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本研究通过定制测试系统研究不同气压下煤吸附变形的动态特性，结合数值模拟揭示煤体变形与渗透率关系，发现临界气压条件下变形最大导致渗透率剧增，为提高废弃矿井甲烷开采效率提供新见解。
赵伟|李海超|王凯|袁媛|董虎子|徐浩|李贺
中国矿业大学（北京）嵌合能源与资源精准开采重点实验室，北京，100083，中国
摘要
废弃煤矿蕴藏着丰富的煤层气资源。高效利用这些资源有助于能源回收并减少甲烷排放，从而支持碳达峰和碳中和目标。然而，低提取效率仍然是其利用的主要限制因素。吸附引起的煤炭变形会改变煤层渗透性，而渗透性是提高废弃煤矿提取效率及减少相关排放的关键因素。此外，这些变形受废弃煤矿内部气体压力波动的显著影响。因此，本研究采用自主研发的测试系统来研究在不同气体压力下的煤炭变形和有效应力变化，旨在探讨吸附过程中的动态应变行为。同时，通过数值模拟建立了动态煤炭变形模型，并分析了其对渗透性的影响，结果经工程数据验证。研究结果表明：煤炭在吸附初期经历短暂的机械压缩，随后气体迅速渗透并导致吸附引起的膨胀变形。随着气体压力的增加，不同层理面上的膨胀应变幅度和速率先增大后减小。存在一个临界压力条件，在该条件下应变幅度和速率达到最大值，从而导致渗透性急剧增加。煤炭变形有助于稳定每日气体提取量。在引起最大煤炭应变的气体压力下，渗透性迅速提高，从而提升每日气体产量。这为提高废弃煤矿的气体提取效率和减少甲烷排放提供了新的见解。
引言
随着“双碳”目标的推进，由于资源枯竭和环境保护政策的实施，中国的废弃和关闭煤矿数量持续增加。截至2023年，中国煤矿总数已降至约4,300座，各省的废弃煤矿分布见图1（崔等，2024年）。预测显示，到2030年，废弃煤矿数量将达到约15,000座，其中含有近5000亿立方米的残余甲烷（李等，2021年；崔等，2020年）。废弃煤矿中的残余甲烷通过采矿引起的裂缝不断向地表迁移，这不仅导致宝贵能源资源的损失，还显著增加了温室气体排放，阻碍了“双碳”目标的实现。
近年来，欧洲和北美已成功将废弃煤矿中的瓦斯开发为清洁能源（秦等，2015年）。例如，英国的Alkane Energy公司从废弃煤矿中提取甲烷，直接供应给当地消费者或用于现场发电，建立了多个绿色能源设施（联合国欧洲经济委员会，2019年）。同样，在美国，已有38座废弃煤矿进行了地表提取作业，总甲烷提取量为1.6亿立方米。在“十三五”规划期间，中国出台了多项政策，明确促进废弃煤矿中甲烷的开采利用。高效提取和利用废弃煤矿中的气体资源可以带来显著的经济效益，同时改善空气质量并优化能源结构（Karacan和Warwick，2019年；Younger，2016年）。因此，确保废弃煤矿中甲烷的高效提取并利用这一清洁能源资源至关重要。
废弃煤矿不再受到采矿活动的干扰，长期处于封闭环境中，使得煤岩系统逐渐达到应力平衡状态。在这种条件下，气体吸附和脱附引起的煤炭变形可能对气体提取性能起到关键作用。在煤层中，气体以自由态和吸附态存在，其中吸附态是主要的储存机制（Pillalamarry等，2011年）。由于废弃煤矿中的自由甲烷主要来源于残余煤的脱附，长时间脱附会增加煤基质表面的能量，从而导致其收缩（陈等，2023年）。同时，气体提取不断改变自由气体的压力，进而改变煤体内的有效应力。这些过程的综合作用导致煤炭变形，进而改变煤层的渗透性，最终影响气体提取效率（赵等，2020年）。Levine（Levine，1996年）考虑了煤炭的压缩变形效应，并建立了渗透性模型来评估煤基质压缩对渗透性的影响。Sander（Sander等，2012年）基于统计力学理论开发了热力学模型，并通过与孔隙弹性理论的耦合证明了吸附引起的膨胀应变与弹性压缩之间存在竞争关系。此外，煤炭变形显著改变了其内部结构，导致其退化、强度降低和弹性模量减小，增加了坍塌的风险（Xiao等，2020年）。因此，研究煤炭吸附/脱附过程中的变形特性不仅有助于理解煤层渗透性的演变和提高废弃煤矿的气体提取效率，还有助于减轻地质灾害。
刘等（2020年）发现，当吸附气体压力约为5 MPa时，二氧化碳（CO?）吸附引起的最大体积应变是甲烷（CH?）吸附引起的两倍。Moffat（1955年）在低高压条件下进行的煤炭吸附实验证实，煤炭吸附变形是由吸附引起的膨胀和气体机械压缩的共同作用造成的。还观察到，在15 MPa以下，脱附引起的收缩占主导地位。Tang等（2006年）对煤层气提取过程进行了实验模拟，发现脱附体积、脱附时间和有效应力之间存在负指数衰减关系，并确定了煤脱附停止的临界压力值。基于实验结果，逐步发展了相关理论模型。例如，Pan和Connell（2007年）使用能量平衡方法建立了描述吸附和应变平衡状态下煤炭膨胀现象的理论PC模型。Guo等（2014年）提出，吸附过程中表面自由能的变化与煤炭的弹性能量变化一致。通过进一步考虑环境气体压力引起的机械压缩变形，建立了吸附引起的膨胀变形的理论模型。然而，上述研究主要集中在吸附平衡后的变形特性与气体压力之间的关系，而忽略了整个气体吸附过程中煤炭膨胀的完整动态演变。
在提取过程中，气体压力进一步影响煤炭变形的动态特性，从而改变煤层渗透性。Pini（2009年）和Robertson（2005年）在相同条件下对煤样进行了渗透性测量实验，发现气体压力的变化导致有效应力与吸附引起的变形之间产生竞争，使得煤层渗透性在不同气体压力下表现出两种不同的趋势。Liu等（2023年）通过数值模拟证明，在提取过程中，煤层渗透性在不同气体压力下表现出不同的变化趋势。Wang等（2024年）研究了气体提取过程中煤层渗透性的演变，发现渗透性最初随气体压力下降而减小，随后反弹。因此，研究气体压力变化对煤炭吸附过程中动态变形行为的影响对于理解提取后期的渗透性演变和提高废弃煤矿的气体回收效率至关重要。
为了研究煤炭吸附引起的变形动态特性及其对气体提取的影响，使用自主研发的测试系统在不同气体压力下进行了吸附-变形实验，分析了机械压缩和吸附引起的膨胀特性，并研究了逐步加压对不同层理面上应变行为的影响。随后使用COMSOL进行了数值模拟，以评估煤炭变形对渗透性的影响。基于观察到的煤炭吸附/脱附引起的变形模式，为优化废弃煤矿的气体提取提供了新的见解。
研究方法
为了研究在不同气体压力下煤炭的动态变形特性，选择了山西省晋城的大宁煤矿作为研究对象，并测量了其基本物理性质。随后进行了吸附实验，分析了大宁煤样在吸附过程中的机械压缩和吸附引起的膨胀的演变以及应变率的瞬态变化。
煤体变形模式对渗透性的影响
由于煤炭变形直接影响渗透性的演变，因此需要建立双孔隙介质的渗透性演变模型，以分析不同气体压力下的渗透性变化。Palmer-Mansoori（PM）模型考虑了基质吸附引起的变形和有效应力变化，能够用相对简化的参数合理捕捉不同气体压力下的渗透性演变，因此适用于煤层。
结论
- (1)
在机械压缩和吸附引起的膨胀的共同作用下，煤炭样品的吸附变形发生动态演变。最初，外部气体压力导致煤体发生机械压缩。随着气体迅速渗透并进入煤炭，膨胀变形逐渐加剧并最终占主导地位，导致明显的膨胀。这种动态变形显著改变了煤炭的渗透性。
- (2)
气体压力的变化
作者贡献声明
赵伟：撰写 – 审稿与编辑。
李海超：撰写 – 初稿。
王凯：数据整理，概念化。
袁媛：验证。
董虎子：实验研究。
徐浩：软件开发。
李贺：验证。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：
国家自然科学基金（52374250、52121003）、
国家重点研发计划（2023YFC3009000）以及
康奈尔大学的基本研究基金（2025ZKPYAQ02）。
