京津冀废弃矿井储层余气解吸收缩时变扰动及对地表复垦生态二次破坏影响研究

20250107

采矿业

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

1.科技成果来源 北京市自然科学基金等。 2.技术原理内容 1）自主开发了煤中甲烷扩散系数计算软件，定量化表征了储层气体解吸过程中扩散系数全周期衰变特征 针对当前废弃矿井欠压储层预期持久解吸衰变特征存在空白的问题，本研究开发了煤中甲烷扩散系数计算软件，获得了欠压储层余气持久解吸扩散衰变规律及定量描述模型，总结并统一了扩散系数对压力的差异化响应规律，明确了欠压储层甲烷扩散系数的主要控制因素。研究发现：扩散系数随压力的升高而呈升高、降低或不变三种不同的变化趋势，其主要是吸附膨胀和力学压缩产生的变形量不协调引起的。而随着解吸时间的推移，大小孔中的甲烷扩散系数在短时间内呈波动状，而在长时间段有上升的趋势，这也是由于力学膨胀和流动扰动在前期作用较强，而解吸收缩在后期作用逐渐增强的结果。 本成果在行业内首次开发了可自动获取大小孔表观扩散系数的软件，降低了以往工程中拟合双孔扩散模型的难度。同时，统一了前人关于扩散系数与压力多种相悖实验结果长达多年的理论争论，对于碳封存、温室效应评价、废弃矿井瓦斯治理等具有重要理论指导意义。 2）构建了表征余气脱附扩散与基质收缩差异化传播时效模型，确立了多因素影响下废弃矿井采后塌陷二次损毁边界的判定准则 针对当前废弃矿井地表沉降治理工作未考虑解吸收缩引发的二次沉降问题，本研究实验观测了甲烷传质与煤体变形的异步传播特性，建立了考虑两者差异的表观渗透率模型；获得了吸附变形突变扰动速率范围，揭示了欠压煤体解吸扰动诱导地表沉降致灾机制。同时，通过沉降模拟找出了研究矿井的塌陷范围与沉降深度，并拟定了生态损毁边界。研究发现：解吸收缩应变速率短时内可达到10-6/s以上，在临界状态下此应变速率水平可以诱发二次动力灾害。 本成果研发了气体传质与煤体变形异步传播特性试验系统，从扰动力学角度首次分析了解吸收缩对于地表沉降等灾害的影响，突破了以往分析地表沉降时仅考虑沉降空间绝对值，未考虑时间量的局限。 3）形成了废弃矿井地表土壤质量多维度监控方法，优选了低水高沙沉陷区生态修复农作物 针对废弃矿井地表二次沉降土壤成分动态监测难的问题，本研究利用宏观质量信息与微观化学质量信息多尺度土壤成分智能监测技术，对土壤环境进行实时智能监控。同时结合北京、河北等附近北方省份废弃矿井地表土壤多存在“低水高沙”特征，通过分析不同塌陷区域土壤中矿物质、有机质含量与PH值，找出了适宜治理作物。研究发现：沙棘作物适合目标沉降区生态治理，其不仅可以改善土壤性质、减少温室气体排放，同时也可以创造可观经济价值。 本成果将以往生态治理中仅考虑固定的沉降量延伸到了动态范畴，并结合现代农业土壤分析的先进技术，给出了适合“低水高沙”特征矿井的地表生态修复路径，是矿业安全领域与农业生态领域的有益探索和融合创新。 3.关键技术指标 建立引入扩散系数全周期衰变特征的储层气体解吸动力学模型，构建表征余气脱附扩散与基质收缩差异化传播时效模型，确立多因素影响下废弃矿井采后塌陷二次损毁边界的判定准则。 4.核心数据 （1）多孔介质气体扩散系数计算软件编程源代码 （2）土壤光谱采集系统层级结构及信息变量选择算法 5.应用前景 北京地区废弃煤矿众多，为了改善废弃矿井塌陷地区生态环境，提升城市抗灾减灾能力，截止2019年底北京市已开展了约285个废弃矿山项目，投资约17.86亿元，废弃矿山生态修复成绩显著。然而废弃矿井储层中残余气体的长时间解吸扰动会使塌陷区形成二次沉降，进而对生态环境造成二次破坏，影响已修复工程的有效性。另外，废弃矿井中AMM天然气抽采作为温室气体减排的重要手段之一，此时形成的解吸收缩更加明显，引发更大的沉陷现象。因此，无论是从避免重复投资的经济效益角度，还是从生态治理和节能减排的环境效益角度，定量评价储层余气解吸收缩时变特征，并分析其对复垦生态的二次破坏影响都是十分必要的，项目成果的应用前景是广阔的。 项目相关成果先期在山西、内蒙古等矿区实现了推广应用，在山西阳泉矿区支撑了低瓦斯煤层及废弃储层瓦斯治理，获得了2024年中国煤炭工业协会一等奖；同时，支撑了内蒙古新街台矿区生态治理建设，立项《新街台格庙矿区井上下生态环境保护与综合治理技术研究》一项，合同金额为272万元。所提出的“扩散主控型”煤层概念，也在国家重点研发计划《厚煤层瓦斯原位降消与均匀化解危关键技术研发及应用示范》中得到推广应用。目前，项目成果正积极与北京地区以及“京-长”合作对口地区长治市进行对接。