煤層群聯合抽采瓦斯混源比例的對比試驗

丁 紅，吳教錕，馮仁俊，位 樂

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤礦開采深度和強度的加大，瓦斯事故嚴重威脅著礦井安全生產[1]，目前廣泛推廣的瓦斯災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合抽采煤層群瓦斯[4-5]。采用現有方法和裝置來單獨計量煤層群聯合抽采瓦斯中來自各個煤層的瓦斯抽采量比較困難，大多數礦井根據鉆孔見煤厚度和控制范圍來計算綜合預抽率，沒有考慮各個煤層自身賦存差異，不符合煤層瓦斯抽采實際[6-7]。因此，如何精確量化煤層群聯合抽采瓦斯來源需要進一步研究。

油氣行業中基于碳同位素分析油氣藏來源已經取得了不少成果[8-9]。高先志[10]利用天然氣同位素原理計算確定混合氣體數量，并在廊固凹陷的河西務構造帶進行了應用；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相結合的方法,定量獲得多種有機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系，劃分出混源氣藏中煤成氣和油型氣的的精確比例；在對碳同位素研究成果基礎上[15]，殷民勝等[16]對比了煤礦井下采空區瓦斯碳同位素與目標層位解吸瓦斯中的同類穩定同位素的差異，結合采空區涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分濃度確立了采空區瓦斯來源；高宏等[17]根據單一煤層瓦斯氣體和多個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。以上研究成果為應用碳同位素進行煤層群聯合抽采瓦斯來源分析奠定了基礎。

筆者基于混源氣體化學組成質量守恒定律，建立混源瓦斯氣體比例計算模型，并以貴州省小屯煤礦煤層群作為研究對象，通過測定各個煤層瓦斯組分中氣體體積分數及其碳同位素，進而計算得到煤層群聯合抽采瓦斯中各個煤層瓦斯混合比，并與分層計量考察結果進行對比。研究成果可為煤層群瓦斯聯合抽采達標評判提供理論研究依據。

1 原理及方法

穩定同位素地球化學主要研究自然界中穩定同位素的豐度及其變化規律[18-19]。碳元素擁有12C與13C兩個穩定同位素，國際認可的PDB標準樣品中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)為測試樣品的13C與12C的豐度比；a(13C)s/a(12C)s為標準樣品的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，根據混源氣體碳同位素的化學組成質量守恒定律，假設3個煤層瓦斯混合時，可以從碳同位素值的定義推導得到混合瓦斯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體積分數。

在不考慮氣體分子之間化學反應的前提下，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)，可計算得到混合瓦斯中的CH4碳同位素值。同理，可以聯合混合瓦斯中的CO2碳同位素值，建立混源瓦斯氣體比例計算模型：

(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體積分數。

在現場試驗過程中，通過測試3組瓦斯和混合瓦斯中的CH4和CO2體積分數及碳同位素值，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 方案設計

2.1 試驗地點概況

小屯煤礦位于貴州省大方縣，主要開采上部煤層組，其基本參數見表1。上部煤層組6上、6中、6下和7號煤層均為突出煤層，礦井設計6中煤層作為保護層先行開采，在7號煤層底板抽放巷采用穿層鉆孔預抽6中煤層瓦斯作為區域防突措施。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，礦井設計穿層鉆孔聯合抽采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

2.2 試驗方案

1)分層計量考察組

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

2)碳同位素考察組

在13底抽巷、11運輸巷掘進工作面、14軌道巷掘進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上煤層聯合抽采和6中+6上煤層聯合抽采的瓦斯。

不同考察組對應的鉆孔號和抽采煤層見表2，鉆孔布置如圖1所示。

表2 不同考察組對應的鉆孔號和抽采煤層

(a)11運輸巷和13底抽巷鉆孔布置

(b)14軌道巷鉆孔布置

2.3 氣樣制備

在抽采鉆孔孔口測流點采用排水集氣法進行瓦斯氣樣采集，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—聯抽支管；7—單孔閥門；8—測流口；9—硅膠管；10—進氣口；11—FW-2型高負壓瓦斯采取器；12—活塞；13—出氣口；14—盛水容器；15—水；16—鹽水瓶；17—反口塞。

2.4 測試儀器

氣體體積分數采用Agilent 6890N氣相色譜儀進行測試，碳同位素值采用Isoprime 100型同位素比值質譜儀進行測試，測試儀器如圖3所示。

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

3 結果及分析

3.1 氣體體積分數及碳同位素值測試結果

根據試驗方案測試的31組瓦斯氣體組分中各氣體體積分數和碳同位素值見表3。

表3 氣體體積分數及碳同位素值測試結果

不同煤層瓦斯的CH4體積分數和碳同位素值對比見圖4～5。圖中箱體上、下界代表數據的75%和25%分位點，箱體中間的空心點表示數據的平均值，豎線的上、下界分別表示數據的最大值和最小值。

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

圖4 不同煤層瓦斯氣體的CH4體積分數對比

圖5 不同煤層瓦斯氣體的CH4碳同位素值對比

3.2 基于碳同位素原理的混源比例計算

根據煤層瓦斯中氣體體積分數和碳同位素值測定結果，采用均值法得到各個煤層和聯合抽采瓦斯的氣體體積分數和碳同位素均值，見表4。

表4 氣體體積分數和碳同位素均值

將表4中確定的氣體體積分數和碳同位素均值代入公式(4)中，運用MATLAB軟件對6上+6中+6下煤層聯合抽采和6上+6中煤層聯合抽采建立的非齊次線性方程組進行解算，混源比例計算結果見表5。

表5 基于碳同位素計算得到的混源比例

由表5可以看出，聯合抽采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，占據主導地位。

在聯合抽采6上+6中+6下煤層時，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%；與聯合抽采6上+6中煤層時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算結果對3個煤層中任意 2個聯合抽采煤層均適用。

3.3 分層計量考察結果及對比

分層計量考察組從2019年10月25日開始，連續觀測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種差值計算方法得到：方法1是將6上+6中+6下煤層聯合抽采量分別減去6中和6下煤層抽采量；方法2是將6上+6中煤層聯合抽采量減去6中煤層抽采量。不同差值計算方法得到的結果見表6。

表6 分層計量方法計算得到的混源比例

由表6可以看出，2種方法計算得到的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，不同差值計算結果基本一致，誤差在允許范圍以內。

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

瓦斯混源比例對比結果如圖6所示。

圖6 瓦斯混源比例對比

從圖6可以看出，聯合抽采6上+6中+6下煤層時，6中煤層瓦斯抽采量占據主導地位，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算和分層計量方法計算得到的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行煤層群聯合抽采瓦斯混源比例的計算是科學準確的。

4 結語

1)基于碳同位素化學組成質量守恒定律，建立了由3個煤層組成的煤層群聯合抽采瓦斯混源比例計算模型。

2)基于小屯煤礦各個煤層瓦斯中CH4體積分數和碳同位素值存在的差異特性，進行各個煤層混源比例的計算是可行的。

3)采用基于碳同位素計算和分層計量方法計算得到的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行煤層群聯合抽采瓦斯混源比例的計算是科學準確的，可為煤層群瓦斯聯合抽采達標評判提供新的研究思路。