煤礦采空區(qū)碳封存CO₂泄漏地表擴(kuò)散規(guī)律研究

丁洋 陳文彬 林海飛 朱冰 譚軍紅

摘 要：為積極響應(yīng)國(guó)家雙碳減排政策并有效利用我國(guó)不斷增長(zhǎng)的煤礦采空區(qū)資源，本研究以陜北某煤礦采空區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)域，對(duì)采空區(qū)CO2封存后可能發(fā)生的地表泄漏及其運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了深入研究，旨在為進(jìn)一步風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。通過ArcGIS軟件提取地表地形特征，建立真實(shí)地形模型。在此基礎(chǔ)上，使用Fluent數(shù)值模擬軟件模擬了不同泄漏速度和不同風(fēng)速下的常溫常壓CO2泄漏擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布特征，并與平坦地形上的泄漏規(guī)律進(jìn)行比較。研究表明：地勢(shì)降低有助于擴(kuò)散，地勢(shì)升高對(duì)擴(kuò)散有阻礙作用；泄漏速度越大，擴(kuò)散范圍越大，危害范圍也越大；風(fēng)速越大，擴(kuò)散越快，橫向擴(kuò)散越小，縱向擴(kuò)散先增大后減小。以1%的CO2濃度為限，得到了不同影響因素下會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生危害的范圍，可為封存項(xiàng)目的安全評(píng)價(jià)和泄漏后應(yīng)急處理提供參考。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)碳封存；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；真實(shí)地形；Fluent數(shù)值模擬；泄漏擴(kuò)散規(guī)律

中圖分類號(hào)：TD

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）04-0705-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0407

Study on surface diffusion law of carbon storage CO2

leakage in coal mine goaf

DING Yang1，2，CHEN Wenbin1，LIN Haifei1，2，ZHU Bing1，TAN Junhong1

（1.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：In order to actively respond to the national dual-carbon emission reduction policy and effectively utilize the growing coal mine goaf resources in China，a coal mine goaf in northern Shaanxi is taken as the test area，and? an in-depth study is made of?? the possible surface leakage and migration diffusion law of CO2 storage in the goaf，so as to provide scientific basis for further risk assessment.The surface terrain features are extracted by ArcGIS software to establish a real terrain model.And the Fluent numerical simulation software was used to simulate the diffusion law and concentration distribution characteristics of CO2 leakage at normal temperature and pressure under different leakage speeds and different wind speeds，which are compared with the leakage law on flat terrain.The results show：The decrease of terrain contributes to the diffusion，and the increase of terrain hinders the diffusion.The larger the leakage rate is，the larger the diffusion range is，and the larger the hazard range is.The greater the wind speed，the faster the diffusion，the smaller the lateral diffusion，and the longitudinal diffusion increases first and then decreases.

With the limit of 1% CO2 concentration，it shows the scope of harm to personnel under different influencing factors.

The research could provide a reference for the safety evaluation of the storage project and the emergency treatment after leakage.

Key words：carbon storage in the goaf；risk assessment；real terrain；Fluent numerical simulation；leakage diffusion law

0 引 言

近年來，全球氣候變化加劇與生態(tài)環(huán)境不斷惡化引起各國(guó)對(duì)碳減排的高度重視［1-3］。中國(guó)作為碳排放大國(guó)，2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和［4］。實(shí)現(xiàn)碳中和的根本路徑是減排增匯，碳捕獲、利用和封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）被認(rèn)為是脫碳的關(guān)鍵戰(zhàn)略，而CO2封存是CCUS鏈的最后一環(huán)，地質(zhì)封存是目前發(fā)展最為成熟的一種封存方式［5-9］。

煤炭長(zhǎng)期以來是中國(guó)的主體能源，在煤炭資源開采過程中，形成了大量的地下采空區(qū)［10-11］，由于各種因素的限制，在煤礦采空區(qū)依然殘留大量煤炭，煤基質(zhì)中的CO2吸附優(yōu)勢(shì)要強(qiáng)于CH4，CO2注入采空區(qū)會(huì)與殘留煤炭中的CH4產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附［12-15］，從而實(shí)現(xiàn)CO2以吸附態(tài)封存于采空區(qū)。但采空區(qū)原始應(yīng)力遭到破壞，裂隙演化和滲流規(guī)律變得復(fù)雜［16-18］，這導(dǎo)致了采空區(qū)封存CO2相較于其他封存方式可能具有更高的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，而一旦泄漏，則可能對(duì)植物、

動(dòng)物以

及人類造成嚴(yán)重威脅。因此，明確采空區(qū)封存CO2泄漏至地表后的擴(kuò)散規(guī)律和濃度分布具有重要的安全和環(huán)保意義。

對(duì)于CO2泄漏至大氣后的擴(kuò)散規(guī)律，前人利用數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的研究。MAZZOLDI等將Kit Fox試驗(yàn)和高壓管道泄漏CO2的擴(kuò)散模擬進(jìn)行比較，研究表明CFD模型的準(zhǔn)確性比高斯模型更高［19］。

XING等利用CFD軟件模擬了CO2井噴事故的擴(kuò)散情況，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得到標(biāo)準(zhǔn)k-ε和SST k-ω模型的計(jì)算結(jié)果與CHANG標(biāo)準(zhǔn)下的試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［20］。WEN等在開源CFD代碼OpenFOAM上開發(fā)了一個(gè)專門用于CO2在大氣中擴(kuò)散的求解器，模擬了在無地形影響下CO2的泄漏情況［21-22］。WANG等研究了地形和釋放源溫度對(duì)復(fù)雜地形條件下埋地管道CO2泄漏擴(kuò)散的影響［23］。眾多學(xué)者在CO2地表泄漏擴(kuò)散方面取得了豐碩的研究成果，對(duì)于CO2的擴(kuò)散模擬，目前大部分研究是高壓儲(chǔ)罐和運(yùn)輸管道的泄漏，對(duì)于常壓泄漏擴(kuò)散機(jī)制的研究較少，并且在研究地形對(duì)CO2擴(kuò)散的影響方面，多是用單一的地形起伏來進(jìn)行表征，對(duì)于真實(shí)地形條件下的復(fù)雜影響研究較少。

文中根據(jù)試驗(yàn)礦井采空區(qū)地表真實(shí)地形提取地形特征，建立CFD模型，利用Fluent模擬研究不同影響因素下常溫常壓CO2在封存區(qū)上方地表濃度分布規(guī)律和危險(xiǎn)的擴(kuò)散范圍，為采空區(qū)封存CO2項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 地形特征提取和數(shù)值建模

1.1 試驗(yàn)礦井位置

陜西省神府礦區(qū)歷經(jīng)多年的開采，形成了大量采空區(qū)，以淺埋煤層為主，并且有低透氣性的紅土層保證了低壓儲(chǔ)存CO2的可行性。同時(shí)，榆林能源化工基地每年會(huì)產(chǎn)生大量的純CO2，基地與礦區(qū)處于同一區(qū)域，便于項(xiàng)目的開展，降低成本。因此，項(xiàng)目選擇陜西省侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)某煤礦作為典型淺埋煤層采空區(qū)吸儲(chǔ)CO2實(shí)施地點(diǎn)。項(xiàng)目的中試位置擬選定在試驗(yàn)礦井首采25201工作面，試驗(yàn)平面范圍初步確定為300 m×500 m，其封存位置如圖1所示。

1.2 地形特征提取和數(shù)值建模

為了觀測(cè)CO2泄漏后封存區(qū)域及周邊的CO2分布，選擇封存地點(diǎn)周邊1 500 m×1 500 m的區(qū)域作為模擬區(qū)域。地形提取流程如圖2所示，將所選區(qū)域的瓦片數(shù)據(jù)下載拼接后導(dǎo)入ArcGIS軟件中，結(jié)合封存地點(diǎn)的Dem數(shù)據(jù)提取地形特征，再根據(jù)中央經(jīng)線進(jìn)行投影，將投影后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Global Mapper軟件得到了研究區(qū)域的高程圖（圖3），該區(qū)域最高海拔1 225 m，最低海拔1 091 m，海拔高差134 m。最后在Sketch UP軟件中完成建模。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

文中利用Fluent數(shù)值模擬軟件，分析了不同泄漏速度、不同風(fēng)速下CO2在目標(biāo)區(qū)域的擴(kuò)散規(guī)律，并且在平坦無起伏的地形模型上進(jìn)行了對(duì)照模擬，以便觀察分析地形影響。泄漏點(diǎn)設(shè)在圖3紅色圓圈區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域位于計(jì)算域的中部位置，更有利于觀測(cè)CO2泄漏擴(kuò)散規(guī)律，并且注入井也位于封存區(qū)域的中部位置，泄漏點(diǎn)設(shè)在此處能模擬出井筒泄漏時(shí)的CO2擴(kuò)散情況，同時(shí)該區(qū)域四周海拔都相對(duì)較高，便于研究地形的影響。設(shè)定泄漏口為直徑1 m圓孔，泄漏時(shí)間3 600 s，泄漏速度用CO2泄漏的質(zhì)量流量來表征。模擬方案見表1。

采空區(qū)封存CO2泄漏特點(diǎn)與管道或儲(chǔ)罐泄漏特點(diǎn)不同。管道或儲(chǔ)罐泄漏是由于高壓突然釋放，因此泄漏速度快、但并不持續(xù)；而采空區(qū)泄漏屬于常壓泄漏，泄漏速度緩慢、但持續(xù)泄漏。因此為了充分模擬這種泄漏特點(diǎn)，將泄漏速度根據(jù)梯度由小到大設(shè)置，并且對(duì)于每種情況，都模擬了從泄漏開始3 600 s后的CO2泄漏擴(kuò)散結(jié)果。為了充分了解CO2泄漏的危害范圍，選擇較高的泄漏速度即10 kg/s作為初始條件模擬其他因素變化對(duì)CO2擴(kuò)散的影響。根據(jù)調(diào)查，封存區(qū)域所在地風(fēng)速常年小于5級(jí)（5級(jí)風(fēng)速為8～10.7 m/s），因此選擇0～10 m/s的風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬。由圖3可知，研究區(qū)域總體海拔是沿著y軸正方向逐漸降低，因此為了研究地形和風(fēng)速的相互影響，研究方案中將風(fēng)速變化時(shí)的風(fēng)向設(shè)為沿y軸負(fù)方向。

2.3 計(jì)算域和邊界條件

根據(jù)圖3高程數(shù)據(jù)建立采空區(qū)地表模型，通過紅圈所在位置確定泄漏口中心點(diǎn)坐標(biāo)為（715，725，47.22）。為了適應(yīng)地表134 m的高程差異，以模型在z軸上的點(diǎn)即（0，0，114.48）作為基準(zhǔn)點(diǎn)，建立高度為300 m的立方體模型。模型計(jì)算域如圖4（a）所示。

圖4（b）顯示了擴(kuò)散模型的面網(wǎng)格特征，由于幾何形狀比較復(fù)雜，計(jì)算區(qū)域主要離散為六面體單元，其中分別對(duì)地表和泄漏源附近的網(wǎng)格進(jìn)行了不同程度的加密。在最終仿真之前，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性研究，以確保網(wǎng)格對(duì)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，最終確定的網(wǎng)格大約由400萬個(gè)單元組成。

擴(kuò)散模型邊界條件設(shè)置如下：①CO2源：質(zhì)量流量入口，環(huán)境壓力和溫度，質(zhì)量流率根據(jù)模擬方案所述設(shè)定；②進(jìn)風(fēng)口：速度入口，環(huán)境壓力和溫度，風(fēng)速根據(jù)模擬方案所述設(shè)定；③出口：具有環(huán)境壓力和溫度的壓力出口，模擬無風(fēng)條件時(shí)，進(jìn)風(fēng)口也設(shè)為壓力出口；④地面和頂部：溫度等于環(huán)境溫度的防滑等溫墻。

2.4 模型驗(yàn)證

利用上述k-ε模型和數(shù)值方法模擬了平地上泄漏速度10 kg/s，風(fēng)速6 m/s的CO2擴(kuò)散。WEN等利用SST k-ω模型模擬了CO2和空氣的混合物從泄漏源以50 kg/s的泄漏速度、2 m/s的風(fēng)速泄漏至大氣的擴(kuò)散情況［21］。圖5比較了距離泄漏源下風(fēng)向200 m處CO2濃度的試驗(yàn)和兩者的模擬結(jié)果，k-ε和SST k-ω模型的模擬結(jié)果比較表明，兩者的變化趨勢(shì)具有高度的一致性，k-ε模擬的較大風(fēng)速造成了CO2到達(dá)200 m處的時(shí)間更早，SST k-ω模擬的較大泄漏速度造成了同一時(shí)刻更高的CO2濃度，符合實(shí)際情況，因此本研究所用的k-ε模型具有較高的可靠性。

3 結(jié)果與討論

研究的主要關(guān)注點(diǎn)是CO2濃度在10 000 ppm（即1%）水平的范圍。根據(jù)參考文獻(xiàn)［20］的研究結(jié)果，當(dāng)CO2濃度超過1%時(shí)，可能引發(fā)人員出現(xiàn)氣喘、頭痛、眩暈等不適癥狀。為了分析CO2在濃度范圍為0%～1%時(shí)的擴(kuò)散規(guī)律，繪制了CO2濃度的云圖，并將1%濃度水平的等值面作為對(duì)人體可能產(chǎn)生危害的范圍進(jìn)行描述。這一范圍的描述包括在縱向（y軸方向）和橫向（x軸方向）的影響距離以及等值面的面積。需要明確的是，上述危害范圍僅表示對(duì)人體有害的范圍，并非CO2擴(kuò)散的范圍（同樣適用于后續(xù)描述）。在豎直方向（即z軸方向）上，由于重力的作用，CO2的擴(kuò)散距離較小，主要分布在地表空間內(nèi)，并且相對(duì)穩(wěn)定。因此，本研究不考慮豎直方向上的擴(kuò)散，而將地表危害區(qū)域作為立體空間內(nèi)的危害區(qū)域加以考慮。

3.1 平坦無特征地形的泄漏

為了評(píng)估真實(shí)地形對(duì)危害范圍的影響，提前模擬了平坦無特征地形上的CO2擴(kuò)散作為對(duì)照組。圖6顯示了無風(fēng)條件下泄漏速度為10 kg/s時(shí)，泄漏不同時(shí)間的CO2濃度分布云圖。無風(fēng)時(shí)，CO2泄漏后往四周均勻擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍逐漸增大，但高濃度區(qū)域相對(duì)于低濃度區(qū)擴(kuò)散較為緩慢。

有風(fēng)的條件下，整個(gè)模擬分為2個(gè)步驟進(jìn)行：①穩(wěn)態(tài)模擬：根據(jù)模擬方案提供的風(fēng)速在地形上建立風(fēng)場(chǎng)，為下一步的模擬提供初始條件；②瞬態(tài)模擬：在風(fēng)場(chǎng)下模擬CO2在計(jì)算域內(nèi)的泄漏擴(kuò)散。圖7顯示了在平坦地形上，CO2在泄漏速度10 kg/s、風(fēng)速6 m/s、風(fēng)向沿y軸負(fù)方向時(shí)，泄漏不同時(shí)間的濃度分布云圖。此時(shí)CO2主要沿著風(fēng)向擴(kuò)散，在190 s左右，其計(jì)算域內(nèi)的濃度分布云圖就趨于穩(wěn)定，高濃度區(qū)域擴(kuò)散相對(duì)于低濃度區(qū)域擴(kuò)散也較為緩慢。

表2顯示了以上2種情況泄漏3 600 s后的1%濃度等值面數(shù)據(jù)，藍(lán)色區(qū)域代表可能對(duì)人體產(chǎn)生危害的區(qū)域。由表可見，無風(fēng)和有風(fēng)條件下的影響面積存在顯著差異，這是因?yàn)闊o風(fēng)時(shí)CO2均勻擴(kuò)散，有風(fēng)時(shí)CO2沿風(fēng)向擴(kuò)散，導(dǎo)致縱向影響距離增加，橫向影響距離縮小，并且風(fēng)力加速了CO2的擴(kuò)散，使CO2累積變得困難，所以相比無風(fēng)條件高濃度區(qū)域面積急劇縮小。

3.2 真實(shí)地形條件下泄漏速度的影響

圖7顯示了無風(fēng)時(shí)不同泄漏速度下CO2濃度為0%～1%的擴(kuò)散云圖。在無風(fēng)條件下，CO2泄漏后呈不規(guī)則分布，泄漏速度越大，CO2的橫向和縱向擴(kuò)散范圍越大。泄漏速度較小時(shí)，CO2主要往地勢(shì)較低的區(qū)域擴(kuò)散，當(dāng)CO2泄漏速度足夠大時(shí)，其擴(kuò)散也能克服部分地形影響，往地勢(shì)高的區(qū)域擴(kuò)散，但相對(duì)于地勢(shì)低的方向，擴(kuò)散有限?？傮w而言，CO2擴(kuò)散的趨勢(shì)是一致的，泄漏速度的變化只會(huì)影響擴(kuò)散范圍的大小。無風(fēng)條件下，CO2擴(kuò)散主要受2個(gè)因素的影響，一是地形因素，由于CO2是重氣，在重力的作用下會(huì)下沉，因此會(huì)往地勢(shì)低的區(qū)域擴(kuò)散；二是濃度因素，CO2會(huì)由濃度高的區(qū)域往濃度低的區(qū)域擴(kuò)散。

在相同的泄漏速度和擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)，平坦地形的CO2擴(kuò)散范圍大于真實(shí)地形，因?yàn)镃O2在平坦地形是從泄漏點(diǎn)往四周均勻擴(kuò)散，而在真實(shí)地形CO2主要沿著y軸正方向運(yùn)動(dòng)，地勢(shì)的升高限制了其他方向的擴(kuò)散。然而，在y軸負(fù)方向，真實(shí)地形的擴(kuò)散距離大于平坦地形。

表3顯示了無風(fēng)條件下CO2泄漏3 600 s后濃度為1%的等值面數(shù)據(jù)。由表可見，隨著泄漏速度的增加，CO2擴(kuò)散的橫縱向影響距離以及影響面積都逐漸增加，因此泄漏速度是影響CO2擴(kuò)散的關(guān)鍵因素，直接決定了CO2泄漏之后的危害范圍。當(dāng)泄漏速度為10 kg/s時(shí)，與平地相比，真實(shí)地形下的影響面積更大，說明在無風(fēng)條件下封存區(qū)域地表整體地形更有利于CO2的局部累積，從而造成CO2濃度1%以上的區(qū)域面積較大，這一點(diǎn)在預(yù)防真實(shí)地形發(fā)生CO2泄漏方面需要引起重視。

3.3 真實(shí)地形條件下風(fēng)速的影響

圖8顯示了在泄漏速度為10 kg/s，風(fēng)向沿y軸負(fù)方向時(shí)，不同風(fēng)速下的CO2濃度分布云圖。在CO2云圖前段，結(jié)合圖3高程圖所示，CO2有明顯的沿山谷擴(kuò)散的情況，這是由于擴(kuò)散云圖前段風(fēng)向與山谷走向幾乎一致，但在后段山谷走向發(fā)生了偏移，此時(shí)，風(fēng)為CO2提供的力克服了地形影響，CO2不再沿山谷擴(kuò)散。在可見區(qū)域（計(jì)算域）內(nèi)，CO2在風(fēng)力作用濃度分布趨于穩(wěn)定，即隨時(shí)間變化幅度很小或不變，并且風(fēng)速越大，其達(dá)到穩(wěn)定越快。

風(fēng)速2 m/s時(shí)，在近泄漏源處，高濃度區(qū)域呈現(xiàn)沿x軸負(fù)方向偏移的傾向，這是由于地形的影響，從圖3中可以看出，在該區(qū)域右側(cè)是陡峭的山坡，上下落差超過50 m，所以阻擋了大部分CO2沿x軸正方向的橫向擴(kuò)散。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大后，以上情形不再出現(xiàn)。風(fēng)速相同時(shí)，CO2在真實(shí)地形的擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間比平坦地形更長(zhǎng)，因?yàn)楫?dāng)風(fēng)沿y軸負(fù)方向吹時(shí)真實(shí)地形下的CO2擴(kuò)散需要克服地形對(duì)它的阻礙作用，而平坦地形則不需要。

表4顯示了不同風(fēng)速下CO2泄漏3 600 s后濃度為1%的等值面數(shù)據(jù)。由表可知，風(fēng)速增大，CO2擴(kuò)散的危害范圍并沒有隨之?dāng)U大，其橫向影響距離隨風(fēng)速的增大而減小，但其縱向影響距離是先增大后減小，這可能是由于風(fēng)速到達(dá)一定值時(shí)，會(huì)加速CO2與空氣的混合，從而造成了泄漏CO2的快速稀釋，使高濃度區(qū)域的覆蓋范圍減小。

4 結(jié) 論

1）試驗(yàn)礦井采空區(qū)封存CO2的地表泄漏速度越大，擴(kuò)散范圍越大，危害范圍也越大；風(fēng)速越大，擴(kuò)散速度越快，橫向擴(kuò)散越小。

2）在無風(fēng)和風(fēng)速較?。ㄐ∮? m/s）時(shí)，CO2會(huì)主要沿著地勢(shì)低的方向擴(kuò)散。

3）當(dāng)風(fēng)速大于等于2 m/s時(shí)，風(fēng)和地形對(duì)CO2擴(kuò)散都具有重要作用，并且隨著風(fēng)速逐漸增加，CO2的擴(kuò)散會(huì)慢慢受風(fēng)的主導(dǎo)，因此一旦發(fā)生泄漏需要注意泄漏源下風(fēng)向的CO2濃度變化。

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（責(zé)任編輯：楊泉林）