基于碳同位素的朱集煤礦首采工作面層瓦斯來源定量分析方法

柴永興，周 偉

（1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南232001；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南232001）

首采關(guān)鍵層工作面煤層的瓦斯涌出來源和涌出量分析是礦井生產(chǎn)初期通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)，乃至高效安全生產(chǎn)的重要依據(jù)[1]，對接替工作面的瓦斯治理等工作也有重要的參考作用。目前國內(nèi)外通常采用的礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法包括：礦山統(tǒng)計(jì)法、分源預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法和灰色系統(tǒng)預(yù)測方法等[2-5]。其中，分源預(yù)測法是目前為系統(tǒng)、完善、具有廣泛適用性的瓦斯涌出量預(yù)測方法[6-7]，但是，分源預(yù)測法主要是基于經(jīng)驗(yàn)的層間距和排放率曲線參數(shù)累計(jì)計(jì)算得出，而非實(shí)際觀測的結(jié)果。大量實(shí)例驗(yàn)證表明，應(yīng)用分源預(yù)測法對礦井瓦斯涌出量預(yù)測誤差一般為 8.63% ～ 10.06%[8-9]。其他方法則計(jì)算較復(fù)雜，且影響因素較多[10]。穩(wěn)定性碳同位素在研究自然界中碳循環(huán)、來源示蹤、運(yùn)移軌跡監(jiān)測等方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢，研究通過多次分煤層采取地面鉆孔中抽采氣體的樣品，測試母本氣體樣品的組分和碳同位素值，提出礦井開采過程中識別源的方法，分析某礦井下密閉墻、頂板巷等不同方式抽采的氣體中，11和13煤層中氣體的貢獻(xiàn)比率，并分析采礦因素、自然因素和地質(zhì)條件等對來源比率的影響。

1 技術(shù)原理和工程背景

包括甲烷在內(nèi)的物質(zhì)的主要元素是碳，而碳元素較為穩(wěn)定的是l2C和13C 2種穩(wěn)定同位素，一般作為物質(zhì)溯源和斷代的主要標(biāo)識物，由于12C和13C在中子數(shù)量（質(zhì)量）上的差異性，一般用其比值（豐度）表示其同位素的大小。植物在成煤和成氣過程中，其分餾作用導(dǎo)致各層煤（氣）均存在不平衡性和差異性，這種同位素值的不平衡性和差異性是是本項(xiàng)目研究區(qū)分工作面不同鄰近層瓦斯來源的理論基礎(chǔ)和基本技術(shù)原理?；茨系V區(qū)從“十一五”期間就開始采用該方法用于煤巖層對比，陸續(xù)在一些礦井應(yīng)用該方法用于灰?guī)r中瓦斯異常涌出的來源研究，取得了良好的效果。

研究對象為1111（1）工作面主采煤層為11-2煤層，走向長1 612 m，傾向長220 m，采用無煤柱沿空留巷“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，煤層平均厚度1.26 m，沿頂采高1.8 m，是13-1煤層的首采保護(hù)層，工作面沿11-2煤頂板平均回采高度為1.8 m。11-2煤上距被保護(hù)層13-1平均70 m，下距11-1煤1.9～7.5 m，平均 4.4 m（11-1煤厚 0.55～1.11 m，平均 0.8 m）。

根據(jù)11-2煤層瓦斯地質(zhì)圖，掘進(jìn)區(qū)段11-2煤層CH4含量為4.73～5.15 m3/t。煤的堅(jiān)固性系數(shù)f=0.63～0.84；煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性綜合指標(biāo)K=9.52～10.71；煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)△p=6～9 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

2 混合瓦斯來源分源計(jì)算模型

學(xué)者Jenden等人在1993年就提出了混合源天然氣碳同位素值的計(jì)算公式進(jìn)行近似計(jì)算[11-13]，高先志等人基于實(shí)測數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果證明了“質(zhì)量守恒原則，2種不同碳同位素濃度的甲烷混合，混合前后甲烷碳同位素總量不變”[13-14]。周偉等人首次引入了N端元線性混合計(jì)算方法，區(qū)分了五端元瓦斯來源占比，但該方法計(jì)算量較大，且有瓦斯來源數(shù)量的嚴(yán)格限制[15]。本次計(jì)算采用二元混合計(jì)算模型，試圖彌補(bǔ)N端元線性混合模型受制于樣本母本數(shù)量和母本同位素平均值的影響，在明確2個(gè)影響來源的情況下（淮南礦區(qū)B組煤距離C組煤影響距離大于70 m，影響可以忽略），達(dá)到快速區(qū)分111（5）1工作面瓦斯來源的目的。二元混合模型可表示為：

式中：δmix為二源混合氣體的碳同位素值；δA、δB均為氣體同位素值；a、b分別為該混合氣體中來自第1煤層的氣體和來自第2煤層氣體的占比，且a+b=1；XA為來自第1煤層的解吸氣體中CH4的含量；XB為來自第2煤層氣體中CH4的含量，XA、XB可通過氣相色譜儀測出；VA=aXA；VB=bXB。

實(shí)際樣品的采集過程分為3個(gè)步驟：首先需要將朱集礦C組的13-1、11-2煤層分別采樣，在實(shí)驗(yàn)室提取其解吸氣作為母本解吸氣測試其穩(wěn)定碳?xì)渫凰睾徒M分值；其次是采集待測混合氣樣，同樣是測試其穩(wěn)定碳?xì)渫凰睾徒M分值，最后是將實(shí)測值構(gòu)建上述模型求解，求得a、b，運(yùn)算過程及結(jié)果略。穩(wěn)定碳?xì)渫凰氐那蠼馐且詫?shí)測的母本樣品解吸氣和待測混合氣的碳?xì)渫凰刂禐榛A(chǔ)的。

朱集礦1111（1）工作面及其鄰近層解吸瓦斯經(jīng)過多次測試并取平均值，得出13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰。測試結(jié)果為單源瓦斯碳同位素值，為下文精確定量分析混合瓦斯來源提供依據(jù)。

3 1111（1）工作面混合瓦斯來源定量分析

研究按照采掘計(jì)劃的安排，共分為30次在1111（1）工作面43個(gè)不同深度、不同位置、不同掘進(jìn)點(diǎn)以及地面鉆孔等地采集瓦斯樣品，共采集瓦斯樣品165個(gè)，樣品采集時(shí)間從2016年11月15日持續(xù)到2016年11月29日，尤其對1111（1）工作面地面鉆井、采空區(qū)、底抽巷回風(fēng)共5個(gè)連續(xù)采樣地點(diǎn)的混合瓦斯來源進(jìn)行了著重的討論，這5個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)包括：地面鉆井（1#地面鉆井、2#地面鉆井）、采空區(qū)（軌道巷充填墻1#埋管（4#聯(lián)巷外）、軌道巷充填墻2#埋管（5#聯(lián)巷外））、軌道巷底板巷回風(fēng)。下面對這5個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)瓦斯來源進(jìn)行詳細(xì)分析。

按照不同時(shí)間在1111（1）工作面1#地面鉆井總共采集了瓦斯樣品14個(gè)，經(jīng)過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（1），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，得出的2012年1111（1）工作面1#地面鉆井混合瓦斯來源分析結(jié)果見表1。

1#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢如圖1。由圖1可以看出，隨著采樣時(shí)間的變化，1111（1）工作面1#地面鉆井瓦斯來源中13-1煤層瓦斯占主要優(yōu)勢，達(dá)到80%以上，并且隨著時(shí)間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低；但是在工作面回采完畢，形成采空區(qū)之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。

表1 1#地面鉆井瓦斯來源分析結(jié)果

圖1 1#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖

同樣，在1111（1）工作面2#地面鉆井采集瓦斯樣品17個(gè)，經(jīng)過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析后，混合瓦斯來源比例擬合成曲線，2#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖如圖2。

根據(jù)圖2可以看出，隨著采樣時(shí)間的變化，1111（1）工作面2#地面鉆井瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯占主要優(yōu)勢，高達(dá)70%以上，并且隨著時(shí)間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低；同樣在工作面回采完畢，形成采空區(qū)之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。

圖2 2#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖

為了考察采空區(qū)內(nèi)的瓦斯來源變化，在1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管（4#聯(lián)巷外）和軌道巷充填墻2#埋管（5#聯(lián)巷外），各采集混合瓦斯樣品4個(gè)，經(jīng)過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數(shù)據(jù)計(jì)算分析后，得出混合瓦斯來源比例擬合成曲線（圖3和圖4）。

圖3 軌道巷充填墻1#埋管瓦斯來源變化趨勢圖

圖4 軌道巷充填墻2#埋管瓦斯來源變化趨勢圖

根據(jù)圖3可以看出，隨著采樣時(shí)間的變化，1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管（4#聯(lián)巷外）瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯占主要優(yōu)勢，并且11煤層瓦斯含量也不低，達(dá)35%左右，并且隨著時(shí)間延長，混合瓦斯來源比例中13-1煤層瓦斯呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，并且隨著開采的進(jìn)行的瓦斯比例趨于平緩，13-1煤和11煤混合來源比例變化不大。軌道巷充填墻2#埋管（5#聯(lián)巷外）瓦斯來源中13-1煤層瓦斯占比更大（接近80%），隨著開采時(shí)間的延長，13-1煤層瓦斯所占比例逐漸降低，11煤層瓦斯比例逐漸增大，并且增大趨勢趨于平緩，最終趨于穩(wěn)定。

為了考察11-2煤底抽巷回風(fēng)的瓦斯來源占比，按不同時(shí)間在1111（1）工作面軌道巷底板巷回風(fēng)采集了瓦斯樣品7個(gè)，經(jīng)過測試混合瓦斯中碳同位素值后代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，計(jì)算分析后，得出混合瓦斯來源比例擬合成曲線（圖5）。

圖5 軌道巷底板巷回風(fēng)瓦斯來源變化趨勢圖

根據(jù)圖5可以看出，隨著采樣時(shí)間的變化，1111（1）工作面軌道巷底板巷回風(fēng)瓦斯來源呈現(xiàn)的規(guī)律由于巷道布置的變化產(chǎn)生較大變化。隨著工作面開采，混合瓦斯中11煤層瓦斯占優(yōu)勢，達(dá)到60%左右，同時(shí)13-1煤層瓦斯含量也不低，并隨著工作面回采結(jié)束，11煤層瓦斯比例增大，增大趨勢較大達(dá)70%左右，并變化趨于平緩，13-1煤層瓦斯隨著回采結(jié)束比例有所下降，并最終趨于平緩接近25%。

4 1111（1）工作面混合瓦斯來源影響因素分析

根據(jù)上述定量分析的結(jié)果可知，1111（1）工作面2個(gè)地面鉆井混合瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯的來源占主導(dǎo)地位，并且隨著時(shí)間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低趨勢；但是在工作面回采完畢，形成采空區(qū)之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。分析地面鉆井混合瓦斯來源出現(xiàn)該情況的原因可能是：開采前期由于13-1煤層在11煤層上部，地面鉆井在抽采瓦斯氣體的過程中，瓦斯混合的時(shí)候13-1煤層更占優(yōu)勢，導(dǎo)致13-1煤層瓦斯比例較大；1111（1）工作面回采結(jié)束后形成采空區(qū)，由于11煤層瓦斯充分解析，賦存于采空區(qū)中11煤層瓦斯含量較高，當(dāng)被地面鉆井抽采時(shí)，表現(xiàn)出11煤層瓦斯比例增大的趨勢，但是由于解析條件的限制，11煤層瓦斯增大有限，并且13-1煤層瓦斯仍然占主導(dǎo)地位。

1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管和1111（1）工作面軌道巷充填墻2#埋管瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯來源占主導(dǎo)地位，且11煤層瓦斯含量也不低，達(dá)30%左右，并且隨著時(shí)間延長，混合瓦斯來源比例中13-1煤層表現(xiàn)出降低的趨勢，并且隨著開采的進(jìn)行的瓦斯比例趨于平緩。分析混合瓦斯來源出現(xiàn)該情況的原因可能是由于瓦斯采集點(diǎn)距離13-1煤層工作面較近，并且隨著開采進(jìn)行，11煤層瓦斯進(jìn)行解析，導(dǎo)致后期11煤層瓦斯比例變大。

1111（1）工作面軌道巷底板巷回風(fēng)瓦斯來源中，11煤層瓦斯占優(yōu)勢，達(dá)到60%左右，同時(shí)13-1煤層瓦斯含量也不低，并隨著工作面回采結(jié)束，11煤層瓦斯比例增大，增大趨勢較大達(dá)70%左右，并變化趨于平緩，13-1煤層瓦斯隨著回采結(jié)束比例有所下降，并最終趨于平緩接近25%左右。分析混合瓦斯來源出現(xiàn)該情況的原因可能是該處采集點(diǎn)的瓦斯來源主要受回采工作面控制，并且隨著開采進(jìn)行，工作面瓦斯充分解析，比例呈現(xiàn)升高趨勢，工作面回采完畢，工作面瓦斯大量匯集于采空區(qū)中，導(dǎo)致11煤層瓦斯比例更加升高。

5 結(jié)論

1）根據(jù)朱集礦C組煤首采工作面的地質(zhì)特征，引入二元線性混合計(jì)算模型，根據(jù)實(shí)測的母本解吸氣穩(wěn)定碳?xì)渫凰睾徒M分值，對工作面進(jìn)行混合氣分源計(jì)算。

2）通過對1111（1）工作面不同采樣點(diǎn)的混合瓦斯碳同位素測試分析，對地面鉆井、采空區(qū)、底抽巷回風(fēng)的混合瓦斯來源進(jìn)行了定量分析，精確的得出了混合瓦斯源中各主采煤層所占百分比。

3）分析了1111（1）工作面混合瓦斯來源占比的主要影響因素，發(fā)現(xiàn)混合瓦斯來源主要受采樣點(diǎn)的地理環(huán)境、工作面回采層位、距離回采煤層位置以及采空區(qū)等因素的影響。