0.   引　　言

受能源结构优化调整、煤炭资源枯竭、淘汰落后、过剩产能等因素影响，我国关闭煤矿数量逐年增加^[1]。关闭煤矿地面及井下资源丰富，可以分为土地资源、建（构）筑物、剩余煤炭资源、矿井水资源、地下空间资源及煤层气资源等，其二次开发利用，可以减少资源浪费，促进矿区经济发展^[2-3]。与其他资源相比，关闭/废弃煤矿煤层气资源利用研究和实践开展较早，国外如英国、德国、美国等，基于完善的矿井甲烷监测数据，计算煤层气资源量，并通过预埋抽采管道及地面钻井抽采，取得了商业化开发成功^[4-5]。国内针对高瓦斯生产矿井采空区丰富的煤层气资源，在铁法、松藻、呼鲁斯太等矿区形成了较成熟的抽采模式^[6-8]。而随着我国关闭煤矿数量逐渐增多，关闭煤矿煤层气研究与能源化利用也逐渐深入。

学者们利用采空区甲烷碳氢稳定同位素分析，定量研究了关闭煤矿煤层气赋存状态、成因及来源^[9-11]；探究了采空区煤层气圈闭条件^[12]；提出了资源构成法、物质平衡法、下降曲线法、分区预测法等煤层气资源量预测方法、模型^[13-15]；通过相似材料模拟及流场数值模拟手段，探讨了采空区煤层气运移富集规律^[16-18]；基于层次分析、模糊评价等数学方法，建立了关闭煤矿采空区煤层气资源与选区评价体系^[19-21]；并结合采空区覆岩位移、变形特征，优化了采空区地面抽采井井身结构设计及钻井工艺^[22-23]；总结了高浓度（C（CH₄）>30%）和低浓度（C（CH₄）≤30%）煤层气分类利用体系^[24]。

山西省作为我国重要的能源重化工基地，截止2020年底，关闭煤矿累计约838处，包括2009年兼并重组前关闭、兼并重组中关闭及2016—2020年去产能关闭3类^[1,25-26]。前两者的井田面积基本小于1 km²，煤层埋深浅，开采工艺落后，资料缺失或详实程度低。2016—2020年山西省关闭煤矿158座，总面积约1120 km²，退出产能10 979万t。近年来，晋城、阳泉、西山等矿区开展了关闭煤矿采空区煤层气资源地面抽采利用，累计施工抽采井128口，运行53口，日产量约8.8万m^3[22]，反映出较为良好的资源潜力。然而，受限于关闭煤矿资料详实程度，目前对山西省关闭煤矿煤层气资源特征认识不够深入，开发利用单一，离关闭煤矿煤层气资源综合高效开发利用仍有一段距离。鉴于此，笔者以阳泉−晋城矿区关闭煤矿为研究对象，系统收集关闭煤矿的闭坑报告、储层核实报告、储量年报等资料，通过资料整理、室内测试、数值模拟等手段，探究了2个矿区关闭煤矿煤层气资源特征，构建了资源量预测数学模型，预测了煤层气资源量，提出了关闭煤矿煤层气资源利用方向。

1.   阳泉−晋城矿区关闭煤矿概况

阳泉−晋城矿区2009年兼并重组前及兼并重组中关闭煤矿共153座。其中，阳泉矿区2009年兼并重组前关闭煤矿50座，地处矿区东缘阳泉市平定市、昔阳县及郊区境内，面积介于0.10～3.13 km²；2009年兼并重组中关闭煤矿14座，地处阳泉市郊区、昔阳县及左权县，分布相对零散，面积介于0.35～3.23 km²，年产量基本小于30万t（图1）。晋城矿区2009年兼并重组前关闭煤矿72座，主要位于矿区东北缘高平市、陵川县、泽州县境内，面积介于0.13～3.84 km²；2009年兼并重组中关闭煤矿17座，主要位于晋城市泽州县和陵川县内，面积介于0.37～1.75 km²，分布相对零散（图2）。整体上，这些关闭煤矿基本开采浅部山西组3号煤层，处于瓦斯风化带中，煤层气含量低。此外，煤矿关闭时间较早，矿井相关资料缺失或详实程度低。

图  1  阳泉矿区关闭煤矿位置分布

Figure  1.  Location distribution map of closed coal mines in Yangquan Mining Area

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图  2  晋城矿区关闭煤矿位置分布

Figure  2.  Location distribution map of closed coal mines in Jincheng Mining Area

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2016—2020年去产能关闭煤矿共37座，其中35座煤矿收集资料较为完整（表1）。11座分布于阳泉矿区东部，较为集中（图1）。除和泰荫营、万和兴及陈家庄煤矿为低瓦斯矿井外，其余皆为高瓦斯矿井，其相对瓦斯涌出量介于14.49～41.64 m³/t。其中，南庄煤矿和阳泉三矿的瓦斯涌出量最大，分别为41.64 m³/t和31.83 m³/t。整体上，随着煤层埋深增大，煤层气含量呈增加趋势。而低瓦斯矿井靠近沁水盆地边缘，埋深小于300 m，大部分处于瓦斯风化带中。晋城矿区去产能关闭煤矿分布相对零散，大部分低瓦斯矿井位于晋城市城区至高平市一带，矿区面积大、分布较为集中，少数高瓦斯矿井位于矿区西南部阳城−泽州一带（图2）。高瓦斯矿井相对瓦斯涌出量介于4.88～44.62 m³/t（表1），瓦斯主要来源为3、15号煤层。低瓦斯矿井以凤凰山矿、古书院矿、王台铺矿为代表，井田面积大，整体煤层埋深较浅，煤层含气量低。

表  1  阳泉−晋城矿区去产能关闭煤矿地质特征

Table  1.  Geological characteristics of de-capacity closed coal mines in Yangquan and Jincheng Mining Areas

序号	煤矿名称	面积/km2	构造复杂程度	断层数/条	陷落柱数/个	绝对瓦斯涌出量/ （m3·min−1）	相对瓦斯涌出 量/（m3·t−1）	瓦斯鉴定 等级	采空区 层数
1	南庄	12.5718	简单	40	85	76.92	41.64	高瓦斯	4
2	鸿泰	1.6093	简单	—	1	—	38.41	高瓦斯	1
3	燕龛	4.4234	简单	—	34	8.93	25.02	高瓦斯	6
4	和泰荫营	8.9278	简单	—	19	0.96	6.91	低瓦斯	4
5	三矿	40.4600	中等	428	316	235.03	30.83	高瓦斯	6
6	平定泰昌	3.9627	简单	5	14	9.69	21.46	高瓦斯	3
7	陈家庄	15.5737	简单	2	3	0.74	4.44	低瓦斯	1
8	富鑫	4.8455	简单	—	22	1.67～3.63	14.49～26.94	高瓦斯	2
9	万和兴	3.4253	简单	9	11	0.94	5.69	低瓦斯	3
10	古书院	25.4180	中等	164	27	28.23	3.81	低瓦斯	3
11	王台铺	33.7023		145	8	10.41	4.50	低瓦斯	3
12	晋圣七岭	2.8776	简单	—	—	0.58	1.23	低瓦斯	2
13	北岩	10.1914	简单	2	—	2.50	4.18	低瓦斯	2
14	晋圣鸿升	2.7544	简单	—	—	0.64	3.24	低瓦斯	3
15	凤凰山矿	29.3485	中等	116	53	22.87	5.45	低瓦斯	3
16	科兴高良	1.0396	简单	4	10	1.56	1.89	瓦斯	1
17	店上	2.1500	简单	2	—	0.46	0.70	低瓦斯	1
18	崇安附城	3.5336	简单	—	—	0.28	0.76	低瓦斯	1
19	崇安北关	5.1407	简单	—	—	0.57	1.84	低瓦斯	1
20	演礼	9.9191	中等	7	—	8.47～13.54	14.23～44.62	高瓦斯	1
21	侯甲	3.6381	简单	2	—	6.24	—	高瓦斯	—
22	天安高都	5.8638	简单	—	—	2.66	2.13	低瓦斯	2
23	天安广利	2.1348	简单	1	—	0.27	1.46	低瓦斯	2
24	天安吴王山	4.1563	简单	—	—	—	—	低瓦斯	3
25	天安隆东	6.0748	简单	—	—	1.51	1.56	低瓦斯	2
26	天安恒源	5.3542	简单	1	—	1.83	1.71	低瓦斯	3
27	晋圣凤红	3.0949	简单	1	—	0.96	0.99	低瓦斯	3
28	天安圣华	1.0591	简单	—	—	7.96	10.48	高瓦斯	1
29	天安峪口	2.8814	简单	2	—	1.62～9.82	4.88～10.37	高瓦斯	3
30	河寨	11.1109	简单	9	—	0.55	1.26	低瓦斯	1
31	汇嵘煤业	5.3119	简单	9	—	2.19	0.69	低瓦斯	2
32	森杰	13.0717	简单	4	—	0.32～0.76	1.78～2.59	低瓦斯	2
33	下交	4.6543	简单	9	—	1.69	—	低瓦斯	2
34	中卫青洼	2.7658	简单	9	—	0.83	1.47	低瓦斯	2
35	中强福山	8.4763	简单	5	—	1.79	1.21	低瓦斯	2

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2.   关闭煤矿煤层气资源特征

关闭煤矿中未采出或损失的煤炭资源，称为残煤^[16,27]。关闭煤矿中煤层气主要来源于残煤，以热成因气为主，也存在部分生物成因来源^[10]。按照煤层气来源及赋存空间，关闭煤矿煤层气资源可分为采空区煤层气资源和原位煤层气资源。前者为采动影响下开采煤层及卸压范围内邻近煤层吸附态煤层气解吸，通过采动裂隙运移至采空区中，形成以游离态为主赋存于采空区孔隙−裂隙中、以吸附态为辅赋存于卸压煤层中、以少量溶解态溶解于采空区积水的煤层气^[13,28]；后者主要以吸附态赋存于井田未卸压的原位煤层中。

2.1   储集空间

煤层开采后，在工作面从上而下发育垮落带、裂隙带和弯曲下沉带；在横向上，从垮落带向外，可分为应力恢复区、充分卸压区、应力集中区和原岩应力区^[29]。“O”形圈内离层裂隙和竖向破断裂隙发育，气体渗透率最佳（图3）^[29-30]。工作面开采作业完成后，通常采用永久密闭墙隔离通风，此时，采空区煤柱、上覆、下伏岩层围限下形成一个相对封闭的储气空间^[12]。采空区遗煤、煤柱及邻近卸压煤层作为甲烷气体来源，采空区岩体孔隙−裂隙成为煤层气储集空间，主储气区域位于裂隙带内^[13-15]，而煤柱、弯曲下沉带及之上地层的封盖性能决定了储气空间的封闭性。然而，采空区煤层气垂向赋存边界尚未统一。韩宝山^[31]认为，邻近层残余瓦斯压力曲线斜率拐点对应的高度可作为采空区煤层气赋存的垂向界线；秦伟^[29]研究表明，充分采动下，卸压解吸带高度将发育至主关键层以下；孟召平等^[13]认为，采空区煤层气赋存范围是以裂隙带顶部及破断角延伸围限形成的梯形体区域。

图  3  采空区“三带”分布、应力分区示意^[20]

Figure  3.  “Three zones” distribution and stress zoning in goaf^[20]

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2009年兼并重组前和重组中关闭煤矿房柱式开采形成的采空区残留煤炭较多，并由于开采强度低，采动裂隙发育较差。而去产能关闭煤矿多数存在2层或3层采空区，部分煤矿采空区层数可达6层（表1）。从浅层至深层采空区，伴随着采煤方式的演化，从而形成复杂的储集空间。阳泉矿区15号煤层位于太原组下段，厚度介于0～11.26 m，平均5.20 m；晋城矿区山西组3号煤层平均厚度达5.28 m，15号煤层厚0.80～7.07 m。当深部厚煤层长壁式开采后，裂隙带高度大，采动裂隙沟通浅层采空区时，形成统一的含气系统。

以阳泉三矿15号煤层K8206采空区为例，应用3DEC数值模拟软件，根据煤层开采实际地质条件，确定边界条件，进行了上覆岩层位移、变形模拟。根据邻近采空区钻孔柱状图确定顶底板及上覆地层岩性、厚度，设置力学参数并建立模型。采空工作面宽度在180 m左右，保安煤柱宽度约20 m，建立240 m×200 m×120 m的数值模型，垂向上划分为23个不同水平岩层，顶部距地表约为600 m，故在顶部边界施加−14.7 MPa的等效载荷。模拟计算结果显示15号煤层开采后，采动裂隙直接影响12号煤层，裂隙带高度L₁=59.90 m，与上部9号、12号煤层采空区垂向连通（图4a）。采空区Z方向位移云图表现为梯形分布，向上位移量和影响范围逐渐减小，破断角约70°，8、9号煤层位于弯曲下沉带中，煤层卸压解吸（图4b）。

图  4  阳泉三矿K8206采空区Z方向位移变形数值模拟

Figure  4.  Numerical simulation of Z direction displacement deformation of K8206 goaf in Yangquan No.3 Mine

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基于采空区垂向“三带”特征，采空区煤层气储集空间的估算模型相继被提出^[13-14,28]。根据孟召平等^[13]建立的采空区垮落和裂隙带内孔隙−裂隙体积模型，随时间变化的采空区垮落带岩体孔隙体积$ {V}_{\mathrm{m}}\left(t\right) $为

式中：L_a为工作面倾向长度，m；L_b为工作面走向长度，m；a₁为垮落带顶面沿倾向长度，m；a₁=L_a−2H_mcot φ，φ为岩层破断角，（°）；b₁为垮落带顶面沿走向长度，m，b₁=L_b−2H_mcot φ；H_m为垮落带高度，m；$ {n}_{{\mathrm{m}}}\left(t\right) $为压实过程中随时间变化的垮落带岩石孔隙率，%：S₀为顶板岩层原始孔隙率，%；K′_p(t)为随时间变化的垮落带岩石碎胀系数，无量纲。

随时间变化的采空区断裂带内岩体孔隙体积参数$ {V}_{{\mathrm{l}}}\left(t\right) $为

式中：h为距离垮落带顶界高度，m；H_l为裂隙带绝对高度，m；$ n\left(h,t\right) $为断裂带范围内随时间变化的不同高度破裂岩体的孔隙率，%。

基于采空区数值模拟实验结果获取破断角参数，根据闭坑报告中煤层采高、顶板岩性、力学性质按照水文地质“三带”经验公式计算垮落带和裂隙带高度，对阳泉−晋城矿区南庄煤矿、三矿、天安圣华、古书院煤矿典型采空区开展了储集空间计算，计算结果见表2。定义I为垮落带与裂隙带孔隙体积之和与工作面体积（工作面长度×宽度×采高）的比值，其值介于0.53～0.94。阳泉矿区15号煤和晋城矿区3号煤厚煤层采空区，I值基本小于0.80，介于0.53～0.73，而中厚煤层采空区I值通常大于0.90（表2）。

表  2  阳泉−晋城矿区关闭煤矿典型采空区储集空间

Table  2.  Typical goaf storage space of closed coal mines in Yangquan and Jincheng Mining Areas

采空区名称	煤层	采高/m	工作面长度× 宽度/（m×m）	破断角/（°）	垮落带 高度/m	裂隙带 高度/m	垮落带体积/ 104m3	裂隙带 体积/104m3	垮落带孔隙 体积/104m3	裂隙带孔隙 体积/104m3	I
南庄2017年采空区	15	5.72	1065×187	55	12.47	50.46	234.77	555.30	40.01	43.37	0.73
三矿7212工作面	3	2.30	370×150	60	5.09	32.10	37.19	126.11	3.52	8.52	0.94
三矿K8206工作面	15	6.20	1640×250	70	12.87	59.90	516.67	1696.21	65.05	108.20	0.68
天安圣华1302工作面	3	5.95	190×90	68	8.64	50.95	13.94	46.70	1.96	3.38	0.53
古书院15233工作面	15	2.05	1000×175	58	7.60	54.86	128.72	619.00	8.81	23.78	0.91

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中−浅层原位煤层气以吸附态为主赋存于煤基质孔隙中。阳泉−晋城矿区主采煤层以高煤阶贫煤、无烟煤为主，前人对其储层孔−裂隙开展了较为详细的研究，并揭示了其差异性发育特征^[32-34]。阳泉−晋城矿区关闭煤矿剩余原位煤炭资源以15号煤层为主，本次采集关闭煤矿相邻生产矿井五矿、成庄矿井下工作面采取块煤，开展了孔−渗相关测试，测试结果见表3。五矿15号煤层孔隙度介于3.69%～4.81%，渗透率介于0.0044×10⁻¹⁵ m²～0.0200×10⁻¹⁵ m²，而成庄矿15号煤孔隙度介于4.11%～5.45%，渗透率介于0.0042×10⁻¹⁵～0.0233×10⁻¹⁵ m²，后者平均孔隙度和渗透率均大于前者，这与矿区各煤层试井渗透率对比结果一致^[34]。流体注入联测（低压CO₂吸附−N₂吸附−高压压汞法）结果显示，15号煤孔隙发育程度相当，微孔比表面积介于97.58～120.76 m²/g，微孔体积介于0.017～0.022 cm³/g，微孔贡献了主要的比表面积和孔体积（表3）。进一步分别绘制孔径分布曲线，低压CO₂吸附揭示孔径<1.4 nm范围内的孔径分布，煤样孔径分布曲线具有相似性，呈多峰分布，主峰位置在1.15 nm附近，2个次峰位于0.6、1.25 nm附近（图5a）。液氮吸附揭示的介孔、大孔孔径分布（BJH模型）曲线也呈多峰分布，主峰位置在2 nm附近，2个次峰位于2.2、3.2 nm附近（图5b）。压汞法揭示孔径分布曲线呈单峰分布，小于10 nm的孔隙最为发育（图5c）。整体来看，15号煤微孔十分发育、介孔次之，大孔不发育。

表  3  阳泉−晋城矿区太原组15号煤孔−渗及孔隙结构参数

Table  3.  Pore structure parameters of No.15 coal in Yangquan and Jincheng Mining Areas

样品 编号	采样 地点	孔隙率/%	渗透率/10−3 μm2	CO2吸附（0.5～1.4 nm）			液氮吸附（1.7～300 nm）			压汞法（>7.35 nm）
				比表面积/ （m2·g−1）	总孔体积/ （cm3·g−1）		BET比表面积/ （m2·g−1）	总孔体积/ （cm3·g−1）		总孔体积/ （cm3·g−1）	平均孔径/ nm
WK−1	五矿83208工作面	4.81	0.0150	115.13	0.019		2.50	0.005		0.036	26.6
WK−2		3.93	0.0200	115.56	0.019		1.53	0.004		0.030	19.2
WK−3		3.69	0.0044	116.95	0.019		2.03	0.004		0.026	20.4
CZ−1	成庄矿3303工作面	4.11	0.0042	97.58	0.017		2.42	0.005		0.028	23.7
CZ−2		4.59	0.0233	120.76	0.022		2.44	0.004		0.033	23.6
CZ−3		5.45	0.0100	117.33	0.021		2.12	0.004		0.040	31.5

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图  5  阳泉−晋城矿区太原组15号煤孔径分布曲线

Figure  5.  Pore size distribution curves of No. 15 coal in Yangquan and Jincheng Mining Areas

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2.2   含气性

作为后期二次运移富集形成的关闭煤矿采空区煤层气资源，先天的资源条件决定其后期资源丰度。阳泉矿区整体构造相对简单，地层以单斜构造为主，大型断裂不发育，太原−山西组煤层直接顶板多为泥岩、砂质泥岩，封闭性能较好，有利于气体保存，埋深300～1000 m间，煤层含气量介于5～30 m³/t^[33-34]。煤层含气量整体表现为埋深控制，从北东至南西方向，呈现逐渐增加的变化趋势^[33-34]（图1）。晋城矿区断裂构造发育，但集中于矿区西部及东部晋获断褶带。晋获断褶带以东，山西−太原组煤层埋藏浅，煤层气逸散严重，含气量较低，基本小于2 m³/t^[35]。而向矿区中部，煤层埋深逐渐增大，含气量增加明显，煤层埋深300 m以上，其含气量一般介于15～20 m³/t，平面上总体呈现出四周低，中部高的特点（图2）^[33-34]。整体上，煤层埋深和局部构造是煤层含气性的主要控制因素，故阳泉−晋城关闭煤矿中的高瓦斯矿井主要分布于煤层埋深较深的矿区中部。

甲烷浓度作为关闭煤矿采空区含气性的直观指标，受控于煤层、储气空间结构及封闭条件。由于采空区残煤均经过不同程度的瓦斯抽放，采空区封闭后，采空区残煤煤层气含量越高，残煤量越大，煤层气富集区内的甲烷浓度越高^[36]，具体受原位煤层含气量、瓦斯抽放率、采煤方法、工作面回采率4个条件影响。储气空间结构控制煤层气的空间分布，从下到上可分为甲烷高浓度区、甲烷过渡区、甲烷富集区和甲烷无流区^[17,37]。采空区煤层气地面抽采实践表明，晋圣永安宏泰煤矿（高瓦斯矿井）3号煤层采空区钻孔显示甲烷浓度介于86.29%～95.19%，平均为91.48%^[13]；武安矿（关闭）施工的采空区煤层气钻孔采样结果显示，甲烷浓度为85%；晋城矿区侯村矿在其兼并重组的关闭矿井的3号煤层1992—1996年采空区施工地面钻孔WACK−01号，孔口气体中甲烷浓度85%。这些高瓦斯矿井煤层原始含气量高、采空区遗煤资源量大（采煤方法落后，回采率低）、采空区积水少，其采空区裂隙带甲烷浓度较高，通常介于80%～95%。然而，在南庄煤矿8824工作面2018年12月停采的采空区施工的GB−1井，气样无空气基组分测试结果显示，主要成分为甲烷（57.14%）和氮气（42.51%）；在鸿泰煤矿3206工作面2017年采空区施工的GB−2井，气样无空气基组分测试结果显示，主要成分为氮气（62.54%）、甲烷（37.24%），甲烷浓度相对较低。这是由于工作面采煤方法为走向长壁综采，工作面回采率通常大于90%，煤炭基本全部采出，采空区缺乏大量稳定的煤层气来源。此外，鸿泰煤矿奥灰水位标高高于3号煤层底板标高约50 m，采空区存在较严重积水，不利于煤层气保存。

时间尺度下，采空区甲烷浓度的演化主要受采空区封闭条件控制，主要包括地下水条件、三维封闭性、采空区封闭时间。煤矿关闭后，采空区地下水回灌，形成积水，长期积水可能造成大量残气溶解于水中，若径流条件较好，并造成溶解态煤层气运移^[16,27]。而当采空区上覆基岩厚度小于裂隙带高度或裂隙带沟通浅层塌陷采空区时候，垂向封闭性丧失，煤层气逸散严重，采空区甲烷浓度降低^[19-20]。采空区封闭时间也是影响采空区甲烷浓度的重要因素，甲烷排放速率在煤矿关闭后显著下降并随着时间的推移趋于平稳^[38]，而采空区并不能保持理想状态的绝对封闭，甲烷逸散不可避免^[19-20]。

2.3   资源分类

整体来看，阳泉−晋城矿区关闭煤矿呈现出整体分布不均，局部集中的特点，综合考虑资料详实程度、原位煤层气含量、采空区等特征，关闭煤矿煤层气资源可分为3类。

1）低瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源。2009年兼并重组前及重组中低瓦斯关闭煤矿采空区埋深浅，面积小，煤层气逸散严重，难以预测及利用。数据统计显示去产能低瓦斯关闭煤矿相对瓦斯涌出量介于3.91～5.45 m³/t时，原位煤层气含量介于1.17～2.20 m³/t。以凤凰山矿、古书院矿等为代表的大面积多层采空的低瓦斯矿井仍然具有一定的资源潜力。

2）高瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源。高瓦斯关闭煤矿以去产能关闭煤矿为主，原位煤层气含量高，采空区甲烷浓度基本大于60%，并有很大一部分吸附气资源量，煤层气资源潜力大，可以确保负压抽采下能够持续生产。

3）高瓦斯关闭煤矿原位煤层气资源。进一步可分为低丰度、高丰度原位煤层气资源两类，前者原位煤层气含量<8 m³/t，一般介于4～6 m³/t，资源丰度较低，后者原位煤层气含量基本>8 m³/t，资源丰度高。阳泉矿区高丰度原位煤层气资源主要赋存于深埋的15号煤层中，以保护煤柱为主；晋城矿区主要赋存于3号、15号煤层中，以本煤层及深部未采煤层为主，一部分为保护煤柱。

3.   关闭煤矿煤层气资源量预测

3.1   预测方法及范围

与传统煤层气资源量预测相比，关闭煤矿煤层气资源量预测方法显著不同，主要包括物质平衡法、资源构成法和下降曲线法^[13-15]。资源构成法资料收集量及难度小，计算相对简单，是目前常用的资源量预测方法，可以分为采空区游离态煤层气和赋存于卸压/原位煤层中的吸附态煤层气，溶解态的煤层气量可以忽略不计^[13]。

笔者研究基于资源构成法，构建了关闭煤矿采空区煤层气资源量预测模型，计算关闭煤矿采空区煤层气资源量；采用体积法，计算原位煤层气资源量。

资源量预测范围为资料收集完整的去产能高瓦斯关闭煤矿和部分资源及封闭条件良好的低瓦斯关闭煤矿（表4）。当低瓦斯关闭煤矿中原位煤层气含量小于1.8 m³/t时，残煤吸附气量低，只计算游离态煤层气，吸附态煤层气忽略不计。此外，对于关闭煤矿来说，并不是所有的采空区及原位煤层都具备资源潜力，也存在资源不可预测区^[19-20]，包含如下：

表  4  关闭煤矿煤层气资源量预测范围

Table  4.  Forecast range of coalbed methane resources inclosed coal mines

序号	矿区	煤矿名称	瓦斯 等级	采空区甲烷 浓度/%	采空区 充水系数K
1	阳泉	鸿泰	高瓦斯	37	0.50
2		平定泰昌		57	0.15
3		三矿		62	0.10
4		南庄		57	0.10
5		阳泉燕龛		37	0.10
6		富鑫		57	0.10
7		万和兴	低瓦斯	37	0.10
8	晋城	古书院	低瓦斯	37	0.10
9		王台铺		37	0.10
10		北岩		14	0.10
11		凤凰山		35	0.10
12		侯甲	高瓦斯	—	—
13		演礼		85	0.20
14		天安圣华		85	0.20

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① 采空区埋深浅、导水裂缝带沟通地表或地表大面积塌陷积水；② 当高瓦斯矿井采空区距今40年以上时，低瓦斯矿井距今20年以上时，认为不可预测^[19-20]。采空区距今时间越长，越不利于采空区煤层气资源的保存；③ 采空区积水情况严重；④ 采空区资料缺失或者不明确；⑤ 断裂、陷落柱密集发育的原位煤层区域。

3.2   预测参数

采空区煤层气资源预测的基本单元为垂向、侧向导通的采空区群^[19-20]。根据孟召平等^[13]建立的采空区冒落带和裂隙带内孔隙−裂隙模型，垮落带与裂隙带孔隙体积之和与工作面体积的比值I，介于0.53～0.94之间，考虑到采空区积水及气体的压缩效应，则采空区游离气总量Q_yl为

式中：S_c表示采空区面积，m²；H_c为煤层采高，m；g_yl表示采空区甲烷体积分数，%；K为采空区充水系数，无量纲。

采空区甲烷体积分数和充水系数取值见表4，前者取值基于已有采空区钻井井口甲烷浓度信息及已知相邻矿井采空区甲烷浓度数据，对于数据缺失的矿井，则参考高瓦斯矿井/低瓦斯矿井采空区甲烷浓度平均值，后者根据关闭煤矿闭坑报告采空区积水确定。

采空区吸附气资源量包括煤柱、采空区遗煤和邻近卸压煤层吸附气资源量^[28]。采煤工作面经过综合开采，充分扰动后，采空区遗煤解吸严重，接近充分解吸后的残余气量q_cy。因此，这部分资源量Q_x1由以下公式计算：

式中：Q_x1为采空区遗煤吸附气资源量，10⁴ m³；M_y表示采空区工作面遗煤，10⁴ t，根据采区/工作面回采率计算；q_cy表示残余含气量，m³/t，标准大气压条件下的实测吸附气含量，由收集矿 井煤样相关吸附参数计算得出。

对于开采层煤柱中的吸附气资源量，煤层卸压不完全解吸，煤柱宽度按照根据采空区横向裂隙宽度确定，其资源量Q_x2由以下公式计算：

式中：M_z为采空区煤柱资源量，10⁴t；q_c为残存含气量，m³/t；$ \eta $为煤层气排放效率，%；q₀表示煤层初始含气量，m³/t。

同理，邻近卸压煤层吸附气资源量Q_x3由以下公式计算：

式中：M_z为采空区煤柱资源量，10⁴t；q_c由不同的煤层气排放效率$ \eta $确定，η根据与邻近煤层平均间距，按照《矿井瓦斯涌出量预测方法AQ 1018−2006》标准确定。

值得注意的是，由于关闭煤矿采空区众多，上部卸压煤层资源量M_x3由以下公式计算：

式中：H_x为邻近煤层的厚度，m；$ \rho $表示邻近层煤层密度，g/cm³。

原位煤层气含量采用井下瓦斯测试或者钻井解吸数据，如果关闭煤矿该数据缺失，可以从相邻矿井资料中获取。根据《煤层气资源/储量规范》，阳泉−晋城矿区煤层气含气量的下限标准为8 m³/t。原位煤层气资源量$ {Q}_{\mathrm{y}\mathrm{w}} $由下式计算：

式中：$ {q}_{\mathrm{y}\mathrm{w}} $为原位煤层含气量，m³/t；$ {M}_{\mathrm{T}} $为未受采动、构造影响的原位煤炭资源量，10⁴t。

3.3   预测结果

阳泉−矿区关闭煤矿煤层气资源量预测包括14个煤矿，其中9个为高瓦斯煤矿，根据采空区上下叠置及连通情况，将阳泉矿区关闭煤矿采空区共分为21个评价单元，将晋城矿区关闭煤矿采空区分为20个评价单元。以阳泉南庄煤矿为例，将12号、15号煤采空区划分为3个资源预测单元，分别为NZ−1、NZ−2、NZ−3。NZ−1单元包括垂向连通的12号、15号煤层采空区，采空区位置大致重合。NZ−2单元12、15号煤层采空区不完全重合，12号煤层部分卸压。NZ−3单元为矿区东缘的15号煤层采空区，上部12号煤层卸压。此外，根据原位煤层展布特征，将原位煤层分为NZ−4和NZ−5共两个资源量预测、评价单元（图6）。

图  6  南庄煤矿煤层气资源量预测单元

Figure  6.  Plane distribution of coalbed methane resources prediction unit in Nanzhuang Coal Mine

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南庄煤矿采空区煤层气资源量预测见表5。3个评价单元，合计的采空区游离气资源量为1282.79×10⁴ m³，采空区工作面遗煤吸附气资源量达1188.09×10⁴ m³，采空区煤柱吸附气资源量为2050.68×10⁴ m³、采空区卸压煤层吸附气资源量达1005.86×10⁴ m³，合计采空区资源量为5527.42×10⁴ m³，其中游离气资源所占比例为23.21%。NZ−4和NZ−5原位煤层位于NZ−2采空区北部和南部，基本为保护煤柱资源，原位煤层资源量为602.47×10⁴ t，原位煤层气资源量为5317.29×10⁴ m³。总的来说，南庄关闭煤矿煤层气资源量合计10844.71×10⁴ m³。

表  5  阳泉南庄煤矿采空区煤层气资源预测

Table  5.  Prediction table of goaf coalbed methane resources in Yangquan Nanzhuang Coal Mine

预测单元	煤层	编号	采空区体积/ 104m3	My/104t	Mz/104t	Mx/104t	Qyl/104m3	Qx1/104m3	Qx2/104m3	Qx3/104m3	采空区煤层 气资源/(104m3)
NZ−1	12	空1	103.46	36.48	34.70		53.08	48.89	56.56		158.52
	15	空5	441.33	155.61	187.00		226.40	208.52	304.81		739.74
NZ−2	12	空2	10.49	3.70	10.68		5.38	4.96	19.07		29.41
	12	空3	55.63	19.61	12.41		28.54	26.28	24.89		79.71
	12	空4	126.22	44.51	83.48		64.75	65.42	185.58		315.75
	15	空6	1515.15	534.25	541.08		777.27	715.89	1112.46		2605.62
	12(邻)			45.04		75.07				156.90	156.90
	12(邻)					30.74				135.37	135.37
	12(邻)					124.96				579.01	579.01
NZ−3	15	空7	248.29	88.16	168.92		127.37	118.13	347.30		592.80
	12(邻)			30.20		50.33				77.41	77.41
	12(邻)					20.46				57.16	57.16

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经过计算，在资源预测范围内，阳泉矿区关闭煤矿游离气资源量为6266.89×10⁴ m³，吸附气资源量为27890.72×10⁴ m³，总计采空区煤层气资源量为34359.25×10⁴ m³，游离气资源量所占比例为18.24%，原位煤层气资源量达75063.18×10⁴ m³（表6）。晋城矿区关闭煤矿游离气资源量为2403.34×10⁴ m³，吸附气资源量为9611.42×10⁴ m³，合计采空区煤层气资源量为11714.76×10⁴ m³，游离气资源量所占比例为20.52%，原位煤层气资源量达71324.94×10⁴ m³（表6）。总的来说，阳泉−晋城矿区关闭煤矿采空区煤层气资源合计46074.01×10⁴ m³，原位煤层气资源量达146388.12×10⁴ m³。其中，阳泉三矿和南庄煤矿的资源条件最好，采空区体积、游离气与吸附气资源量及资源总量都远大于其他关闭煤矿。

表  6  阳泉−晋城矿区关闭煤矿煤层气资源量预测结果

Table  6.  Prediction results of coalbed methane resources in closed coal mines in Yangquan and Jincheng Mining Areas

矿区	煤矿名称	采空区体积/ 104 m3	游离气资源量/ 104 m3	吸附气资源量/ 104 m3	采空区煤层气资源量/ 104 m3	原位煤层气资源量/ 104 m3
阳泉矿区	富鑫	394.24	202.25	1033.49	1235.74	—
	泰昌	729.85	353.61	2313.57	2667.18	—
	鸿泰	223.55	41.36	338.59	379.95	1687.15
	燕龛	268.72	89.48	718.03	807.52	—
	三矿	7624.85	4254.66	19157.01	23411.68	68058.74
	南庄	2500.56	1282.79	4043.01	5527.42	5317.29
	万和兴	128.34	42.74	287.02	329.76	—
	小计	11870.11	6266.89	27890.72	34359.25	75063.18
晋城矿区	演礼	117.90	80.17	522.78	602.95	26824.70
	天安圣华	67.25	45.73	287.68	33.41	—
	侯甲	—	—	—	—	44500.24
	古书院	2613.11	870.17	4180.46	5050.62	—
	王台铺	1028.60	342.52	834.06	1176.59	—
	凤凰山	3247.42	1022.94	3786.44	4809.38	—
	北岩	298.65	41.81	—	41.81	—
	小计	7372.93	2403.34	9611.42	11714.76	71324.94
合计		19243.04	8670.23	37502.14	46074.01	146388.12

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4.   抽采模式

目前，关闭煤矿煤层气抽采（图7）以地面钻井为主，主要包括地面直井抽采、L型井抽采、采空区煤层气与水平邻近原位煤层气合采及过采空区下部煤层气抽采^[23,39-43]。采空区地面直井通常采用三开设计，两级固井，悬挂割缝完井的井身结构设计，三开并不穿过采空区，而是位于煤层上方裂隙带中^[23,39-40]。井位布置应避开断层、陷落柱等不利的地质构造，并错开主采空区上不连通的采空区，井位布置在采空区“O”型裂隙区范围内（图7a）。由于采空区岩层稳定性较差，存在水平、垂向上的剪切位移，容易破坏井身结构，可在满足工程成本要求的基础上适度增大各级井段的钻井直径，保证井眼的有效畅通^[23]。抽采方式包括地面负压抽采^[39]和排水采气一体化抽采^[40]。L型水平井在煤矿采动区煤层气地面抽采中应用广泛^[41]，也被认为可用于关闭煤矿采空区煤层气抽采，适用于地质构造简单、基础资料准确、埋深适中的采空区群^[42]。以采空区周边稳定的保安煤柱作为井位，一开钻至基岩下，二开钻至采空区裂隙带上方稳定岩层，造斜，三开大范围的揭露采空区空间，并采用割缝筛管护壁^[42]（图7b）。连通采空区后，利用地面负压抽采设备进行负压抽采。关闭煤矿采空区地面直井抽采存在甲烷浓度和产量衰减快等问题^[39]。通过采空区与水平邻近原位煤层（煤柱）合采，以便于煤层气井达到增产增效效果。可在距采空区水平距离130～170 m的煤柱上布设压裂井，在采空区“O”型圈上布设直井抽采井，通过压裂井压裂，将煤矿原位−采空区煤层气形成统一、连通的含气系统，可提高抽采效率（图7c）。此外，采空区下部卸压区中煤储层渗透率增加，解吸并赋存了大量的游离气^[43]，通过对卸压区及卸压区下煤层施工过采空区钻井，并射孔压裂，见气时间短，产气较稳定，在晋城矿区寺河井区取得了良好的应用效果^[43]，能够最大程度利用矿区煤层气资源（图7d）。

图  7  关闭煤矿煤层气抽采模式

Figure  7.  Drainage modes of coalbed methane in closed coal mine

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晋城矿区演礼、天安圣华等高瓦斯关闭煤矿采空区为3煤单层采空区，矿井面积及采空区面积小，相对分散分布，采空区煤层气资源量有限，但深部15号未动用煤层原位煤层气资源较丰富，可以考虑采空区地面直井抽采或过采空区下部煤层气抽采。晋城矿区东部集中分布的凤凰山、古书院、王台铺3个低瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源量较大，垂向上存在3、9、15煤三层采空区，3煤采空区埋深主体介于100～200 m，9、15号煤采空区基本垂向叠置，面积大、相互连通，埋深主体介于200～400 m，15煤煤层气含量介于1.11～2.71 m³/t，处于氮气−甲烷带。可以选择错开3煤采空区，施工地面直井抽采9、15煤采空区煤层气资源。阳泉矿区富鑫、泰昌、燕龛高瓦斯关闭煤矿垂向上虽然存在多层采空区，但以15煤采空区为主，采空区面积小，分布相对分散，采煤方法落后，工作面回采率低，开展15煤采空区地面直井抽采为最佳选择。三矿、南庄煤矿3煤采空区时间久远（>30年），逸散严重，12、15号煤层以长壁式综采为主，工作面回采率高，采空区连续分布，但甲烷浓度不高，可开展L型井负压抽采，沟通侧向采空区群，减少施工成本、提高抽采效率。此外，矿井中原位煤层气资源丰富，在靠近原位煤层的采空区，可考虑采空区煤层气与水平邻近原位煤层气合采。

5.   结　　论

1）阳泉−晋城矿区2009年兼并重组前和兼并重组中关闭煤矿共153座，煤层埋深浅，基本为低瓦斯煤矿。2016—2020年去产能关闭煤矿37座，其中阳泉矿区关闭煤矿分布较集中，以高瓦斯矿为主，垂向上存在多层采空区；晋城矿区分布相对零散，以低瓦斯矿井为主，采空区多为单层或两层。

2）关闭煤矿煤层气资源由采空区煤层气资源与原位煤层气资源构成。采空区煤层气以游离态为主赋存于采空区孔隙−裂隙中，计算结果表明，厚煤层采空区垮落带与裂隙带孔隙体积之和与工作面体积的比值I介于0.53～0.73，而中厚煤层采空区I值通常大于0.90。原位煤层气主要以吸附态赋存于煤基质孔隙中，阳泉−晋城矿区15号煤孔隙度介于3.69%～5.45%，微孔比表面积介于97.58～120.76 m²/g，微孔体积介于0.017～0.022 cm³/g，微孔最为发育。煤层埋深和局部构造是原位煤层含气性的主控因素，而甲烷浓度作为采空区含气性的重要指标，受控于煤层、储气空间结构及封闭条件。

3）根据资源与关闭煤矿特征将阳泉−晋城矿区关闭煤矿煤层气资源分为3类：低瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源、高瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源和高瓦斯关闭煤矿原位煤层气资源。构建了关闭煤矿采空区煤层气资源量预测数学模型，预测了采空区煤层气资源量；采用体积法，预测了原位煤层气资源量。在资源预测范围内，阳泉−晋城矿区关闭煤矿采空区煤层气资源量合计46074.01×10⁴ m³，原位煤层气资源量达146388.12×10⁴ m³。此外，总结了4种煤层气抽采模式，并针对各关闭煤矿提出了利用方向。