基于穩(wěn)定同位素的混合瓦斯源識別技術(shù)研究與應(yīng)用

梁文勖，李江濤，付 巍，張 陽

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.鞍鋼集團礦業(yè)有限公司教育培訓中心，遼寧 鞍山 114031)

瓦斯治理需要形成一套相互聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣的整體系統(tǒng)解決方案。首先需要確定工作面瓦斯的來源，判斷是本煤層瓦斯涌出為主還是鄰近煤層涌出為主[1-2]；其次需要研究瓦斯運移規(guī)律進而判斷高濃度瓦斯富集區(qū)[3-5]；最后需要開展瓦斯抽采優(yōu)化研究[6-10]，選擇高效瓦斯抽采方法，通過提高封孔質(zhì)量實現(xiàn)瓦斯抽采穩(wěn)定。在實際研究過程中，多注重瓦斯富集規(guī)律與瓦斯抽采優(yōu)化的研究，但對瓦斯分源的研究較少，對瓦斯來源及比例尚不明確。因此，瓦斯治理需要從源頭做起，也是其首要目標。我國很多高瓦斯突出礦井為近距離煤層群開采，開采時采空區(qū)的瓦斯主要有本煤層煤壁和落煤涌出的瓦斯、鄰近層通過裂隙涌入的瓦斯，判斷其來源和比例有助于優(yōu)化礦井瓦斯抽采設(shè)計。

采空區(qū)瓦斯涌入來源和瓦斯涌入量分析是礦井生產(chǎn)初期通風設(shè)計、瓦斯抽采工程設(shè)計，乃至高效安全生產(chǎn)的重要依據(jù)，對接替工作面的瓦斯治理等工作也有重要的參考作用。目前廣泛應(yīng)用的測定煤層瓦斯涌出來源的傳統(tǒng)方法有礦山統(tǒng)計分析法和分源預(yù)測法[11-13]，計算過程中多采用經(jīng)驗系數(shù)，造成預(yù)測結(jié)果可靠性差；同時如果礦井地質(zhì)條件變化，按照上述方法有時會有較大的誤差，而且預(yù)測結(jié)果是固定不變的，這并不符合現(xiàn)場實際。一些研究人員[14-15]基于相關(guān)理論和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了礦井瓦斯涌出量的動態(tài)預(yù)測。國內(nèi)外學者基于灰色預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法及組合預(yù)測法預(yù)測瓦斯涌出量，預(yù)測精度較高且具備動態(tài)預(yù)測能力，但由于考慮的因素過多，目前研究僅停留在學術(shù)層面。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，同位素地球化學的測試技術(shù)也越來越先進，戴金星院士[16]利用同位素區(qū)分煤層并總結(jié)了煤層氣成因；黃暉等[17]利用同位素測定及其他手段確定了潘二礦1煤層底板灰?guī)r瓦斯異常噴出的原因；高宏等[18]基于碳氫同位素分析技術(shù)，確定了鳳凰山煤礦15#煤層開采中某一點的煤層瓦斯來源及其比例；周偉等[19]利用穩(wěn)定碳氫同位素對采空區(qū)瓦斯涌出來源進行量化，得到了采空區(qū)內(nèi)各處瓦斯來源的動態(tài)演化規(guī)律。

山西西山礦區(qū)屯蘭礦開采的2#煤層位于山西組中上部，上距02#煤層平均13.9 m，下距4#煤層平均7.8 m，開采時鄰近煤層瓦斯很容易涌入采空區(qū)，需要判斷采空區(qū)各處不同來源的瓦斯比例。通過測試02#、2#、4#煤層解吸氣體及不同抽采方式下的混合氣體的穩(wěn)定同位素特征，結(jié)合氣源判識的數(shù)學模型，判斷隨工作面推進混合氣體的涌出規(guī)律，定量識別瓦斯的來源煤層及其比例，從而為瓦斯治理提供依據(jù)。

1 同位素判斷采空區(qū)識別技術(shù)原理

煤的同位素與成煤植物、煤的組分和煤化程度、古環(huán)境因素(大氣CO2含量、光照、古水鹽度和壓力、營養(yǎng)和季節(jié)變化)密切相關(guān)[20]，瓦斯在產(chǎn)生過程中受到生物降解或熱解作用強弱不同，導致同位素分餾，從而造成各煤層解吸瓦斯碳氫同位素值產(chǎn)生差異?？梢岳媚承┰赝凰夭町愝^大氣體作為端元氣體，而采空區(qū)的瓦斯是各個端元氣體(本煤層和鄰近層氣體源)按照一定比例混合而成，混合后瓦斯中不同標志物的同位素值與各個端元的混合比例密切相關(guān)。故可以通過同位素質(zhì)譜儀分析測定端元氣體碳氫同位素和不同地點混合后的同位素值，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，利用分源計算數(shù)學模型來精確計算混合煤層各瓦斯來源的比例。

2 地質(zhì)背景

屯蘭礦位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼。地層傾向南南西，傾角為2°～15°，呈一走向NNE～NNW、傾向SSWE的波浪狀單斜構(gòu)造。井田內(nèi)含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組(C3t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)，其中二疊系下統(tǒng)山西組稱上組煤，其中的02#、2#和4#煤層為可采煤層。本次研究的12505綜采工作面開采2#煤層，開采煤層厚度為3.3 m，2#煤層瓦斯含量為6.32～9.88 m3/t，4#煤層瓦斯含量為5.63～8.97 m3/t。該區(qū)域的煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

對工作面采取的瓦斯治理方式為本煤層預(yù)抽2#煤層瓦斯，上鄰近層通過在頂板布置高抽巷和在軌道巷布置頂板走向鉆孔進行瓦斯抽采，下鄰近層通過在12505底抽巷預(yù)抽4#煤層瓦斯。在工作面回采期間通過在回風巷布置埋管對采空區(qū)瓦斯進行抽采，工作面采用“U”型通風系統(tǒng)。

3 采樣與測試

3.1 樣品采集與測試

首先采集母本氣體(02#、2#、4#煤層解吸瓦斯氣體)以測定碳氫同位素值，包括13C(CH4)、13C(C2H6)、2H(CH4)。由圖1可以得出7#煤層距離2#煤層64.65 m。根據(jù)標準AQ 1018—2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》[21]中層間距與鄰近層排放率的關(guān)系曲線，可知7#煤層的瓦斯不會涌入至2#煤層，本次測定不采集7#煤層及其下方煤層樣品。02#、2#、4#煤層取樣位置依次為北三右翼回風石門、12507掘進工作面200 m處、14402回風巷巷口，利用取心鉆頭取煤層的上、中、下位置的煤樣，每層煤層共測試9個樣品，稍微粉碎后將煤樣放入鋁箔取樣袋中并抽真空1次，以去除取樣袋中混入的空氣。在12505綜采工作面推進過程中，分別在距離開切眼8(此時采空區(qū)頂板未垮落)、50、87、152、260 m的高抽巷、回風巷埋管、頂板走向鉆孔及上隅角處取得采空區(qū)混合氣體，利用高負壓抽氣筒在每處取2組氣樣，氣樣由聚乙烯取樣袋充裝。取50 μL氣樣，注入進樣口，經(jīng)過極性分離后將氣體注入Delta plus XP穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀中進行檢測，測定精度通過實驗室工作標準進行控制，標準樣品重復分析誤差小于0.02%。

3.2 測試結(jié)果

屯蘭礦各煤層解吸氣體和混合氣體的碳氫同位素測定值的中位值如表1和表2所示。各煤層解吸氣體中甲烷的碳、氫同位素和乙烷的碳同位素箱式圖如圖2所示。

表1 解吸氣體(母本氣體)碳氫同位素值(中位值)

表2 混合氣體碳同位素測定值

(a)甲烷的碳同位素

(b)甲烷的氫同位素

(c)乙烷的碳同位素值

由圖2可以看出，屯蘭礦各煤層甲烷和乙烷碳同位素值平均值(見圖2(a)、圖2(c))差異較大，重疊區(qū)域較?。患淄闅渫凰刂?見圖2(b))測試值有較大的重疊區(qū)域，差異較小，在計算瓦斯來源時會造成較大誤差，不宜作為端元氣體。從各同位素數(shù)值可以看出，各同位素平均值隨煤層的埋深有變大的趨勢。

4 三端元混合瓦斯源判識數(shù)學模型

高先志[22]根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導出了混合瓦斯氣體中碳同位素值的計算公式。設(shè)定02#(上覆煤層)、2#(本煤層)、4#(下伏煤層)煤層三端元混合瓦斯氣體所占的比例分別為x、y、z；由于本次測試3層煤甲烷氫同位素差異性較小，不宜作為端元氣體，僅能用甲烷和乙烷的碳同位素值推導混合氣體比例。設(shè)3層煤甲烷的碳同位素值分別為A1、B1、C1，乙烷的碳同位素值分別為A2、B2、C2，混合氣體甲烷、乙烷碳同位素值分別為δ1、δ2，則有：

δ1=xA1+yB1+zC1

(1)

δ2=xA2+yB2+zC2

(2)

x+y+z=1

(3)

經(jīng)過轉(zhuǎn)化，得到：

x(A1-C1)+y(B1-C1)=δ1-C1

(4)

x(A2-C2)+y(B2-C2)=δ2-C2

(5)

建立圖解示意圖，如圖3所示。

圖3 三端元混合瓦斯氣體比例計算圖解

由圖3可求得A、B端元所占的比例x、y，進而可計算出C端元所占的比例z。

5 采空區(qū)瓦斯來源分析

5.1 頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯涌出分析

12505綜采工作面高抽巷和頂板走向鉆孔混合瓦斯(甲烷)來源比例如圖4所示。

(a)高抽巷

(b)頂板走向鉆孔

由圖4可以看出，采用這2種方案抽采的瓦斯均來自采空區(qū)頂板裂隙帶，其瓦斯分源構(gòu)成基本相似，各煤層瓦斯涌入動態(tài)變化規(guī)律特征十分明顯，能全面反映采空區(qū)裂隙帶內(nèi)各瓦斯來源涌入量占比動態(tài)變化情況，其主要變化規(guī)律和特征可歸納為3個階段：

1)02#煤層瓦斯涌入階段。由于高抽巷距離02#煤層較近，在煤層開采初期高抽巷瓦斯涌入來源以02#煤層為主，占比為80%～90%；2#煤層瓦斯涌入占比為10%～20%；此時4#煤層瓦斯暫未涌至。當工作面推進距離為8 m時，老頂還未出現(xiàn)初次來壓，但是頂板已經(jīng)出現(xiàn)裂隙，為瓦斯流動提供了通道，使2#煤層采空區(qū)遺煤瓦斯流動至高抽巷。

2)2#煤層瓦斯涌入階段。隨著工作面推進至50 m時，混合瓦斯仍以02#煤層釋放的瓦斯為主，占比為72%；隨著頂板裂隙逐漸增多，2#煤層瓦斯涌入的占比增大至23%，其上升趨勢明顯；由于采場裂隙的發(fā)展和下鄰近層卸壓裂隙通道逐漸形成，由4#煤層涌入的瓦斯開始出現(xiàn)，但是比例較小，其占比僅為5%。

3)瓦斯涌入穩(wěn)定階段。第3次取樣(工作面推進87 m)至第5次取樣(工作面推進260 m)時，老頂初次來壓結(jié)束并進入周期來壓，裂隙帶內(nèi)02#煤層瓦斯涌入的比例下降到最低，但仍占優(yōu)勢，其占比為60%；2#煤層瓦斯涌至裂隙帶達到最高峰值并趨于平衡，占比在30%左右；4#煤層涌出的瓦斯比例也有所提高并達到穩(wěn)定階段，其占比為10%左右。

5.2 采空區(qū)上隅角附近瓦斯來源分析

上隅角附近包括上隅角和埋管管路中各煤層瓦斯的涌入比例如圖5所示。

(a)上隅角

(b)埋管管路

由圖5可以看出，在開采初期2個地點涌入的瓦斯以來自2#煤層為主，占比為70%以上，隨著工作面的推進，占比降為50%左右；02#煤層瓦斯涌入量隨著工作面的推進也呈波動狀態(tài)，但總體呈下降趨勢，在回采穩(wěn)定期間，其瓦斯涌入量占比為10%～20%；4#煤層瓦斯涌入量占比隨著工作面推進由0上升到15%，最后穩(wěn)定在30%～40%。

綜合來看，12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯來源方式為“上覆煤層+本煤層”，上隅角附近的瓦斯來源為“本煤層+下伏煤層”。

6 傳統(tǒng)分源預(yù)測法對比分析

為了進一步研究傳統(tǒng)分源預(yù)測法與穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測法的差異，對傳統(tǒng)分源預(yù)測法與同位素示蹤分源預(yù)測法(回采穩(wěn)定期)預(yù)測值進行對比，傳統(tǒng)分源預(yù)測法的具體實施和計算見文獻[21]，結(jié)果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)分源預(yù)測法和穩(wěn)定同位素預(yù)測法分源占比對比

由表3可以看出，傳統(tǒng)分源預(yù)測法與穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測法測定結(jié)果差異較大，傳統(tǒng)分源預(yù)測法僅能預(yù)測回采工作面的瓦斯來源比例，其結(jié)果是1個固定的值；穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測法能夠動態(tài)分析工作面回采期間不同地點的瓦斯來源及占比。

7 結(jié)論

1)測定了屯蘭礦上組煤煤層解吸氣體的穩(wěn)定碳氫同位素分布特征，結(jié)果表明各煤層穩(wěn)定碳氫同位素值存在一定的差異，表現(xiàn)為瓦斯碳氫同位素值隨煤層埋深增大出現(xiàn)偏大的特點，甲烷和乙烷的碳同位素值差異較大，甲烷的氫同位素值差異較小，在計算過程中不宜作為端元氣體。

2)12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)各煤層的瓦斯涌入量占比呈動態(tài)變化規(guī)律，分別為02#煤層瓦斯涌入階段、2#煤層瓦斯涌入階段和瓦斯穩(wěn)定涌入階段。在瓦斯穩(wěn)定涌入階段混合瓦斯來源于02#、2#和4#煤層的比例平均值分別為60%、30%和10%；在上隅角和埋管管路中瓦斯穩(wěn)定涌入階段混合瓦斯來源于02#、2#和4#煤層的比例約為13%、50%和37%，采空區(qū)各位置的不同瓦斯來源比例相差較大。12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯來源方式為“上覆煤層+本煤層”，上隅角附近的瓦斯來源為“本煤層+下伏煤層”。

3)相較于傳統(tǒng)分源預(yù)測法，穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測法判別混合瓦斯來源更能準確反映瓦斯運移動態(tài)變化規(guī)律，為瓦斯精準治理提供更有效的依據(jù)。