煤層群聯(lián)合抽采瓦斯混源比例的對(duì)比試驗(yàn)

丁 紅，吳教錕，馮仁俊，位 樂

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤礦開采深度和強(qiáng)度的加大，瓦斯事故嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)[1]，目前廣泛推廣的瓦斯災(zāi)害防治措施是煤層瓦斯抽采[2-3]。我國大部分煤礦賦存著煤層群，部分礦井為了提高抽采鉆孔利用率，在底板巖巷布置穿層鉆孔聯(lián)合抽采煤層群瓦斯[4-5]。采用現(xiàn)有方法和裝置來單獨(dú)計(jì)量煤層群聯(lián)合抽采瓦斯中來自各個(gè)煤層的瓦斯抽采量比較困難，大多數(shù)礦井根據(jù)鉆孔見煤厚度和控制范圍來計(jì)算綜合預(yù)抽率，沒有考慮各個(gè)煤層自身賦存差異，不符合煤層瓦斯抽采實(shí)際[6-7]。因此，如何精確量化煤層群聯(lián)合抽采瓦斯來源需要進(jìn)一步研究。

油氣行業(yè)中基于碳同位素分析油氣藏來源已經(jīng)取得了不少成果[8-9]。高先志[10]利用天然氣同位素原理計(jì)算確定混合氣體數(shù)量，并在廊固凹陷的河西務(wù)構(gòu)造帶進(jìn)行了應(yīng)用；李勇[11]、段利江[12]等采用天然氣組分碳同位素和色譜烴指紋技術(shù)相結(jié)合的方法,定量獲得多種有機(jī)成因類型天然氣的混合比例；孟召平[13]、孟尚志[14]等通過建立混合氣甲烷碳同位素與混合比之間的線性關(guān)系，劃分出混源氣藏中煤成氣和油型氣的的精確比例；在對(duì)碳同位素研究成果基礎(chǔ)上[15]，殷民勝等[16]對(duì)比了煤礦井下采空區(qū)瓦斯碳同位素與目標(biāo)層位解吸瓦斯中的同類穩(wěn)定同位素的差異，結(jié)合采空區(qū)涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分濃度確立了采空區(qū)瓦斯來源；高宏等[17]根據(jù)單一煤層瓦斯氣體和多個(gè)煤層混合瓦斯氣體碳、氫同位素差異，確定了回采工作面多源瓦斯來源及比例。以上研究成果為應(yīng)用碳同位素進(jìn)行煤層群聯(lián)合抽采瓦斯來源分析奠定了基礎(chǔ)。

筆者基于混源氣體化學(xué)組成質(zhì)量守恒定律，建立混源瓦斯氣體比例計(jì)算模型，并以貴州省小屯煤礦煤層群作為研究對(duì)象，通過測(cè)定各個(gè)煤層瓦斯組分中氣體體積分?jǐn)?shù)及其碳同位素，進(jìn)而計(jì)算得到煤層群聯(lián)合抽采瓦斯中各個(gè)煤層瓦斯混合比，并與分層計(jì)量考察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究成果可為煤層群瓦斯聯(lián)合抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判提供理論研究依據(jù)。

1 原理及方法

穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要研究自然界中穩(wěn)定同位素的豐度及其變化規(guī)律[18-19]。碳元素?fù)碛?2C與13C兩個(gè)穩(wěn)定同位素，國際認(rèn)可的PDB標(biāo)準(zhǔn)樣品中12C的豐度a(12C)s為98.892%，13C的豐度a(13C)s為1.108%，碳同位素值δ(13C)可由下式定義[20]：

(1)

式中：a(13C)/a(12C)為測(cè)試樣品的13C與12C的豐度比；a(13C)s/a(12C)s為標(biāo)準(zhǔn)樣品的13C與12C的豐度比。

包含碳元素的瓦斯氣體組分主要有甲烷CH4和二氧化碳CO2。以CH4碳同位素為例，根據(jù)混源氣體碳同位素的化學(xué)組成質(zhì)量守恒定律，假設(shè)3個(gè)煤層瓦斯混合時(shí)，可以從碳同位素值的定義推導(dǎo)得到混合瓦斯CH4碳同位素值δ(13C(CH4)mix)[13]：

(2)

式中：δ(13C(CH4)1)、δ(13C(CH4)2)和δ(13C(CH4)3)分別為3組瓦斯中的CH4碳同位素值；V(CH4)1、V(CH4)2和V(CH4)3分別為3組瓦斯中的CH4體積，其中：

(3)

式中：V1、V2和V3分別為3組瓦斯體積；φ(CH4)1、φ(CH4)2和φ(CH4)3分別為3組瓦斯中的CH4體積分?jǐn)?shù)。

在不考慮氣體分子之間化學(xué)反應(yīng)的前提下，3組瓦斯混合后的體積為V1+V2+V3，則3組瓦斯在混合體積中所占比例分別為x=V1/(V1+V2+V3)、y=V2/(V1+V2+V3)和z=V3/(V1+V2+V3)，代入式(2)～(3)，可計(jì)算得到混合瓦斯中的CH4碳同位素值。同理，可以聯(lián)合混合瓦斯中的CO2碳同位素值，建立混源瓦斯氣體比例計(jì)算模型：

(4)

式中：δ(13C(CO2)mix)為混合瓦斯中的CO2碳同位素值；δ(13C(CO2)1)、δ(13C(CO2)2)和δ(13C(CO2)3)分別為3組瓦斯中CO2碳同位素值；φ(CO2)1、φ(CO2)2和φ(CO2)3分別為3組瓦斯中CO2體積分?jǐn)?shù)。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，通過測(cè)試3組瓦斯和混合瓦斯中的CH4和CO2體積分?jǐn)?shù)及碳同位素值，可以分別解算得到3組瓦斯氣體在混合體積中所占的比例。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

小屯煤礦位于貴州省大方縣，主要開采上部煤層組，其基本參數(shù)見表1。上部煤層組6上、6中、6下和7號(hào)煤層均為突出煤層，礦井設(shè)計(jì)6中煤層作為保護(hù)層先行開采，在7號(hào)煤層底板抽放巷采用穿層鉆孔預(yù)抽6中煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。由于6上、6中、6下煤層間距較小，且6上和6下煤層瓦斯含量較大，為了保證6中煤層的安全掘進(jìn)，礦井設(shè)計(jì)穿層鉆孔聯(lián)合抽采6中煤層和鄰近6上和6下煤層的瓦斯。

表1 小屯煤礦上部煤層組基本參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

1)分層計(jì)量考察組

在13底抽巷布置4組分層計(jì)量考察鉆孔，組間距20 m，每組鉆孔10個(gè)，巷道兩幫各5個(gè)，鉆孔間距5 m，鉆孔傾角45°，孔徑94 mm。每組鉆孔單獨(dú)接入抽采支管(?108 mm)并安裝自動(dòng)測(cè)流計(jì)量裝置。

2)碳同位素考察組

在13底抽巷、11運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面、14軌道巷掘進(jìn)工作面布置鉆孔采集6中煤層瓦斯，在13底抽巷布置鉆孔采集6下煤層瓦斯，在14軌道巷布置鉆孔采集6上煤層瓦斯。同時(shí)在13底抽巷選取第1組和第2組中的部分鉆孔采集6下+6中+6上煤層聯(lián)合抽采和6中+6上煤層聯(lián)合抽采的瓦斯。

不同考察組對(duì)應(yīng)的鉆孔號(hào)和抽采煤層見表2，鉆孔布置如圖1所示。

表2 不同考察組對(duì)應(yīng)的鉆孔號(hào)和抽采煤層

(a)11運(yùn)輸巷和13底抽巷鉆孔布置

(b)14軌道巷鉆孔布置

2.3 氣樣制備

在抽采鉆孔孔口測(cè)流點(diǎn)采用排水集氣法進(jìn)行瓦斯氣樣采集，采集過程如圖2所示。

1—巷幫；2—鉆孔；3—PVC篩孔管；4—管箍；5—鋼絲軟管；6—聯(lián)抽支管；7—單孔閥門；8—測(cè)流口；9—硅膠管；10—進(jìn)氣口；11—FW-2型高負(fù)壓瓦斯采取器；12—活塞；13—出氣口；14—盛水容器；15—水；16—鹽水瓶；17—反口塞。

2.4 測(cè)試儀器

氣體體積分?jǐn)?shù)采用Agilent 6890N氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)試，碳同位素值采用Isoprime 100型同位素比值質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器如圖3所示。

(a)Agilent 6890N色譜儀 (b)Isoprime 100型質(zhì)譜儀

3 結(jié)果及分析

3.1 氣體體積分?jǐn)?shù)及碳同位素值測(cè)試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案測(cè)試的31組瓦斯氣體組分中各氣體體積分?jǐn)?shù)和碳同位素值見表3。

表3 氣體體積分?jǐn)?shù)及碳同位素值測(cè)試結(jié)果

不同煤層瓦斯的CH4體積分?jǐn)?shù)和碳同位素值對(duì)比見圖4～5。圖中箱體上、下界代表數(shù)據(jù)的75%和25%分位點(diǎn)，箱體中間的空心點(diǎn)表示數(shù)據(jù)的平均值，豎線的上、下界分別表示數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

從圖4和圖5可以看出：各個(gè)煤層瓦斯的CH4體積分?jǐn)?shù)差異較大，由大到小排序?yàn)?下>6中>6上；各個(gè)煤層瓦斯的CH4碳同位素值差異較大，分布在-3.6%～-3.2%內(nèi)，由重到輕排序?yàn)?下>6中>6上。瓦斯組分中CH4體積分?jǐn)?shù)和碳同位素值存在的差異特性，證明了進(jìn)行各個(gè)煤層混源比例的計(jì)算是可行的。

圖4 不同煤層瓦斯氣體的CH4體積分?jǐn)?shù)對(duì)比

圖5 不同煤層瓦斯氣體的CH4碳同位素值對(duì)比

3.2 基于碳同位素原理的混源比例計(jì)算

根據(jù)煤層瓦斯中氣體體積分?jǐn)?shù)和碳同位素值測(cè)定結(jié)果，采用均值法得到各個(gè)煤層和聯(lián)合抽采瓦斯的氣體體積分?jǐn)?shù)和碳同位素均值，見表4。

表4 氣體體積分?jǐn)?shù)和碳同位素均值

將表4中確定的氣體體積分?jǐn)?shù)和碳同位素均值代入公式(4)中，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)6上+6中+6下煤層聯(lián)合抽采和6上+6中煤層聯(lián)合抽采建立的非齊次線性方程組進(jìn)行解算，混源比例計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 基于碳同位素計(jì)算得到的混源比例

由表5可以看出，聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層的抽采瓦斯混源比例中6上煤層占10.82%～24.54%，6中煤層占57.81%～69.58%，6下煤層占5.88%～31.37%。其中6中煤層的瓦斯占比最大，占據(jù)主導(dǎo)地位。

在聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，換算得到6上和6中煤層的抽采瓦斯混源比例中6上煤層占15.77%～26.08%，6中煤層占73.92%～84.23%；與聯(lián)合抽采6上+6中煤層時(shí)6上煤層抽采瓦斯混源比例(25.95%)和6中煤層混源比例(74.05%)基本一致，說明基于碳同位素的混源比例計(jì)算結(jié)果對(duì)3個(gè)煤層中任意 2個(gè)聯(lián)合抽采煤層均適用。

3.3 分層計(jì)量考察結(jié)果及對(duì)比

分層計(jì)量考察組從2019年10月25日開始，連續(xù)觀測(cè)130 d抽采支管抽采瓦斯純流量。其中1(A)組和1(B)組鉆孔平均抽采瓦斯純流量分別為121.2、119.4 m3/d；2(A)組和2(B)組鉆孔平均抽采瓦斯純流量分別為92.5、90.5 m3/d；3(A)組和 3(B)組鉆孔平均抽采瓦斯純流量分別為67.0、72.3 m3/d；4(A)組和4(B)組鉆孔平均抽采瓦斯純流量分別為30.5、31.6 m3/d。

6上煤層平均抽采瓦斯純流量可以通過2種差值計(jì)算方法得到：方法1是將6上+6中+6下煤層聯(lián)合抽采量分別減去6中和6下煤層抽采量；方法2是將6上+6中煤層聯(lián)合抽采量減去6中煤層抽采量。不同差值計(jì)算方法得到的結(jié)果見表6。

表6 分層計(jì)量方法計(jì)算得到的混源比例

由表6可以看出，2種方法計(jì)算得到的6上煤層平均抽采瓦斯純流量：A組鉆孔分別為23.7、25.5 m3/d，B組鉆孔分別為15.5、18.2 m3/d，不同差值計(jì)算結(jié)果基本一致，誤差在允許范圍以內(nèi)。

根據(jù)方法1得到的6上、6中和6下煤層平均抽采瓦斯純流量計(jì)算得到其混源比例見表6。

瓦斯混源比例對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 瓦斯混源比例對(duì)比

從圖6可以看出，聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，6中煤層瓦斯抽采量占據(jù)主導(dǎo)地位，6上煤層和6下煤層瓦斯抽采量占比均較小。采用基于碳同位素計(jì)算和分層計(jì)量方法計(jì)算得到的6上、6中和6下煤層混源比例基本一致，說明基于碳同位素進(jìn)行煤層群聯(lián)合抽采瓦斯混源比例的計(jì)算是科學(xué)準(zhǔn)確的。

4 結(jié)語

1)基于碳同位素化學(xué)組成質(zhì)量守恒定律，建立了由3個(gè)煤層組成的煤層群聯(lián)合抽采瓦斯混源比例計(jì)算模型。

2)基于小屯煤礦各個(gè)煤層瓦斯中CH4體積分?jǐn)?shù)和碳同位素值存在的差異特性，進(jìn)行各個(gè)煤層混源比例的計(jì)算是可行的。

3)采用基于碳同位素計(jì)算和分層計(jì)量方法計(jì)算得到的6上、6中和6下煤層瓦斯混源比例基本一致，說明基于碳同位素進(jìn)行煤層群聯(lián)合抽采瓦斯混源比例的計(jì)算是科學(xué)準(zhǔn)確的，可為煤層群瓦斯聯(lián)合抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判提供新的研究思路。