整合建模与定向钻探技术用于深部煤矿甲烷减排：以波兰Staszic–Wujek煤矿为例

《Applied Sciences》：Integrating Modelling and Directional Drilling for Methane Mitigation in Deep Coal Mines: A Case Study of the Staszic–Wujek Coal Mine (Poland) Bart?omiej Jura, Marcin Karbownik, Jacek Skiba, Grzegorz Le?niak, Renata Cicha-Szot, Tomasz Topór and Ma?gorzata S?ota-Valim

　　

本文研究了硬煤开采中煤矿瓦斯抽采系统（coal mine methane drainage system）的有效性，特别关注位于波兰上西里西亚煤盆地（Upper Silesian Coal Basin, USCB）的Staszic–Wujek煤矿（Polska Grupa Górnicza S.A., Katowice, Poland）的501煤层。研究人员评估了考虑控制抽采钻孔最佳位置的地质力学条件（geo-mechanical conditions）下的瓦斯抽采效率（methane drainage efficiency）。分析了常规钻孔和长定向钻孔（long directional boreholes）。与常规静态分析方法相反，所提出的集成分析框架（integrated analysis framework）包含了多物理过程（multi-physics processes），提高了预测精度，并能够对深部煤矿的瓦斯控制进行动态优化。该框架再现了采矿系统的几何形状和周围岩体的力学性质，从而可以评估地质力学过程对瓦斯抽采效率的影响。研究人员分析了501煤层的瓦斯含量（methane content）和代表性煤样上的瓦斯吸附动力学（methane sorption kinetics），以及矿井通风系统的关键特征，包括采掘工作面和采空区（goafs）中的空气和压力分布，以及II/C采煤区（coal panel II/C）内瓦斯-空气混合物的迁移路径。

**论文解读：整合建模与定向钻探技术用于深部煤矿甲烷减排——以波兰Staszic–Wujek煤矿为例**

**研究背景与问题**
硬煤煤层中的甲烷是地下煤矿职业安全的威胁，同时甲烷排放至大气加剧温室效应。煤层气（coalbed methane, CBM）的管理在安全和环境方面具有重要意义，全球范围内正日益将其作为能源资源利用。尽管甲烷抽采技术已发展数十年，但抽采系统的合理设计及效率提升仍是研究热点与实践难点。现有文献主要关注钻孔初始位置的静态优化，但缺乏对采矿推进过程中地质力学条件动态演变的考虑，尤其是相邻采煤区（煤柱）之间的采空区相互作用对抽采效率的影响尚未得到充分研究。在波兰，由于煤层渗透率低，先进甲烷抽采方法应用受限，需依赖主动开采过程中的动态抽采。因此，亟需一种集成地质力学建模、通风模拟与现场监测的分析框架，以理解煤岩应力重新分布、裂隙网络演化与甲烷运移之间的关系，从而优化抽采钻孔布置，提升甲烷捕获效率，保障安全并减少排放。

**研究内容与结论**
本研究以波兰上西里西亚煤盆地（USCB）Staszic–Wujek煤矿501煤层II/C采煤区为案例，将定向钻探技术、有限元地质力学建模与通风空气动力学模拟相结合，构建集成分析框架。研究人员评估了常规孔（cross-measure boreholes, CM）与长定向孔（long-reach directional drilling boreholes, LRDD）的甲烷抽采表现，分析了地质力学条件对钻孔最佳位置的影响，并通过实验室吸附动力学实验、通风压力分布模拟及现场甲烷捕获数据，揭示了采空区连通、应力释放区变化与抽采效率之间的耦合关系。研究表明：定向钻孔在采矿早期（采空区未充分发展时）捕获效率高，但随着采空区扩展及与相邻采区采空区连通，甲烷优先向旧采空区迁移，导致定向钻孔效率显著下降；砂岩和粉砂岩层是甲烷运移和钻孔布置的最有利层位；常规风扇辅助抽采系统稳定性较好，而定向钻孔对通风压力变化更为敏感。论文发表在《Applied Sciences》。

**主要技术方法**
研究人员采用Visage有限元法（FEM）地质力学模拟器计算采矿引起的应力重新分布和破裂区几何形状，输入参数（杨氏模量、泊松比、单轴抗压强度（UCS）、摩擦角）来自矿区档案报告和数字化模型。通风分析利用Ventsim 3D矿井通风设计软件模拟采掘工作面和采空区的气流与压力分布。甲烷吸附动力学使用IGA-001重量法吸附系统测定10个代表性煤样的有效扩散系数（D_e）和半吸附时间（t_1/2），样品取自501煤层II/C采煤区附近。研究未涉及具体样本队列来源说明。

**研究结果**

*3.1 甲烷排放（Methane Emission）*
通过分析采动引起的应力松弛和裂隙发育对渗透率的影响，发现煤层开挖导致直接顶冒落区和主顶岩层破裂带中渗透率大幅提高，甲烷在压力梯度驱动下向采掘空间运移。统计数据显示，定向钻孔TM-3在采矿初期贡献最大甲烷捕获量，中期与常规孔相当，2022年7月II/C采煤区与I/C采空区连通后，定向钻孔捕获份额从70–100%降至30%。

*3.2 基于FEM数值模拟的瓦斯抽采钻孔地质力学条件（Geo-Mechanical Conditions for the Location of Methane Drainage Boreholes Based on FEM Numerical Modelling）*
数值模拟显示，有效垂直应力在采煤区前方的集中区与应力释放区范围：垂直方向应力松弛向上延伸约160 m，向下约60 m；水平方向影响约55 m。拉伸破坏区（屈服模式1）主要出现在501煤层与416/2煤层之间的砂岩层及上覆砂质页岩层，表明这些层位是钻孔布置的最有利层位。当II/C采煤区推进至I/C旧采空区对齐时，两采空区角部形成连通破裂带，甲烷优先流向旧采空区，导致定向钻孔效率降低。

*3.3 通风、排放与瓦斯抽采系统捕获（Ventilation, Emissions and the Capture of Methane by a Drainage System）*
对I/C和II/C采煤区的常规CM孔与LRDD孔进行对比：I/C采煤区中LRDD孔捕获甲烷总量占63%，平均甲烷浓度约77%，常规孔占37%；II/C采煤区LRDD孔捕获比例约60%。常规CM孔抽采效率稳定（25–30%），LRDD孔在采矿前期效率高，但随采空区扩展和连通后下降。通风分析表明，采空区合并改变了压力梯度和气流路径，定向钻孔对通风压力变化更敏感。

*3.4 甲烷吸附动力学测量（Methane Sorption Kinetics Measurements）*
10个煤样的吸附容量（a_daf）为2.420–2.689 cm³/g_daf，显示均一的甲烷储存潜力；有效扩散系数（D_e）为0.097×10^?8–0.247×10^?8 cm²/s，半吸附时间（t_1/2）为1571–4011 s，表明甲烷脱附速率存在局部差异，可能影响短时排放波动。

**讨论与结论**
研究讨论指出，深部煤矿甲烷抽采效率受地质力学条件、通风压力场与煤岩性质的复杂交互控制，单一因素无法可靠解释抽采表现。集成分析框架结合现场监测、实验室测量与数值模拟，为实时优化抽采策略提供了实用决策支持。研究成果对于煤炭依赖地区实现公正转型中的甲烷减排具有广泛适用性，既保障安全又可降低排放。

**研究结论（翻译）**
本研究调查了Staszic–Wujek煤矿501煤层应用的瓦斯抽采系统的性能，特别强调了地质力学条件、通风过程和煤岩性质在控制甲烷运移和捕获效率中的作用。基于所进行的分析，可以得出以下结论：深部煤矿的甲烷排放和捕获受采矿引起的应力重新分布、通风驱动的压力梯度和煤岩性质控制，需要对瓦斯抽采评估采用集成系统方法。定向钻孔在采矿早期（应力释放区和裂隙网络发育良好时）表现出高甲烷捕获效率。随着采矿推进和相邻采空区连通，其效率下降，因为气流路径改变使甲烷偏离主动抽采钻孔。地质力学分析表明，砂岩和粉砂岩层（位于501和416/2煤层之间）是瓦斯抽采钻孔最有利的层位，而泥岩层因压实而不太适合。数值模拟显示，相邻采空区之间的连通破裂带可通过将甲烷转向已采区域而降低抽采效率，强调了考虑相邻煤柱空间关系的重要性。通风分析证实，气流模式和压力分布强烈影响甲烷捕获性能。常规风扇辅助系统保持相对稳定，而定向钻孔对通风引起的压力变化更敏感。甲烷吸附动力学测量表明，501煤层内甲烷储存容量相对均匀，但脱附速率存在差异，这些差异可能造成短时排放波动，应作为解释抽采表现的补充输入。