一种用于识别甲烷富集区域的新标准，以实现绿色开采和减排

《Geoenergy Science and Engineering》：A Novel Criterion for Identifying Methane Enrichment Zones towards Green Extraction and Emission Reduction

　　刘思博|赖兴平|林海飞|单鹏飞|刘彦伟|孔向国|周斌|毕彪|韩凯|李博涛 西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省西安市710054 摘要 实现煤矿中精准甲烷提取技术的绿色低碳运营是煤炭行业可持续发展的关键途径。甲烷是煤矿严重事故的主要原因，因为在一定浓度范围内遇到火源时可能引发爆炸，而浓度过高时则可能导致窒息。甲烷的预防和控制已成为亟待解决的问题，以确保高甲烷矿井的高效生产。准确识别用于压力释放的甲烷提取关键区域是有效控制甲烷的基础。为了明确全机械化工作面中压力释放甲烷迁移和富集的位置，本研究利用压力拱理论、基础梁理论和关键层（KS）理论分析了分离裂缝和破裂裂缝的形成条件，从而确定了采场中裂缝的空间分布模式。考虑到开采上覆岩层的整体甲烷阻力特性，将煤层与目标层之间的所有岩层视为等效甲烷阻力层。研究结果表明，等效甲烷阻力系数随着距离煤层到目标层的距离增加而呈指数增长，表明甲烷向上层岩层的迁移受到越来越强的限制，且阻力增长率在连续岩层中逐渐加快。对不同类型裂缝中甲烷流动特性的分析表明，低拉伸裂缝具有最显著的甲烷分流能力。压力释放甲烷的主要迁移路径是通过低拉伸裂缝向上“阶梯跳跃”运动，最终在分离裂缝网络的空间中积聚。通过整合裂缝空间位置、提取流量、甲烷浓度和储层条件，建立了识别甲烷迁移富集区域的位置标准。随后，通过进一步考虑钻孔完成效率和钻井作业的甲烷控制性能，确定了关键提取区域。该方法在试验工作面进行了工程验证，取得了良好的提取效果。这些发现有助于提高压力释放甲烷提取的效率。 引言 目前，“碳达峰和碳中和”的目标已获得广泛共识。甲烷占煤炭开采碳排放的很大比例。因此，基于源碳减排原理开发零排放甲烷技术是实现“双碳”目标的有效途径（Flores等人，2025；Zhang等人，2022b；Ji等人，2024a）。煤层受到开采应力的影响，导致吸附的甲烷释放出来。当空气流入工作面时，这些释放的甲烷会积聚，从而可能引发甲烷爆炸（Jing等人，2024；Li等人，2023）。控制甲烷灾害的主要方法是甲烷提取（Szott等人，2025；Fan等人，2023；Liu等人，2020；Zhang等人，2018），而压力释放甲烷提取是管理甲烷灾害的有效方法之一（Zhang等人，2015；Chang等人，2018）。因此，准确识别用于压力释放的甲烷提取关键区域具有重要的工程意义。它不仅能够优化提取效率，还对实现“双碳”目标做出重要贡献。 开采上覆岩层中的裂缝为压力释放甲烷的迁移和富集提供了通道（Zhao等人，2025；Zou等人，2023）。Lin等人（2023）研究了超厚煤层开采中由开采引起的裂缝特性，将压力释放甲烷富集区域分为低、中、高三个等级，并指出在关键层破裂之前，富集区域的规模持续增大。关键层破裂后，其规模迅速减小，随后随上覆岩层压力的变化而周期性变化。Zhao等人（2020）通过物理相似性模拟将甲烷迁移通道分为甲烷活跃区、迁移区和富集区，考虑了开采引起裂缝的分形特性和雷诺数。Wang等人（2023）指出，采空区中心的破裂裂缝是封闭的，只有少数裂缝能够延伸到分离裂缝并与之相连。这些裂缝的数量和连续性有限。Yuan等人（2019）利用数字图像技术研究了开采上覆岩层中分离裂缝的传播过程，并指出分离裂缝的发展呈现出跳跃式特征。基于裂缝形态和参数特性，Liang等人（2023）提出了一种识别甲烷迁移通道和富集区域的方法。Zou等人（2023）观察到，由于长期应力作用，废弃矿井采空区上覆岩层中的裂缝逐渐闭合，导致裂缝面积减小，阻碍了甲烷的向上迁移。 大量的工程实践表明，压力释放甲烷富集区域具有高渗透性（Gao等人，2022；Ji等人，2023；Ji等人，2024b）。目前，关于开采引起裂缝的渗流特性已开展了大量研究（He等人，2025a；He等人，2025b）。Huang等人（2016）指出，随着裂缝长度的增加，渗透性呈指数下降。Xu等人（2022）基于分形理论定量研究了开采上覆岩层中裂缝的发展过程，并为裂缝岩体建立了分形渗透性模型。裂缝区域的渗透性分布呈现出两侧高、中间低的特征。具体来说，较长的裂缝长度、较高的裂缝密度、较大的开口宽度以及裂缝与流动方向之间的较小角度都有助于增强渗流能力（Shi等人，2023）。Tu等人（2016）研究了采空区中渗透性的演变，并建立了采空区等效渗透性的计算模型，为甲烷迁移模式的定量分析奠定了基础。 压力释放甲烷提取钻孔应建在甲烷富集区域内，这些区域的甲烷流动性强且浓度高（Zhao等人，2023）。