采空區(qū)瓦斯來源判識與量化分析

曹佳興，張爾輝

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

瓦斯事故作為礦山安全的主要制約因素之一，嚴(yán)重威脅著廣大職工的財產(chǎn)和生命安全。瓦斯事故的預(yù)防和治理是保障安全生產(chǎn)的重要舉措。采空區(qū)瓦斯混合氣體來源廣泛，對采空區(qū)瓦斯來源進行量化分析對提高采空區(qū)瓦斯抽采率、合理設(shè)計抽采工藝和參數(shù)具有指導(dǎo)意義[1]。

研究學(xué)者認(rèn)為，采空區(qū)瓦斯來源源主要包括煤壁涌出[2]、落煤涌出[3]、采空區(qū)遺留涌出[4]及鄰近層涌出[5]。在進行采空區(qū)瓦斯來源分析的研究中，眾多學(xué)者從理論計算[6]、相似模擬[7]、數(shù)值模擬計算[8]等方面著手。傳統(tǒng)的采空區(qū)瓦斯分源判識包括統(tǒng)計分析[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、灰色系統(tǒng)[11]和分源計算[1]等多種方法。分源計算方法具有適用性強、準(zhǔn)確度高、系統(tǒng)完善等優(yōu)勢，逐漸成為采空區(qū)瓦斯來源量化分析的主要手段之一。穩(wěn)定性碳同位素在研究自然界中碳循環(huán)、來源示蹤、運移軌跡監(jiān)測等方面有其獨到的優(yōu)勢[12]。通過研究采空區(qū)氣體樣本，測試樣本氣體組分和碳同位素值，進而確定采空區(qū)瓦斯成分和來源分布，可作為采空區(qū)瓦斯來源量化分析的重要研究手段[13-15]。

傳統(tǒng)的采空區(qū)瓦斯來源量化判識研究成果能在一定程度上反映采空區(qū)瓦斯來源特征和涌出規(guī)律，在調(diào)高準(zhǔn)確度和多煤層聯(lián)合分析等方面還有一定的提升空間。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以山西某礦二號井9#煤和15#煤采空區(qū)為研究對象，通過采空區(qū)混合氣體樣本的采集和測試，分析9#煤、15#煤及其鄰近層瓦斯氣體組分及穩(wěn)定同位素組成，進而確定穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)和瓦斯來源動態(tài)演化規(guī)律，建立一種基于分源計算模型的采空區(qū)瓦斯來源量化分析方法，對瓦斯的預(yù)防和治理具有指導(dǎo)意義。

1 穩(wěn)定碳同位素識別物質(zhì)來源的機理

碳元素是自然界中分布最為廣泛的基礎(chǔ)元素之一，碳元素由l2C和13C兩種穩(wěn)定性同位素組成，一般作為物質(zhì)溯源和斷代的主要標(biāo)識物，于12C和13C在中子數(shù)量(質(zhì)量)上的差異性，通常用相對量來表示其同位素組成，也就是用同位素比率δ值表示。

δ13C=[(13C/12C)樣/(13C/12C)PDB-1]×1000

在煤成氣過程中，由于植物的分餾作用，導(dǎo)致各層煤(氣)的不平衡和差異。這種同位素的不平衡性和差異性，是研究工作面不同鄰近層氣源判別的理論基礎(chǔ)和基本技術(shù)原理[12]。通常C3植物的δ13C值在-20‰～-35‰之間，平均值為-27‰。C4植物的δ13C值在-9‰～-17‰之間，平均值為-13‰。而CAM植物由于利用了C3和C4途徑，其13C值介于C3與C4植物對應(yīng)值之間。

2 混合氣體樣本采集和測試

為全面準(zhǔn)確地對山西某礦2號井9#煤和15#煤采空區(qū)瓦斯來源量化分析，采集了9#煤和15#煤采空區(qū)的穩(wěn)定采空區(qū)氣樣，采集裝置如圖1所示。測試氣樣組分和碳氫同位素值，詳細掌握各井區(qū)主采煤層混合氣樣來源占比的結(jié)構(gòu)特征和動態(tài)變化規(guī)律，借此分析混合氣體的來源層?；旌贤咚箻悠凡杉桨溉缦拢?/p>

圖1 采空區(qū)橫貫臨時密閉內(nèi)氣體的采集示意圖1—密閉墻；2—觀測管；3—采樣管；4—吸氣筒；5—采樣袋

回采工作面采空區(qū)混合氣體檢測方法：在二號井97307、153304工作面采空區(qū)，實施定時定點連續(xù)采樣，采樣地點為采空區(qū)固定采樣點，采樣頻率為每個地點每3天定時取一次樣，其中97307工作面采空區(qū)連續(xù)取氣49天，共計取18組氣樣，153304工作面采空區(qū)連續(xù)取氣41天，共計取17組氣樣。穩(wěn)定采空區(qū)混合氣體考察方法：在二號井97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)，153301、153302穩(wěn)定采空區(qū)實施采樣，采樣地點為采空區(qū)密閉墻外抽采管觀測孔。其中97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)一次各取2組氣樣，153301穩(wěn)定采空區(qū)一次取1組氣樣，153302穩(wěn)定采空區(qū)一次取2組氣樣。具體混合氣體取樣信息如表1所示。

表1 混合氣體取樣本采集明細表

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 分源模型的建立

混合瓦斯氣體中穩(wěn)定碳同位素值與各個端元的混合比例密切相關(guān)，在以往的多數(shù)文獻中，對混合源天然氣碳同位素計算一般采用近似算法，但是并沒給出具體的推導(dǎo)過程。本文從碳同位素的定義出發(fā)，以體積比重新推導(dǎo)混合氣體中碳同位素值的計算公式。根據(jù)碳同位素定義：

(1)

質(zhì)量是企業(yè)求生存謀發(fā)展的前提條件?；A(chǔ)設(shè)施和材料的質(zhì)量也直接影響建設(shè)施工的質(zhì)量。企業(yè)管理人員對于施工設(shè)施要進行科學(xué)合理的管控。加大資金投入量，在材料采購和設(shè)備采購方面做到擇優(yōu)選取。積極引進一些新設(shè)備、新材料、新工藝，嚴(yán)格把控技術(shù)、設(shè)備、材料等方面的質(zhì)量。減少企業(yè)施工中的安全隱患。

根據(jù)定義，以二源混合煤層氣中CH4的碳同位素值為例，假設(shè)第一煤層的解吸氣體中CH4的碳同位素值為δA，同時假設(shè)單位體積的混合氣體中來自第一煤層的解吸氣體中CH4的體積為VA；假設(shè)第二煤層的解吸氣體中CH4的碳同位素值為δB，以及單位體積的混合氣體來自第二煤層的解吸氣體中CH4的體積為VB。將兩組CH4混合，混合氣體中CH4的碳同位素值為δmix。則二源混合氣體的碳同位素值的計算公式為：

(2)

δmix、δA、δ均可通過氣體同位素質(zhì)譜儀測出。

此時，對于單位體積的混合氣體，有：

VA=a·XA，VB=b·XB

代入公式(2)中，可得二源煤層氣分源識別模型：

(3)

其中，a、b分別為該混合氣體中來自第一煤層的氣體和來自第二煤層氣體的占比，且a+b=1，a、b均為未知值。XA為來自第一煤層的解吸氣體中CH4的含量，XB為來自第二煤層氣體中CH4的含量，XA、XB可通過氣相色譜儀測出；δA為第一煤層的解吸氣體中CH4的碳同位素值，δB為第二煤層的解吸氣體中CH4的碳同位素值，δmix為第一煤層和第二煤層的混合氣體中的CH4的碳同位素值，δmix、δA、δ可通過氣體同位素質(zhì)譜儀測出[16]。

將檢測到的XA、XB、δmix、δA、δ值代入式(3)中，即可得出a、b的值。由此，對于多源煤層氣，針對其中的一個組分氣體，可有：

(4)

其中，XA、XB、XC、XD、XE…為該多個煤層中各煤層的解吸氣體中一個組分氣體的含量，其值可通過氣相色譜儀測出；δmix為該混合氣體中該一個組分氣體的同位素值；δA、δB、…、δN為該多個煤層中各煤層的解吸氣體中該一個組分氣體的同位素值。δmix、δA、δB、…、δN的值可通過氣體同位素質(zhì)譜儀測出。

3.2 分源算法優(yōu)化

圖2 煤層綜合柱狀圖及位置關(guān)系

基于上述分析，在混合瓦斯涌出動態(tài)分析過程中，可將5#、7#、8-1#、8-2#合并作為一個單獨端元，完成五端元分源分析計算，進而揭示9#和15#煤層瓦斯涌出的動態(tài)演化規(guī)律。據(jù)此，為了適應(yīng)新的五端元分源算法，本文根據(jù)該礦瓦斯地質(zhì)特征，將5#、7#、8-1#、8-2#四組煤層的穩(wěn)定碳氫同位素和組分值進行合并計算，得出新煤層解吸氣組分與同位素特征值統(tǒng)計表，見表2。

表2 合并計算的煤層解吸氣組分與同位素特征值統(tǒng)計表

3.3 工程應(yīng)用

3.3.1 穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)分析

9#煤穩(wěn)定采空區(qū)有97301、97303、97305?；旌蠚怏w樣本采樣工作分兩次完成。穩(wěn)定采空區(qū)3組混合瓦斯氣樣的穩(wěn)定碳氫同位素和組分測試結(jié)果見表3。

表3 9#煤穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯氣樣組分和碳氫同位素測試值

將表3所列的97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯碳氫同位素和組分實測結(jié)果，運用計算模型進行集中計算，就可以得出97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)的各層詳細來源體積比例，分源體積比數(shù)據(jù)見表4。

表4 9#煤穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯氣樣分源比例明細表

將表4作成餅圖就能明顯看出97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)的瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由圖3可以得出97301、97303、97305穩(wěn)定采空區(qū)的瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)特征為：1) 9#穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯涌出來源以15#煤層為主，平均體積占比49.7%，9#本煤層瓦斯平均體積占比34%，578#煤瓦斯來源在9#穩(wěn)定采空區(qū)平均體積占比僅9.7%，2#和3#占比較少，平均體積占比僅6.7%。2) 15#煤瓦斯是9#煤穩(wěn)定采空區(qū)的最大瓦斯來源，平均體積占比49.7%。從采空區(qū)“下三帶”理論計算分析，認(rèn)為9#和下覆15#煤的平均間距28m，15#煤處于9#煤的底板彎曲變形帶，在9#煤的底板卸壓保護范圍內(nèi)，瓦斯來源分析結(jié)果驗證了這一觀點。9#煤同等賦存條件工作面采空區(qū)瓦斯防治的重點仍應(yīng)是15#煤層。

圖3 9#煤穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯來源結(jié)構(gòu)餅圖

15#煤穩(wěn)定采空區(qū)有153301、153302。混合氣體樣本采樣工作同樣分兩次完成。穩(wěn)定采空區(qū)兩組混合瓦斯氣樣的穩(wěn)定碳氫同位素和組分測試結(jié)果見表5。

表5 15#煤穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯氣樣組分和碳氫同位素測試值

將表5所列的153301、153302穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯碳氫同位素和組分實測結(jié)果，運用計算模型進行集中計算，就可以得出153301、153302穩(wěn)定采空區(qū)的各層詳細來源體積比例，分源體積比數(shù)據(jù)見表6。

表6 15#煤穩(wěn)定采空區(qū)混合瓦斯氣樣分源比例明細表

將表6擬合成餅圖就能明顯看出153301、153302穩(wěn)定采空區(qū)的瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)，如圖4所示。由圖4可得出153301、153302穩(wěn)定采空區(qū)的瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)特征為：1) 15#穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯涌出來源以15#本煤層為主，平均體積占比68%，9#煤層瓦斯平均體積占比23.5%，578#煤瓦斯來源在15#穩(wěn)定采空區(qū)平均體積占比僅6.5%，2#和3#占比極少，總計不超過4%，可忽略。2) 15#煤穩(wěn)定采空區(qū)最大瓦斯來源是15#本煤層，平均體積占比68%。從采空區(qū)“下三帶”理論計算分析，認(rèn)為15#和上覆9#煤的平均間距28 m，9#煤處于15#煤的頂板彎曲下沉帶，在15#煤的頂板卸壓保護范圍內(nèi)，9#穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯來源結(jié)構(gòu)研究結(jié)果驗證了這一觀點。15#煤同等賦存條件工作面采空區(qū)瓦斯防治的重點仍是15#本煤層。

圖4 采空區(qū)瓦斯來源結(jié)構(gòu)餅圖

3.3.2 采空區(qū)瓦斯來源動態(tài)演化規(guī)律分析

為了比較分析9#和15#工作面采空區(qū)瓦斯來源隨采動時空的動態(tài)演化規(guī)律，將97307采樣數(shù)據(jù)擬合成曲線就能明顯看出97307工作面采空區(qū)自2019年8月10日開始，至2019年9月11日共計33天時間周期內(nèi)的瓦斯來源動態(tài)演化規(guī)律，如圖5所示。根據(jù)圖5可以分析得出97307正?；夭善陂g采空區(qū)各層瓦斯來源的動態(tài)變化特征。觀察初期(時間為回采工作面推過觀察點15天，空間為距離觀察點0～43 m的范圍內(nèi))，97307工作面采空區(qū)瓦斯涌出來源體積以9#本煤層為主，平均體積占比58%，但此期間9#本煤層的解吸瓦斯體積占比不斷下降，降幅為72%～47%。同期其近鄰近層15#煤解吸瓦斯體積占比逐漸上升，升幅為22%～51%，平均體積占比36.8%。其他鄰近層解吸瓦斯體積占比很小，可以忽略。觀察中后期(時間為回采工作面推過觀察點15～33天，空間為距離觀察點43～207 m的范圍內(nèi))，97307工作面采空區(qū)瓦斯涌出來源體積以15#鄰近層為主，平均體積占比59%，且其體積占比繼續(xù)上升升幅為52%～66%。此期間9#本煤層的解吸瓦斯體積占比繼續(xù)下降，降幅為42%～28%，平均體積占比33.6%。其他鄰近層解吸瓦斯體積占比同樣很小，可以忽略。)從97307工作面采空區(qū)的瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)看，15#煤是9#煤穩(wěn)定采空區(qū)的最大瓦斯來源，總平均體積占比51.3%。

圖5 97307工作面回采期間采空區(qū)瓦斯來源分源示蹤曲線

將153304采樣數(shù)據(jù)擬合成曲線就能明顯看出153304工作面采空區(qū)自2019年8月10日開始，至2019年9月11日這33天時間周期內(nèi)的瓦斯來源動態(tài)演化規(guī)律，如圖6所示。根據(jù)圖6可以分析得出153304工作面正?；夭善陂g采空區(qū)各層瓦斯來源的動態(tài)變化特征。在整個33天觀察時間周期內(nèi)，從觀察點到工作面0～288m的空間范圍內(nèi)，153304工作面采空區(qū)瓦斯涌出來源體積以15#本煤層為主，平均體積占比78%，但此期間15#本煤層的解吸瓦斯體積占比穩(wěn)步下降，最大降幅為90%～68%。同期其近鄰近層9#煤解吸瓦斯體積占比逐漸上升，升幅為6%～22%，平均體積占比15%。其他鄰近層中，578合層瓦斯體積占比平均6.1%，上組煤解吸瓦斯體積占比很小，可以忽略。

圖6 153304工作面回采期間采空區(qū)瓦斯來源分源示蹤曲線

4 結(jié)論

(1) 9#煤、15#煤采空區(qū)混合氣體組分和穩(wěn)定碳元素均存在差異，因此可以利用分源計算方法對采空區(qū)瓦斯來源進行量化分析。且在混合瓦斯涌出動態(tài)分析過程中，可將5#、7#、8-1#、8-2#合并作為一個單獨端元，完成五端元分源分析計算。

(2) 9#穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯涌出來源以15#煤層為主，平均體積占比49.7%，9#本煤層瓦斯平均體積占比34%，578#煤瓦斯來源在9#穩(wěn)定采空區(qū)平均體積占比僅9.7%，2#和3#占比較少，平均體積占比僅6.7%。

(3) 15#穩(wěn)定采空區(qū)瓦斯涌出來源以15#本煤層為主，平均體積占比68%，9#煤層瓦斯平均體積占比23.5%，578#煤瓦斯來源在15#穩(wěn)定采空區(qū)平均體積占比僅6.5%，2#和3#占比極少，總計不超過4%，可忽略。