煤矿采空区超临界二氧化碳封存的扩散效应及控制方法

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Supercritical carbon dioxide storage diffusion effects and control methods in coal mining goafs

　　

- 识别出煤层是超临界CO?扩散的主要通道。
- 表明倾斜煤层增加了超临界CO?向地表优先泄漏的风险。
- 提出了一种主动屏障策略，以有效控制煤层中超临界CO?的运移。

## 引言

在全球能源格局转型和深度减排迫切需求的背景下，发展兼具高资源效率与环境可持续性的变革性能源技术已成为当务之急[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。作为煤炭行业一种有前景的负碳技术，采空区CO?封存技术不仅为废弃地下空间提供了再利用的有效途径，也为长期碳减排做出了贡献。据估计，到2030年全球煤矿采空区体积将达到500亿m3[7]，为该技术的大规模应用提供了广阔的前景和巨大的封存潜力。

为确保超临界CO?的长期安全储存，众多研究者广泛研究了封存层盖岩的稳定性与密封完整性[8]、[9]。在岩石力学性能方面，Qi等人研究了CO?-卤水-岩石相互作用对页岩盖岩毛细密封能力的影响，并证明该能力受到削弱[10]。Cheng等人模拟了CO?在储层中的封存效应[11]。Du等人利用神经网络模拟了CO?在多孔介质中的封存过程[12]。Zhang等人的实验室实验表明，超临界CO?-H?O流体促进盖岩中的矿物溶解，导致溶蚀坑的形成和大孔隙体积的增加。溶蚀孔与晶间微裂缝的相互连通，使得反应初期渗透率显著增加[13]。Okamoto等人对盖岩样本进行了超临界CO?处理。处理后观察到孔隙尺寸分布略有向大孔隙偏移，而孔隙率和渗透率的变化均小于1%[14]。Lin等人研究了超临界CO?处理对页岩性质的影响。结果显示，暴露7天后，页岩孔隙率和硬度分别增加了21.04%和52.17%。然而，经过14天处理后，孔隙率降低且脆性增强[15]。Rangel-Jurado等人证明，储层和盖岩样本中的矿物溶解程度有限但相当。在约500小时的流体-矿物相互作用后，两种岩石样本的质量损失均小于1%[16]。在数值建模方面，Espinoza和Santamarina揭示了具有高比表面积的富粘土盖岩可以有效抑制浮力驱动的CO?运移[17]。Shukla等人研究了CO?注入期间和注入后的盖岩稳定性，评估了已有裂缝和断层活化对密封完整性的影响[18]。Punnam等人采用多相多组分反应性传输模拟，研究了盖岩形态对CO?羽状运移、溶解封存和泄漏风险的影响[19]。Perera等人采用COMSOL分析了煤层CO?封存及其对盖岩的影响。分析表明，在CO?注入过程中，盖岩因CO?压力的施加而发生垂直变形[20]。

低渗透性盖岩在防止CO?泄漏方面起着关键作用，是超临界CO?封存选址的重要标准[21]、[22]、[23]、[24]。Qi等人建议盖岩的渗透率应低于10?? μm2。相比之下，Sleipner油田盖岩的实测渗透率为4×10?3 μm2[10]。Salah、Sn?hvit和神华超临界CO?项目的现场数据显示，其盖岩渗透率数量级为10?? μm2[25]、[26]、[27]。Jiang等人基于力学实验并与已有发表数据对比，提出盖岩渗透率应在10?1?至10?? μm2范围内[28]。以中国为例，煤层储层渗透率范围为10??至5×10?3 μm2[29]。Zhang等人对煤层储层的渗透率分布进行了统计分析，报告：渗透率<0.1×10?3 μm2的占34%；0.1×10?3至5×10?3 μm2之间的占28%；≥5×10?3 μm2的占14%[30]。总之，煤层的渗透率显著高于盖岩，使其成为超临界CO?超出预期储存区运移的优先通道，可能增加向邻近采区、土壤和地下水的泄漏风险。然而，现有研究主要关注盖岩完整性，对超临界CO?在煤层中长期运移风险及相应缓解策略的认识仍然不足。现有的CO?泄漏缓解技术主要包括水泥基材料、树脂、聚合物凝胶、纳米二氧化硅溶胶和微生物诱导矿化，主要用于封堵井筒微间隙、局部裂缝和高渗透性泄漏通道[31]、[32]、[33]。此外，近期提出了人工盖岩系统，以增强天然盖岩完整性不足的上覆地层垂直密封能力[34]、[35]、[36]。然而，现有研究主要关注局部泄漏点和垂直运移通道，而对沿高渗透煤层长距离横向CO?运移的主动控制关注相对较少。因此，本研究提出在煤层优先运移通道沿线安装低渗透性人工屏障，以衰减横向压力传播和区域CO?运移，从而降低CO?向邻近采空区及其他潜在泄漏通道扩散的风险。

因此，本研究采用数值模拟方法研究了超临界CO?在煤层中的扩散行为。研究结果阐明了其渗流机理，并表明倾斜煤层可形成直接连通地表的优先泄漏通道，从而导致CO?封存项目潜在失败。基于这些发现，本研究提出了一种针对煤层中超临界CO?的创新主动密封策略。该方案涉及构建具有低渗透性和化学固化能力的人工帷幕。通过物理阻隔和化学矿化的双重机制，人工帷幕有效抑制了CO?的扩散和运移。研究结果对采空区长期CO?封存的理论和实践均有重要贡献。

## 各章节摘要

### 数值方法

采空区封存是指将煤矿开采后形成的地下采空区用作二氧化碳储存场所。通过利用现有煤矿的井筒和巷道系统，可利用地面钻孔或地下注气管道将捕获的CO?注入采空区，如图1所示。该采空区封存技术将废弃矿井利用与碳减排相结合，为煤炭行业的低碳转型提供了可行途径，实现了(1) 达西定律

达西定律描述了多孔介质中流体渗流速度与压力梯度之间的关系。

$$u=-\frac{\kappa}{\mu}\nabla p$$

其中 $u$ 为达西速度，$\kappa$ 为多孔介质的渗透率，$\mu$ 为流体动力粘度，$\nabla p$ 为压力梯度。

多孔介质中流体流动的连续性方程表明，某点流体质量变化率等于流入该点的净质量通量加上内部质量源项：

$$\frac{\partial}{\partial t}\int_{V}\rho dV+\int_{S}\rho\mathbf{n}dS=\int_{V}q_m dV$$

其中 $t$ 为时间，……

(2) 固体力学

采用第一Piola-Kirchhoff应力张量，运动方程可写为：

$$\rho_0\frac{\partial^2\mathbf{u}_s}{\partial t^2}-\nabla\cdot\boldsymbol{\sigma}=\nabla(\alpha_B p_f)+\mathbf{f}$$

其中 $\rho_0$ 为固体密度，$\mathbf{u}_s$ 为位移向量，$\alpha_B$ 为Biot系数，$\boldsymbol{\sigma}$ 为应力张量，$p_f$ 为孔隙流体压力，$\mathbf{f}$ 为其他体积力。

线性弹性本构方程为：

$$\boldsymbol{\sigma}=\boldsymbol{\sigma}^{\mathrm{ex}}+\mathbf{C}:\boldsymbol{\varepsilon}^{\mathrm{el}}$$

其中 $\mathbf{C}$ 为四阶张量，":"表示双点张量积，$\boldsymbol{\varepsilon}^{\mathrm{el}}$ 为弹性应变，$\boldsymbol{\sigma}^{\mathrm{ex}}$ 为初始应力。

热(3) 多孔介质中的热传导

多孔介质的热传导方程为：

$$\rho_s C_{p,s}\frac{\partial T_s}{\partial t}+\nabla\cdot\mathbf{q}_s=Q_s$$

其中 $\rho$ 为密度，$C_{p,s}$ 为恒定应力下的比热容，$T_s$ 为绝对温度，$\mathbf{q}_s$ 为导热热通量。

(4) 多孔介质中稀溶液的传质

多孔介质中溶质的迁移和转化遵循质量守恒定律。基于质量守恒，CO?在多孔介质中的传输由以下对流-扩散-弥散方程描述：

$$\frac{\partial(\theta_I c_i)}{\partial t}+\mathbf{u}\cdot\nabla c_i=\nabla\cdot(D_{D,i}+D_{e,i})\nabla c_i$$

其中 $c_i$ 表示液相中组分 $i$ 的浓度。第一项对应于液相中组分的积累，最后一项描述由速度场 $\mathbf{u}$ 引起的对流。弥散张量表示为……

### 水平煤层采空区中超临界CO?封存的扩散规律

提取了30d、60d、90d、120d、150d、180d、210d、240d、270d、300d、330d和360d时的煤层压力与CO?浓度，如图4所示。

采空区与煤层界面的压力保持恒定为7.5 MPa，不随时间变化。超临界CO?注入30天后，煤层边界处压力达到0.26 MPa，60天后增至1.2 MPa。注入90天后，边界压力达到1.7 MPa。120天后，……

### 煤层中超临界CO?运移的控制机制与主动干预策略

研究发现，煤层中超临界CO?封存面临两大主要挑战。首先，超临界CO?沿高渗透煤层快速运移，在地质储存时间尺度上不可忽略。当开采工作面位于储存区附近时，CO?可能在较短时间内迁入工作面，干扰采矿作业并对井下人员构成安全风险。其次，从工程……

### 人工屏障的工程实施、耐久性与经济可行性

人工屏障帷幕可采用低渗透水泥基灌浆材料构建，并通过采空区周边现有巷道、地面钻孔或地下灌浆钻孔实施。在工程实施前，应根据关键地质与工程参数——包括煤层厚度、裂隙发育特征和有效扩散……来确定灌浆孔间距、注浆压力和帷幕厚度。

### 研究不足与展望

尽管本研究揭示了超临界CO?在煤层中的优先运移特征，并提出了利用低渗透屏障的主动干预策略，但仍存在若干局限性。首先，数值模型将地质介质简化为均质各向同性多孔结构，未考虑地质非均质性、裂隙和开采损伤的影响。在实际采煤区域，渗透率的空间分布……

### 结论

采空区CO?封存是煤炭行业实现碳中和的重要途径。以往研究主要关注盖岩密封，而对渗透率高得多的煤层及其导致的超临界CO?快速运移关注有限。为弥补这一研究空白，本研究采用数值模拟方法研究了煤层中超临界CO?的运移机制和空间特征。主要结论如下：

(1) ……

## CRediT作者贡献声明

Tang Chao：审阅与编辑、原创手稿撰写、可视化、验证、方法论、调查研究、正式分析、数据整理、概念构思。Li Huaizhan：审阅与编辑、原创手稿撰写、方法论、资金获取、正式分析、概念构思。Guo Guangli：原创手稿撰写、软件、资源、项目管理。Bai Jinwen：审阅与编辑、验证、方法论。Feng Lele：审阅与编辑、……

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究获得国家重点研发计划（2023YFC3804201）、中央高校基本科研业务费专项资金（2025ZDPY07）、徐州市科技计划项目（KC23020）、中国矿业大学研究生创新计划（2026WLKXJ093）和江苏省研究生研究与实践创新计划（26CXJH4875）资助。

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