤层2层，分别为13–1、11–2煤，平均累厚6.11 m；较稳定煤层5层，即8、7–1、6–1、4–1、1煤，平均累厚14.17 m。稳定和较稳定煤层平均累厚20.28 m，占可采煤层总厚的66.75%；不稳定煤层6层(17–1、16–2、5–2、5–1、4–2、3)，平均累厚10.10 m，占可采煤层总厚的33.25%。不同煤层之间，13–1煤层比其他煤层瓦斯压力大，全矿井13–1煤层最大瓦斯压力为5.60 MPa，矿井绝对瓦斯涌出量中央区为182.0 m3/min，东区为150.5 m3/min；矿井相对瓦斯涌出量中央区为30.32 m3/t，东区为41.22 m3/t。17–1、13–1、11–2、8煤层煤与瓦斯的突出危险性较大，煤的风氧化带下界距基岩面垂深一般在30 m以内。
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图 1 潘一煤矿区段划分及位置关系Figure 1. Division and position relationship of panyi coal mine sections2. 废弃矿井瓦斯资源特征
2.1 储集空间
废弃矿井采空区具有重复采动的特征，煤层采出后，采空区上覆煤岩层形变较为复杂，上覆煤岩出现断裂、破碎、垮落现象；基本顶以上煤岩层以梁或悬臂梁断裂、弯曲的形式沿开采面的垂直方向移动，弯曲和断裂，进而产生裂隙和离层。煤层开采后，至下而上产生导气裂隙带、卸压解吸带和不易解吸带[9]，覆岩裂隙经历了产生、扩展、闭合、再产生、贯通、再闭合6个动态循环变化阶段；横向上看，从导气裂隙带向外，可分为应力恢复区、充分卸压区、应力集中区和原岩应力区[26]。“O”形圈内的离层裂隙和穿层裂隙发育明显，气体渗透性优越，采空区上覆岩层和下覆岩层以及煤柱形成相对封闭的瓦斯富集区，若在充分采动下，卸压解吸带发育至主关键层以下，此时，瓦斯富集区扩大；卸压区域内形成“梯形体”区域[27–29]。
从瓦斯的来源和赋存空间来看，废弃矿井中的瓦斯资源可分为原位瓦斯资源和采空区瓦斯资源。原位瓦斯主要来源于未卸压的原位煤层中，主要包括开采煤层和邻近煤层，以吸附态赋存其中。采空区瓦斯是在采动影响下开采煤层和卸压范围内邻近煤层、遗留煤柱和遗煤进行解吸，在裂隙中以游离态的形式存在，还有一部分瓦斯以溶解态溶解在采空区积水中，如图2所示。
在前人研究的基础上，笔者认为废弃矿井需要考虑到煤层群地质赋存特征、矿井开拓开采布局及开采时空顺序，废弃巷道群、采空区群和遗留煤柱群的时空分布特征。废弃矿井采空区群覆岩特点是研究的重点之一，笔者提出邻近上下煤层开采结束，两煤层的覆岩下沉应力稳定后，上煤层底部卸压区与下煤层关键层存在2种裂隙关系，一种是上煤层底部卸压区与下煤层关键层覆岩裂隙未形成贯通，上下采空区的纵向裂隙与离层处于各自封闭状态，游离瓦斯在各自采空区的卸压解吸带和导气裂隙带存在；另一种是煤层底部卸压区与下煤层关键层覆岩裂隙形成贯通，上下采空区的纵向裂隙与离层处于联通状态，游离瓦斯游走于相贯通的上下采空区中。笔者认为上下贯通的采空区孔隙体积大于上下未贯通的采空区孔隙体积之和，如图3所示。
根据孟召平等[13]的理论研究表明，煤层开采后工作面侧上覆岩不断以破断角$ \varphi $向上垮落、断裂，采空区垮落带和裂隙带空间分布形态近似梯形体，在此基础上笔者从多个采空区角度进行研究，以上下2个采空区为例，上下煤层开采后2个工作面侧上覆岩不断以破断角$ \varphi $向上垮落、断裂，采空区垮落带和裂隙带空间分布形态近似2个“上下串联梯形体”，上下采空区是否贯通由煤层间距，煤柱宽度，覆岩岩性等因素决定，如图4所示。
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图 4 采空区相邻采空区裂隙“上下串联梯形体”简化模型Figure 4. Simplified model of “up and down connected ladder shaped” fractures in adjacent goaf areas1)采空区垮落带岩体裂隙体积计算模型[13]
$$ {V_{\mathrm{k}}} = \frac{{{H_{\mathrm{m}}}\left[ {{L_{\mathrm{a}}}{L_{\mathrm{b}}} + {a_1}{b_1} + ({L_{\mathrm{a}}} + {a_1})({L_{\mathrm{b}}} + {b_1})} \right]}}{3} $$ (1) 式中：Vk为采空区垮落带岩体裂隙体积，m3；La为工作面倾向长度，m；Lb为工作面走向长度，m；a1为垮落带顶面沿倾向边长，m, a1=La−2Hmcot $ \varphi $，$ \varphi $为岩层破断角，(°)；b1为垮落带顶面沿走向边长，m，b1=Lb−2Hmcot $ \varphi $；Hm为垮落带高度，Hm=M/[(Kp−1)cos θ]，M为采高，m；Kp为岩石碎胀系数；θ为煤层倾角，(°)。
2)采空区导气裂隙带岩体裂隙体积计算模型[13]
$$ {V_{\mathrm{l}}} = \frac{{({H_1} + {H_{\mathrm{m}}})\left[ {{a_1}{b_1} + {a_2}{b_2} + ({a_1} + {a_2})({b_1} + {b_2})} \right]}}{3} $$ (2) 式中：Vl为采空区导气裂隙带岩体裂隙体积，m3；H1为断裂带高度，H1=100M/(1.6M+3.6)+5.6−Hm，m；a2为断裂带梯形体顶面沿倾向边长，m, a2=La−2(Hm+ H1)cot $ \varphi $；b2为断裂带梯形体顶面沿走向边长，m，b2=Lb−2(Hm+H1)cot $ \varphi $。
若相邻采空区上下贯通，则贯通裂隙体积按照下部采空区上底面为接触面的长方体体积计算(近似计算结果)，其计算公式为
$$ {V_{{\mathrm{gt}}}} = {a_2} {b_2} {H_2} $$ (3) 式中：Vgt为上下采空区贯通区域体积，m3；H2为贯通高度，m。
综上，“上下串联梯形体”贯通时，总裂隙体积为
$$ {V_{{\mathrm{z}}\left( {{\mathrm{gt}}} \right)}} = {V_{\mathrm{k}}} + {V_{\mathrm{l}}} + {V_{{\mathrm{gt}}}} $$ (4) 上下串联梯形体”未贯通时，总裂隙体积为
$$ {V_{{\mathrm{z}}\left( {{\mathrm{wgt}}} \right)}} = {V_{\mathrm{k}}} + {V_{\mathrm{l}}} $$ (5) 式中：Vz(gt) 为上下采空区贯通总体积，m3；Vz(wgt)为上下采空区未贯通总体积，m3。
由式（4）、式（5）可知：$ {V_{{\mathrm{z}}\left( {{\mathrm{gt}}} \right)}} > {V_{{\mathrm{z}}\left( {{\mathrm{wgt}}} \right)}} $。
2.2 矿井瓦斯含量
闭坑后通过地面钻井取心，试验分析得出各个煤层中瓦斯成分和瓦斯含量，研究各煤层瓦斯含量与埋深、煤层面积关系以及底板埋深与煤体孔隙率之间的关系，如图5～图8所示。
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图 6 煤层瓦斯含量与煤层埋深的关系Figure 6. Relationship between coal seam gas content and coal seam burial depth![]()
图 7 煤层瓦斯含量与煤层面积关系Figure 7. Relationship between coal seam gas content and coal seam area由图5可知，各煤层CH4体积分数占比在47.20%～75.73%，平均值为60.58%；各煤层空气干燥基CH4含量在2.62～5.78 m3/t，平均值为4.61 m3/t。
由图6可知，埋深在460～630 m时，瓦斯含量增长速率高，630～760 m时，瓦斯含量缓慢增长。煤层瓦斯含量随埋深的加深有增大的趋势，符合埋深越深，煤层地应力越大，煤层对瓦斯的吸附能力也越强，瓦斯含量也越高的一般规律。
由图7可知，煤层瓦斯含量随煤层面积的扩大有增加的趋势，符合煤层面积越大，煤炭量越多，瓦斯含量也越高的规律。
通过地面钻孔对13–1煤层进行取心，对其进行瓦斯吸附试验分析可知，底板深度在850～950 m时，孔隙率稳定在7.0%左右；950～1 000 m时，孔隙率低于6.5%。从总体上看，受底板深度的影响，底板深度越深，煤体孔隙率越低，如图8所示。
3. 预测模型
如何准确评估废弃矿井瓦斯资源量这一问题，笔者从瓦斯产生的源头考虑，瓦斯赋存于煤炭当中，当煤体受到扰动、破坏时，煤解吸出一部分瓦斯，无论瓦斯以吸附态、还是游离态形式出现，其本质还是由煤炭产生的，通过前人的研究发现，无论采用何种预测方法，都离不开煤炭资源量这一当量。因此，准确预测规定范围内的煤炭资源量是准确预测瓦斯资源的关键，通过精准预测煤炭资源量来带动瓦斯资源量的精准预测。笔者提出构建“先固后气−双源分步”理念(“先固”是指：首先对可采煤层的剩余煤炭资源量和剩余煤炭资源中可采煤炭储量进行预测(剩余煤炭资源量包括：各类煤柱煤炭资源量和非煤柱煤炭资源量，其中非煤柱煤炭资源量包括稳定煤层煤炭资源量和不稳定煤层煤炭资源量，稳定煤层煤炭资源量即为可采煤炭储量)；“后气”是指：然后对可采煤层剩余煤炭资源量下的瓦斯和剩余煤炭资源中可采煤炭储量下的瓦斯进行预测以及对采空区游离瓦斯资源量进行预测；“双源”是指：纵向上分水平，横向上分块段，即首先对可采煤层这一源头进行纵向上分3个水平(风氧化带下限～露头防水煤柱；露头防水煤柱～–530 m；–530～–800 m)、横向上分块段(在煤层底板等高线上，根据划分的估算块段范围，采用AutoCAD 进行封闭曲线求积法求得平面面积))，首先预测剩余煤炭资源量和剩余煤炭资源中的可采煤炭储量；其次将剩余煤炭资源量和剩余煤炭资源量下的可采煤炭储量2个源头结合煤层瓦斯含量形成空间评估体系，预测废弃矿井可采煤层剩余煤炭资源量下的瓦斯资源量和剩余煤炭资源中可采煤炭储量下的瓦斯资源量(可采煤炭储量下的瓦斯资源量是废弃矿井可采煤层群瓦斯资源量评估的重要衡量标准)的评估模型和方法。
笔者从2个方面预测潘一矿废弃矿井的资源量，一方面预测废弃矿井剩余煤炭资源量和可采煤炭储量，废弃矿井煤炭资源量预测的关键在于对各个煤层进行纵向上分水平，每个水平上的煤层再进行块段划分，分源逐个计算每个块段的煤炭资源量，以到达精准预测煤炭资源量的目的。另一个方面根据分源计算的煤炭资源量，分源计算每个块段的瓦斯资源量，以最终达到精准预测瓦斯资源量的目的。采空区游离态瓦斯，从采空区、垮落带和导气裂隙带3个空间角度预测瓦斯资源量，如图9所示。
3.1 废弃矿井剩余煤炭资源量与可采煤层煤炭资源量计算模型
根据《煤、泥炭地质勘查规范》(DZ/T 215—2002)，废弃矿井煤炭资源量评估时需要分煤层、分水平、分区、分煤类、分类别，进行估算各可采煤层剩余煤炭资源量，其计算公式为
$$ Q = S {{\mathrm{sec}}} \;\alpha {M_{\mathrm{p}}} {\rho _{{\mathrm{ARD}}}} $$ (6) 式中：$ Q $为煤炭储量或资源量，104 t；$ S $为块段水平面积，104 m2；$ \alpha $为块段倾角，(°)；$ {M_{\mathrm{p}}} $为块段平均煤厚，m；$ {\rho _{{\mathrm{ARD}}}} $为煤层平均视密度，t/m3。
根据《煤炭工业矿井设计规范》(GB 50215—2015)，可采煤层煤炭储量计算公式为
$$ {Q_{\mathrm{c}}} = ({Q_{\mathrm{g}}} - P) {K_1} $$ (7) 式中：$ {Q_{\mathrm{c}}} $为矿井可采储量；$ {Q_{\mathrm{g}}} $为矿井工业储量，($ {Q_{\mathrm{g}}} = Q n $)；$ P $为永久煤柱储量；$ n $为可信度系数(n=0.7～0.9)；$ {K_{\mathrm{1}}} $为采区回采率。
3.2 废弃矿井可采煤层瓦斯资源量计算模型
根据《煤层气资源评价规范》(DZ/T 0378—2021)，计算单元内提供煤炭储量或资源量数据时，其瓦斯资源量计算公式为
$$ {G_{\mathrm{i}}} ={10^4} Q {C_{{\mathrm{ad}}}} $$ (8) 式中：$ {G_{\mathrm{i}}} $为瓦斯资源量，108 m3；$ {C_{{\mathrm{ad}}}} $为煤空气干燥基甲烷含量，m3/t。
$$ {C_{{\mathrm{ad}}}} = {C_{{\mathrm{daf}}}}(1 - {M_{{\mathrm{ad}}}} - {A_{\mathrm{d}}}) $$ (9) 式中：$ {C_{{\mathrm{daf}}}} $为煤干燥无灰基含气量，m3/t；$ {M_{{\mathrm{ad}}}} $为煤中原煤基水分，%；$ {A_{\mathrm{d}}} $为煤中灰分，%。
3.3 废弃矿井游离态瓦斯资源量计算模型
1)采空区游离态瓦斯计算模型
煤层工作面开采完成后，上覆煤岩层应力重新分布覆岩出现垮落，此时出现大量的穿层裂隙和离层，煤岩体的孔隙率增大，遗煤、保护煤柱和邻近煤层解吸出大量瓦斯，其计算公式为
$$ {Q_{\mathrm{y}}} = {\eta _{\mathrm{c}}} {V_{\mathrm{c}}}/{K_{\mathrm{p}}} $$ (10) 式中：$ {Q_{\mathrm{y}}} $为采空区内游离态瓦斯资源量；$ {\eta _{\mathrm{c}}} $为采空区内瓦斯体积分数；$ {V_{\mathrm{c}}} $为采空区体积；$ {K_{\mathrm{p}}} $为岩石碎胀系数，一般取1.25～1.50。
其中，采空区体积计算公式为
$$ {V_{\mathrm{c}}} = M {S_{\mathrm{c}}} $$ (11) 式中：$ {S_{\mathrm{c}}} $为采空区面积。
2)垮落带瓦斯计算模型
垮落带游离瓦斯计算公式为
$$ {Q_{\mathrm{k}}} = {V_{{\mathrm{kk}}}} {\eta _{\mathrm{k}}} $$ (12) 式中：$ {Q_{\mathrm{k}}} $为垮落带中游离态瓦斯资源量；$ {V_{{\mathrm{kk}}}} $为垮落带孔隙体积；$ {\eta _{\mathrm{k}}} $为垮落带中瓦斯体积分数。
其中，垮落带孔隙体积可由开采面积、垮落带高度及垮落带孔隙率计算得到：
$$ {V}_{{\mathrm{kk}}}={V}_{{{\mathrm{k}}}^{,}} {P}_{{\mathrm{k}}}=（{H}_{{\mathrm{m}}}-{H}_{{\mathrm{c}}}） {S}_{{\mathrm{c}}} {P}_{{\mathrm{k}}} $$ (13) 式中：$ {V_{{{\mathrm{k}}^,}}} $为垮落带体积；$ {P_{\mathrm{k}}} $为垮落带孔隙率。
3)导气裂隙带瓦斯计算模型
导气裂隙带中游离瓦斯计算公式为
$$ {Q_l} = {V_{{\mathrm{lk}}}} {\eta _{\mathrm{l}}} $$ (14) 式中：$ {Q_{\mathrm{l}}} $为导气裂隙带中游离态瓦斯资源量；$ {V_{{\mathrm{lk}}}} $为导气裂隙带中孔隙体积；$ {\eta _{\mathrm{l}}} $为导气裂隙带中瓦斯体积分数。
$$ {V}_{{\mathrm{lk}}}={V}_{{{\mathrm{l}}}^{,}} {P}_{{\mathrm{l}}}=（{H}_{{\mathrm{l}}}-{H}_{{\mathrm{c}}}） {S}_{{\mathrm{c}}} {P}_{{\mathrm{l}}} $$ (15) 式中：$ {V_{{{\mathrm{l}}^,}}} $为导气裂隙带体积；$ {P_{\mathrm{l}}} $为导气裂隙带孔隙率；$ {H_{\mathrm{l}}} $为导气裂隙带高度。
4. 资源量预测结果
笔者对废弃矿井瓦斯资源量预测时，一方面对可采煤层的瓦斯资源量进行预测，这部分瓦斯以吸附态赋存于剩余煤炭中，通过闭坑报告等资料，计算剩余煤炭资源量和可采煤炭储量，根据瓦斯资源量计算方法进行计算；另一方面对采空区卸压范围内的瓦斯进行预测，这部分瓦斯以游离态形式存在，通过闭坑报告等资料，计算采空区面积等参数，分别计算垮落带和导气裂隙带空间内的游离态瓦斯储量。
4.1 煤炭资源量预测结果
通过潘一矿闭坑后地面钻井取心实测数据可知，潘一矿水平划分为3段：风氧化带下限～露头防水煤柱～–530～–800 m，经过对各煤层现场钻井取心，取样数共计584个，统计各个块段水平面积、煤层倾角、煤厚和煤层视密度，分别计算了各煤层正常块段资源储量和各类煤柱资源储量，见表1。
表 1 剩余煤炭资源储量预测结果Table 1. Prediction results of remaining coal resource reserves估算
单元(煤层)正常块段
资源储量/104 t各类煤柱
资源量/104 t剩余煤炭
资源储量/104 t17–1 2702 552 3254 16–2 2670 705 3375 13–1 14257 4154 18411 11–2 5409 1679 7088 8 8259 2375 10634 7–1 6124 1680 7804 6–1 3803 1299 5102 5–2 1853 508 2361 5–1 2369 645 3014 4–2 2481 687 3168 4–1 7467 2172 9639 3 3870 2040 5910 1 4059 2162 6221 合计 65 323 20 658 85981 由上表可知，潘一矿剩余煤炭资源储量为85 981×104 t，正常块段煤炭资源储量为65 323×104 t，各类煤柱资源储量为20 658×104 t，正常块段资源储量是各类煤柱资源储量的3.16倍，其中13–1煤层正常块段煤炭资源储量和各类煤柱煤炭资源储量最高。
为了准确预测剩余煤炭资源储量，需要按水平对各煤层进行分块段，逐个计算每个块段的煤炭资源储量，根据式(6)，统计了13–1煤层各块段剩余煤炭资源储量(由于篇幅限制，仅计算部分块段剩余煤炭资源储量)，见表2。
表 2 部分块段剩余煤炭资源储量预测结果Table 2. Prediction results of remaining coal resource reserves in some blocks采区 水平 块段号 煤类 水平面积/104 m2 倾角/(°) 煤厚/m 视密度/(t·m−3) 储量/104 t 中央区 风(氧)化带下限～露头防水煤柱 P2111011 QM 2.86 6.7 4.03 1.42 16.00 露头防水煤柱～–530 m P2132231 QM 19.58 6.0 3.62 1.42 101.00 −530～–800 m P2143871 QM 4.14 8.4 5.23 1.42 31.00 中央工广区 露头防水煤柱～–530 m Q2122191 QM 3.27 3.8 4.67 1.42 22.00 −530～–800 m Q2123171 QM 17.90 6.2 3.70 1.42 95.00 东区 露头防水煤柱～–530 m S2002721 QM 15.97 19.6 3.02 1.42 73.00 −530～–800 m S2003561 QM 188.09 5.7 4.26 1.42 1 144.00 东区工广区 −530～–800 m T2123611 QM 110.71 7.0 3.05 1.42 483.00 可采煤炭储量应考虑水平下块段的采区回采率和可信系数，依据《煤炭工业矿井设计规范》(GB 50215—2015)，采区回采率K：厚煤层(＞3.5 m)为75%；中厚煤层(1.3～3.5 m)为80%；薄煤层(<1.3 m)为85%。可信度系数n：13–1、11–2煤等稳定煤层取0.80；8、7–1、6–1、4–1、1煤等较稳定煤层取0.75；17–1、16–2、5–2、5–1、4–2、3煤6层不稳定煤层取0.70，见表3。
表 3 可采煤炭储量预测结果Table 3. Predicted results of recoverable coal reserves煤层 煤类 合计/104 t 17–1 QM 1322 17–1 1/3 JM 214 16–2 QM 1527 13–1 QM 10432 11–2 QM 723 11–2 1/3 JM 3406 8 QM 1633 8 1/3 JM 4585 7–1 QM 1324 7–1 1/3 JM 3315 6-1 QM 399 6-1 1/3 JM 2397 5–2 1/3 JM 1 072 5–1 1/3 JM 1 378 4–2 1/3 JM 1 415 4-1 QM 1 124 4-1 1/3 JM 4 551 3 QM 474 3 1/3 JM 1 131 1 QM 415 1 1/3 JM 1 338 1 WY 324 总计 QM 19 373 1/3 JM 24 802 WY 324 44 499 4.2 瓦斯资源量预测结果
利用煤炭储量预测瓦斯资源量，关键在于对剩余煤炭资源量的精准估算，剩余煤炭资源量包括非煤柱煤炭资源量和各类煤柱煤炭资源量，利用这两类煤炭资源量，计算瓦斯资源量，通过可采煤炭储量亦可计算可采煤炭瓦斯资源量，见表4、表5。
表 4 剩余煤炭资源量下瓦斯资源量预测结果Table 4. Prediction results of gas resources under remaining coal resources估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 非煤柱 各类煤柱 非煤柱 各类煤柱 合计 17–1 2 702 552 2.62 0.707 924 0.144624 0.852548 16–2 2 670 705 2.68 0.715 560 0.188 940 0.904 500 13–1 14 257 4 154 5.65 8.005 520 5 2.347 010 10.402215 11–2 5 409 1 679 5.22 2.823 498 0.876438 3.699936 8 8 259 2 375 4.97 4.104 723 1.180375 5.285098 7–1 6 124 1 680 5.39 3.300 836 0.905 520 4.206356 6–1 3 803 1 299 5.78 2.198 134 0.750822 2.948956 5–2 1 853 508 3.42 0.633 723 0.173736 0.807462 5–1 2 369 645 4.72 1.118 168 0.304 440 1.422608 4–2 2 481 687 5.70 1.414 170 0.391 590 1.805 760 4–1 7 467 2 172 5.14 3.838 038 1.116408 4.954446 3 3 870 2 040 4.53 1.753 110 0.924 120 2.677 230 1 4 059 2 162 4.15 1.684 485 0.897 230 2.581715 合计 65 323 20658 32.347 577 10.201 253 42.548 830 表 5 可采煤炭储量下的瓦斯资源量预测结果Table 5. Prediction results of gas resources under recoverable coal reserves估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 17–1 1 536 2.62 0.402432 16–2 1 527 2.68 0.409236 13–1 10 432 5.65 5.894 080 11–2 4 129 5.22 2.155338 8 6 218 4.97 3.090346 7–1 4 639 5.39 2.500421 6–1 2 796 5.78 1.616088 5–2 1 072 3.42 0.366624 5–1 1 378 4.72 0.650416 4–2 1 415 5.70 0.806 550 4–1 5 675 5.14 2.916 950 3 1 605 4.53 0.727065 1 2077 4.15 0.861955 合计 44 499 22.397 501 该模型估算了17–1、16–2、13–1、11–2、8、7–1、6–1、5–2、5–1、4–2、4–1、3、1煤层共13个可采煤层的瓦斯资源量为
42.690334 ×108 m3，非煤柱瓦斯资源量为32.347577 ×108 m3，各类煤柱瓦斯资源量为10.201253 ×108 m3；可采煤炭储量下的瓦斯资源量为22.397501 ×108 m3，潘一矿瓦斯资源规模较大，属于中型瓦斯气田。4.3 游离态瓦斯预测结果
采空区面积和采厚主要是由生产数据来确定，根据闭坑后地面钻井取心数据(潘一矿关闭后，由安徽省煤田地质局勘查研究院在潘一东工业广场煤柱附近的A组(3煤+1煤)、C(13–1煤)进行工程布点取心(试验井PX2–1井眼轨迹位于C13–1煤层顶板0～3 m，试验井PX2–2井眼轨迹位于A3煤层顶板0～3 m))，采空区内瓦斯体积分数平均值大约在0.8，采空区上覆岩层的岩石碎胀系数为1.43，跨落带和导气裂隙带中岩层的孔隙率分别为30%、20%。垮落带高度和导气裂隙带高度由经验公式计算得到，采空区覆岩(导气裂隙带、垮落带)游离瓦斯体积分数达92%(潘一矿一直为高瓦斯、易突出矿井，地质条件复杂，煤层埋深深，生产资料显示开采过程中遗煤多，回采率不高，各煤层采空区多处工作面处于瓦斯带，所以呈现出采空区覆岩游离瓦斯体积分数高的现象)。
由潘一矿采空区平面分布(图10)和相对应的采空区游离瓦斯资源量(表6)可知，潘一矿采空区工作面总面积为12 528 724.52 m2，采空区游离态瓦斯资源量为5 612.868 585×104 m3。
表 6 采空区游离态瓦斯资源量预测结果Table 6. Prediction results of free coalbed methane resources in goaf区域 面积/m2 采厚/m 采空区游离瓦斯资源量/104 m3 东三采区采空区 1 715489.12 8 5 612.868585 东一、东二采区采空区 4 798596.95 8 西一、西二、西三采区采空区 6 014638.45 8 由表7可知，估算了13–1煤部分采空区游离瓦斯资源量(由于篇幅限制，仅给出13–1煤部分采空区游离态瓦斯资源量计算结果)，其中1401(3)～1602(3)六个工作面的导气裂隙带游离瓦斯资源量>垮落带游离瓦斯资源量>采空区游离瓦斯资源量。
表 7 13–1煤层部分采空区游离态瓦斯资源量预测结果Table 7. Prediction results of free coalbed methane resources in partially goaf areas工作面 采空区 垮落带 (裂隙带)导气裂隙带 面积/
m2采高/
m资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m31401(3) 91 200 1.80 9.18 5.97 544 464 10.50 22.61 2 062 032 27.92 1402(3) 172 700 2.20 21.26 7.34 379 940 24.50 36.50 6 303 550 92.66 14021(3) 81 740 2.00 9.15 7.74 632 667.6 12.95 17.61 1 439 441.4 14.84 14032(3) 113 420 2.20 13.96 6.70 759 914 14.29 19.36 2 195 811.2 26.42 1511(3) 144 000 4.64 37.38 13.80 1 987 200 36.41 37.90 5 457 600 63.86 1602(3) 105 000 2.20 12.92 9.00 945 000 19.71 25.00 2 625 000 30.91 5. 废弃矿井瓦斯抽采试验
基于瓦斯资源量预测结果，对潘一矿进行瓦斯资源抽采试验。潘一矿关闭后，对潘一矿东区采用“L”型井方式抽采采空区瓦斯，主要在潘一东工业广场煤柱附近的A组(3煤+1煤)、C(13–1煤)进行工程试验。试验井PX2–1井眼轨迹位于C13–1煤层顶板0～3 m，试验井PX2–2井眼轨迹位于A3煤层顶板0～3 m，两口试验井均采用三开井身结构，如图11所示。
潘一矿停止采掘活动后第1年，瓦斯抽采量逐渐下降，从19.41 m3/min降低到10.88 m3/min，降幅约50%；第2年斯抽采量基本保持稳定，在较小的范围内波动，采空区瓦斯流动达到一定的平衡，截止2020年9月底，潘一矿东区抽采瓦斯总量为1 209.5×104 m3（图12、图13）。
6. 结 论
1)废弃矿井多采空区群，邻近上下采空区覆岩垮落裂隙空间分布形态近似2个“上下串联梯形体”。煤炭开采导致采场周围煤岩体应力重新分布，引起煤层顶底板煤岩体发生形变和破坏，因此上下煤层采空区之间有2种关系，一种是上下贯通，另一种为上下未贯通，并且贯通的采空区体积大于未贯通的2个采空区体积之和，上下采空区垮落带和裂隙带空间形态近似“上下串联梯形体”。
2)构建“先固后气—双源分步”理念的废弃矿井瓦斯资源量空间评估模型。剩余煤炭资源量和可采煤层资源量是精准预测瓦斯资源量的关键，同时采空区体积是精准预测游离态瓦斯资源量的关键。根据潘一矿这一废弃矿井资源特征，构建了废弃矿井瓦斯资源量预测模型，废弃矿井剩余煤炭量为85 981×104 t，其中各类保安煤柱资源储量为20 658×104 t，非煤柱资源储量为65 323×104 t，占剩余资源量76%，可采煤层煤炭资源量为44 499×104 t。
3)该模型估算了潘一矿13个煤层剩余煤炭资源量下的瓦斯资源量为
42.690334 ×108 m3，非煤柱瓦斯资源量为32.347577 ×108 m3，各类煤柱瓦斯资源量为10.201253 ×108 m3；可采煤炭储量下的瓦斯资源量为22.397501 ×108 m3，采空区游离态瓦斯资源量为5612.868585 ×104 m3，地面试验井抽采效果良好，评价结果认为，潘一矿瓦斯资源规模较大，瓦斯资源丰富。 -
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图 1 潘一煤矿区段划分及位置关系
Figure 1. Division and position relationship of panyi coal mine sections
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图 4 采空区相邻采空区裂隙“上下串联梯形体”简化模型
Figure 4. Simplified model of “up and down connected ladder shaped” fractures in adjacent goaf areas
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图 6 煤层瓦斯含量与煤层埋深的关系
Figure 6. Relationship between coal seam gas content and coal seam burial depth
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图 7 煤层瓦斯含量与煤层面积关系
Figure 7. Relationship between coal seam gas content and coal seam area
表 1 剩余煤炭资源储量预测结果
Table 1 Prediction results of remaining coal resource reserves
估算
单元(煤层)正常块段
资源储量/104 t各类煤柱
资源量/104 t剩余煤炭
资源储量/104 t17–1 2702 552 3254 16–2 2670 705 3375 13–1 14257 4154 18411 11–2 5409 1679 7088 8 8259 2375 10634 7–1 6124 1680 7804 6–1 3803 1299 5102 5–2 1853 508 2361 5–1 2369 645 3014 4–2 2481 687 3168 4–1 7467 2172 9639 3 3870 2040 5910 1 4059 2162 6221 合计 65 323 20 658 85981 
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表 2 部分块段剩余煤炭资源储量预测结果
Table 2 Prediction results of remaining coal resource reserves in some blocks
采区 水平 块段号 煤类 水平面积/104 m2 倾角/(°) 煤厚/m 视密度/(t·m−3) 储量/104 t 中央区 风(氧)化带下限～露头防水煤柱 P2111011 QM 2.86 6.7 4.03 1.42 16.00 露头防水煤柱～–530 m P2132231 QM 19.58 6.0 3.62 1.42 101.00 −530～–800 m P2143871 QM 4.14 8.4 5.23 1.42 31.00 中央工广区 露头防水煤柱～–530 m Q2122191 QM 3.27 3.8 4.67 1.42 22.00 −530～–800 m Q2123171 QM 17.90 6.2 3.70 1.42 95.00 东区 露头防水煤柱～–530 m S2002721 QM 15.97 19.6 3.02 1.42 73.00 −530～–800 m S2003561 QM 188.09 5.7 4.26 1.42 1 144.00 东区工广区 −530～–800 m T2123611 QM 110.71 7.0 3.05 1.42 483.00
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表 3 可采煤炭储量预测结果
Table 3 Predicted results of recoverable coal reserves
煤层 煤类 合计/104 t 17–1 QM 1322 17–1 1/3 JM 214 16–2 QM 1527 13–1 QM 10432 11–2 QM 723 11–2 1/3 JM 3406 8 QM 1633 8 1/3 JM 4585 7–1 QM 1324 7–1 1/3 JM 3315 6-1 QM 399 6-1 1/3 JM 2397 5–2 1/3 JM 1 072 5–1 1/3 JM 1 378 4–2 1/3 JM 1 415 4-1 QM 1 124 4-1 1/3 JM 4 551 3 QM 474 3 1/3 JM 1 131 1 QM 415 1 1/3 JM 1 338 1 WY 324 总计 QM 19 373 1/3 JM 24 802 WY 324 44 499
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表 4 剩余煤炭资源量下瓦斯资源量预测结果
Table 4 Prediction results of gas resources under remaining coal resources
估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 非煤柱 各类煤柱 非煤柱 各类煤柱 合计 17–1 2 702 552 2.62 0.707 924 0.144624 0.852548 16–2 2 670 705 2.68 0.715 560 0.188 940 0.904 500 13–1 14 257 4 154 5.65 8.005 520 5 2.347 010 10.402215 11–2 5 409 1 679 5.22 2.823 498 0.876438 3.699936 8 8 259 2 375 4.97 4.104 723 1.180375 5.285098 7–1 6 124 1 680 5.39 3.300 836 0.905 520 4.206356 6–1 3 803 1 299 5.78 2.198 134 0.750822 2.948956 5–2 1 853 508 3.42 0.633 723 0.173736 0.807462 5–1 2 369 645 4.72 1.118 168 0.304 440 1.422608 4–2 2 481 687 5.70 1.414 170 0.391 590 1.805 760 4–1 7 467 2 172 5.14 3.838 038 1.116408 4.954446 3 3 870 2 040 4.53 1.753 110 0.924 120 2.677 230 1 4 059 2 162 4.15 1.684 485 0.897 230 2.581715 合计 65 323 20658 32.347 577 10.201 253 42.548 830
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表 5 可采煤炭储量下的瓦斯资源量预测结果
Table 5 Prediction results of gas resources under recoverable coal reserves
估算单元(煤层) 煤炭资源量/104 t 原煤空气干燥基甲烷含量/(m3·t−1) 瓦斯资源量/108 m3 17–1 1 536 2.62 0.402432 16–2 1 527 2.68 0.409236 13–1 10 432 5.65 5.894 080 11–2 4 129 5.22 2.155338 8 6 218 4.97 3.090346 7–1 4 639 5.39 2.500421 6–1 2 796 5.78 1.616088 5–2 1 072 3.42 0.366624 5–1 1 378 4.72 0.650416 4–2 1 415 5.70 0.806 550 4–1 5 675 5.14 2.916 950 3 1 605 4.53 0.727065 1 2077 4.15 0.861955 合计 44 499 22.397 501
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表 6 采空区游离态瓦斯资源量预测结果
Table 6 Prediction results of free coalbed methane resources in goaf
区域 面积/m2 采厚/m 采空区游离瓦斯资源量/104 m3 东三采区采空区 1 715489.12 8 5 612.868585 东一、东二采区采空区 4 798596.95 8 西一、西二、西三采区采空区 6 014638.45 8
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表 7 13–1煤层部分采空区游离态瓦斯资源量预测结果
Table 7 Prediction results of free coalbed methane resources in partially goaf areas
工作面 采空区 垮落带 (裂隙带)导气裂隙带 面积/
m2采高/
m资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m3高度/
m体积/
m3资源量/
104 m31401(3) 91 200 1.80 9.18 5.97 544 464 10.50 22.61 2 062 032 27.92 1402(3) 172 700 2.20 21.26 7.34 379 940 24.50 36.50 6 303 550 92.66 14021(3) 81 740 2.00 9.15 7.74 632 667.6 12.95 17.61 1 439 441.4 14.84 14032(3) 113 420 2.20 13.96 6.70 759 914 14.29 19.36 2 195 811.2 26.42 1511(3) 144 000 4.64 37.38 13.80 1 987 200 36.41 37.90 5 457 600 63.86 1602(3) 105 000 2.20 12.92 9.00 945 000 19.71 25.00 2 625 000 30.91
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