综述：在水合物技术应用于煤层开发方面取得的进展：综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Progress achieved in the application of hydrate technology to coal seam development: A review

本文系统研究水合物技术在煤矿瓦斯管理及煤bed methane（CBM）分离中的应用，分析其热力学动力学特性、煤体渗透性与力学性能的协同效应，探讨添加剂对水合物形成的影响及天然水合物在煤层的赋存规律，提出通过水合物固气实现瓦斯压力调控与CBM高效分离的可行性，并指出技术转化中存在的稳定性、成本效益及环境风险等挑战，强调跨学科协同创新对推动技术工程化应用的重要性。

　　

赵正马|罗婷婷|张叶|B.N. 马杜苏丹|尚冠一怀|李杨辉|宋永晨|杨伟豪

中国矿业大学力学与土木工程学院智能建造与深部地下工程健康运维国家重点实验室，徐州，221116，中华人民共和国

摘要

管理煤层瓦斯以及分离煤层气（CBM）对于确保安全采矿作业和促进环境可持续的采矿实践至关重要。水合物技术利用水分子的特性在特定的温度和压力条件下将气体分子封装起来，从而实现气体的有效固化，防止煤与瓦斯爆炸，并能够选择性地分离和纯化甲烷（CH₄）。本文首先回顾了与煤层中瓦斯/CBM形成相关的水合物的热力学和动力学特性，包括其背后的机制。接着讨论了煤层中自然存在水合物的可能性及其与煤层特性的关系。随后分析了基于水合物的煤与瓦斯爆炸预防的可行性。总结了含水合物煤的渗透性和力学性能的最新进展，强调了其在降低气体压力和减轻爆炸风险方面的独特优势。此外，还批判性地评估了使用传统表面活性剂、生物添加剂、氨基酸、纳米材料和乳液进行基于水合物的CBM分离的潜在机制和有效性。最后，本研究指出了在水合物技术管理煤与瓦斯爆炸和分离CBM方面所面临的挑战和前景，特别是水合物稳定性的问题。结论强调，未来的跨学科合作创新对于将水合物技术从实验室研究转化为实际应用至关重要。这样的进步预计将为煤矿安全和资源利用提供理论和技术支持。

引言

煤炭在全球能源结构中发挥着关键作用，是稳定供应的“支柱”[1]。随着煤炭燃烧引起的环境问题日益突出，以及碳峰值和碳中和（“双碳”）目标的广泛采纳，许多国家煤炭在总能源消费中的比例一直在稳步下降[2]。2024年，中国的煤炭消费占总能源消费的53.2%，比上一年减少了1.6个百分点[3]。然而，中国生产了47.8亿吨原煤，同比增长了1.2%[3]。考虑到中国的能源资源状况——煤炭储量丰富，石油稀缺，天然气有限[4]，以及当前新能源来源的不可靠性[5]，短期内煤炭主导的能源结构不太可能发生显著变化[6]。随着采矿设备和技术的发展，全球范围内从更深的深度开采煤炭资源[7]。然而，煤与瓦斯爆炸的相关风险日益加剧，不仅导致了巨大的经济损失，也威胁到了矿工的安全[8,9]。在一般情况下，大多数煤与瓦斯爆炸现象是由瓦斯（主要成分是甲烷，CH₄）引起的；但在特定的地质条件下，二氧化碳（CO₂）可能成为主要气体。Black对1895年至2017年间澳大利亚记录的122年煤与瓦斯爆炸事件进行了全面回顾，指出CH₄、CO₂及其混合气体是这些事件的主要原因[10]。在中国甘肃及其他地区也观察到了CO₂占主导趋势的现象[11]。尽管成分不同，CH₄仍然是防止爆炸和资源回收工作的核心。从安全角度来看，CH₄是防止爆炸技术的主要目标；从资源角度来看，它是煤层气（CBM）利用中最有价值的成分。CBM的成分与瓦斯相似，被视为煤炭开采中的相关资源。高效利用CBM不仅有助于减轻煤炭开采中的安全风险，还可以作为清洁能源，有助于优化能源结构[12,13]。因此，短期内合理高效地开发煤层被视为各国能源转型策略中必须解决的问题。

煤与瓦斯爆炸被认为是煤矿中极其复杂的动态现象，主要表现为气体窒息和煤尘的冲击与掩埋[14]。这些爆炸通常由多种因素共同触发，包括煤层内气体的积聚、压力突然释放、煤层应力增加以及煤强度低[[15], [16], [17]]。随着煤炭开采逐渐向更深的深度进行，煤层内的原位应力和气体压力增加，导致内能积累。当气体压力超过临界值且煤强度较低时，煤与瓦斯爆炸的风险显著增加。此外，作为瓦斯和CBM主要成分的CH₄对温室效应的影响巨大，其贡献率是二氧化碳（CO₂的20多倍[18]。此外，作为非常规天然气的CBM被认为是全球能源产业结构的重要组成部分[19]。CBM的开发和利用不仅减少了地表气体排放，缓解了温室效应，还为各地区提供了稳定可靠的能源供应，带来了显著的环境和社会经济效益[20]。然而，CBM的开发和利用面临着提取量巨大但利用率低的挑战[21]。这一问题归因于提取的CBM浓度低以及缺乏高效的分离和纯化技术[22]。因此，实现高效安全的CBM管理和利用不仅对确保煤矿作业的安全至关重要，也有助于推进绿色采矿开发和优化能源结构[23]。

为了解决与煤层开发相关的问题，学者和技术人员探索了多种管理措施。其中，预防和控制煤与瓦斯爆炸主要是为了提高煤的渗透性以增加气体排放效率或降低煤层内的气体压力。当前的综合性预防和控制方法主要包括开采保护层[24]、预抽气体[25]以及向煤层注入水[26,27]。局部预防措施包括水力压裂[28]和水力破碎[29,30]等。CBM分离技术包括膜分离[[31], [32], [33]]、压力摆动吸附[34,35]和CO₂置换方法[36]。随着俄罗斯[37]、加拿大[38]、美国[39]、日本[40]和中国[41,42]等国发现并进行了试点测试，天然气水合物已在多个领域显示出潜力，包括CO₂封存[[43], [44], [45]]、制冷[[46], [47], [48]]和海水淡化[49,50]。这为瓦斯管理和CBM分离提供了新的理论支持和技术途径[51,52]。水合物的大储存能力和温和的操作条件大大增强了这项技术的可行性[[53], [54], [55], [56]]。通过在煤层开发中应用水合物技术，不仅可以有效管理气体，还可以开辟新的能源回收途径，减轻环境压力，并提高整体资源利用率。

然而，基于水合物的煤与瓦斯爆炸预防和CBM分离的应用仍处于研究阶段，存在诸如水合物稳定性、转化效率、经济成本和环境影响等各种技术挑战，这些都需要进一步研究和监测。研究了各种添加剂对水合物形成热力学和动力学的促进作用。分析了煤层中自然存在水合物的可能性，并总结了水合物技术在瓦斯管理和CBM开发中的最新应用。此外，还探讨了这些技术在相关领域的价值和挑战。通过回顾相关研究的进展，本文为瓦斯管理和CBM利用提供了科学证据和技术支持，从而促进了煤矿生产的安全生产和资源的有效利用。

水合物晶体类型

水合物是由宿主分子（水分子）和客体分子（气体分子）组成的笼状冰晶结构[57]。水分子通过氢键相互连接，形成笼状结构，而气体分子则通过范德华力稳定地封装在“笼子”内[58]。根据气体成分和浓度的不同，水合物晶体可以形成不同大小和结构的笼子。

煤层中自然存在水合物的可能性

煤层中的温度和压力条件以及水合物的存在与否对煤层的开采、储存以及CBM的开发和利用有显著影响。通过研究煤层中的水合物及其动态，可以更好地理解煤层中气体的行为和分布，从而开发更有效的气体管理技术并提高煤矿作业的安全性。

基于水合物的煤与瓦斯爆炸预防的技术原理

水合物具有高能量储存密度，大约每1立方米水合物分解可释放160–180立方米气体[155]。当大量气体在煤层中形成固体水合物时，这种高能量储存特性显著降低了气体压力，从而防止了煤与瓦斯爆炸。基于此，Wu等人首次提出了“基于水合物的煤与瓦斯爆炸预防”概念[156]，该概念涉及注入

基于水合物的CBM分离

全球公认的主要非常规天然气资源包括页岩气、煤层气、致密气和天然气水合物[236]。其中，CBM被认为是一种相对清洁的能源，在确保能源安全方面发挥着重要作用[237]。尽管CBM具有巨大的开发潜力，但在其利用过程中仍面临一些挑战，包括由于气体浓度较低等原因

挑战

在煤层中应用水合物技术时，许多学者对热力学、动力学、渗透性特性和力学性能进行了系统研究。虽然取得了丰硕的研究成果，但也面临各种挑战。

结论与建议

本文总结了水合物技术在煤层开发领域的研究进展，重点关注两个方面：基于水合物的煤与瓦斯爆炸预防和基于水合物的CBM分离。详细讨论了各种添加剂（因素）对水合物形成热力学和动力学的影响、含水合物煤的渗透性和力学性能及其对CBM分离的影响。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42576241）的支持。