小屯煤礦近距離突出煤層群聯合抽采瓦斯溯源研究

董小明，張 帥，張 濤，劉 樂

(1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.貴州大方煤業有限公司，貴州 畢節 551700； 4.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著煤層開采深度增加、采掘強度加強，煤層瓦斯治理愈困難[1-3]，特別是煤層群瓦斯治理，通常采用穿層鉆孔聯合抽采多個煤層瓦斯的方法。該方法無法準確計量一個煤層實際瓦斯抽采量，難以預判各煤層殘余瓦斯含量，不能有效指導礦井瓦斯抽采?；诖耍瑢W者對煤層群瓦斯的溯源深入研究。首先，分析了煤層碳同位素賦存特征。戴金星等[4]提出煤層氣中重烴氣含量和δ13C值的分布特征是煤層氣統一分類的2個指標；孫四清等[5]對我國煤層甲烷碳同位素分布特征與瓦斯成因類型進行深入探討；孟召平等[6-7]研究發現，沁水盆地煤層甲烷碳同位素與煤層埋藏深度之間呈對數函數關系，煤層甲烷碳同位素與煤儲層含氣性有關，碳同位素在平面上存在“分帶現象”；李勇等[8]也發現鄂爾多斯盆地煤層氣碳同位素隨埋深而增加，保德、興縣地區呈現較好的線性關系，存在“垂向分帶”現象。進一步，研究了煤層碳同位素地質成因。張虎權等[9]研究了煤層氣碳同位素組成、煤巖及烴源巖的熱模擬產物及碳同位素組成；Li Ming等[10]以煤層氣藏地質因素、氣體同位素、生烴母質、流體活動、孔隙特征為研究目標，深入分析了煤層重烴濃度異常的原因；萬宗啟等[11-12〗研究了我國淮南、淮北煤田典型煤礦煤層瓦斯組分、碳同位素分布特征及其地質成因。最后，應用碳同位素法識別煤層瓦斯來源和計算瓦斯占比。胡寶林等[13]分析采空區瓦斯CH4穩定碳氫同位素、C2H2碳同位素及CO2的穩定碳位素與目標層位解吸瓦斯中同類穩定同位素差異，依據采空區涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分濃度，確立采空區瓦斯來源；韓云春等[14]通過微量元素法建立了一套用于寺河礦煤層的準確快速識別的測試及分析方法；高宏等[15]采集煤樣和瓦斯氣樣，分析氣體組分，測試碳氫同位素，確定氣樣中回采工作面多源瓦斯來源及比例；陳本良等[16-17]采用穩定碳同位素對各煤層回采工作面瓦斯涌出量來源及構成進行分析，并計算各煤層瓦斯來源占比；殷民勝等[18]建立了煤層氣與油型氣混源構成比例同位素的計算模型，確定煤層氣與油型氣混源瓦斯的構成比例；曹佳興等[19]總結了兩煤層采空區瓦斯來源體積結構和瓦斯來源動態演化規律，建立一種采空區瓦斯來源量化分析方法；張緒林等[20]利用SF6示蹤氣體對近距離煤層群工作面漏風量進行測試計算，為礦井安全生產提供了保障。

上述研究成果分析了甲烷碳同位素賦存特征、地質成因及碳同位素法應用于采空區瓦斯來源判別和占比計算，但該方法對煤層群聯合抽采瓦斯分源計算鮮有報道。

本文以小屯煤礦煤層群聯合抽采瓦斯為背景，以碳同位素法和分層計量法為手段，研究小屯煤礦6上、6中和6下煤層瓦斯氣體組分和碳同位素值賦存特性，識別瓦斯混合氣體中瓦斯來源，確定各煤層瓦斯抽采量的體積占比，以期為煤層群瓦斯聯合抽采達標評判提供理論依據。

1 穩定碳同位素法識別瓦斯來源機理

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。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的豐度為98.892%，13C的豐度為1.108%。

碳同位素值δ13C可由式(1)定義：

(1)

式中，(13C/12C)Sample為測試樣品的13C/12C豐度比；(13C/12C)Standard為標準樣品的13C/12C豐度比。

瓦斯氣體形成過程中，在地質成因的作用下，各煤層的含氣量存在一定差異性。同位素法是研究不同煤層瓦斯氣源的理論基礎和技術原理。通常情況下，瓦斯的δ13C在-20‰～-35‰，平均值為27‰。該技術能夠有效判別不同煤層瓦斯氣體來源[21]。

2 混合氣體測試比例計算原理

瓦斯氣體組分主要有CH4和CO2。以CH4碳同位素為例，根據混合源氣體碳同位素的化學組成質量守恒原則，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的CH4碳同位素值：

(2)

式中，δ13C(CH4)1、δ13C(CH4)2、δ13C(CH4)3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯的CH4碳同位素值；v(CH4)1、v(CH4)2、v(CH4)3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯的CH4體積。

瓦斯的CH4體積可以表示為：

(3)

式中，V1、V2、V3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯體積；w(CH4)1、w(CH4)2、w(CH4)3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯的CH4含量。

在不考慮氣體分子之間的化學反應的前提下，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a=V1/(V1+V2+V3)、b=V2/(V1+V2+V3)和c=V3/(V1+V2+V3)，代入式(1)和式(2)。

(4)

式中，δ13C(CO2)mix為混合瓦斯CO2碳同位素值；δ13C(CO2)1、δ13C(CO2)2、δ13C(CO2)3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯CO2碳同位素值；w(CO2)1、w(CO2)2、w(CO2)3分別為第1組、第2組、第3組瓦斯的CO2含量。

3 試驗區概況

貴州大方煤業有限公司小屯煤礦位于黔西北礦區，含煤地層為二疊系上統龍潭組(P3l)，含可采及局部可采煤層6層，自上而下分別為6上、6中、6下、7、33、34號煤層。礦井CH4和CO2絕對涌出量分別為94.85、5.94 m3/min，屬于突出礦井；6上、6中、6下及7號煤層具有突出危險性，均為突出煤層。6上、6下煤層分別距6中煤層平均2.60、4.43 m，是典型的近距離突出煤層群開采。礦井開拓開采主要集中在一采區，一采區6上煤層大部分區域不可采，故將6中煤層作為保護層首先開采，然后開采下部煤層。按照《防治煤與瓦斯突出細則》第二十九條規定，在6下煤層底板布置瓦斯抽放巷聯合預抽6上、6中、6下煤層瓦斯。

4 方案設計及裝置

4.1 方案設計

設計采用分層計量法和碳同位素法2種考察方案，分別選擇13運輸巷底抽巷、11運輸巷和14軌道巷施工鉆孔，采集研究煤層煤樣及瓦斯抽采氣樣、計量鉆孔流量。

(1)分層計量法。選擇在13運輸巷底抽巷，共設計4組分層計量考察鉆孔，每組鉆孔10個、間距20 m，巷道兩幫各5個，鉆孔間距5 m，孔徑94 mm。①第1組(1-1—1-5為A-1組，1-6—1-10為B-1組)穿過6下、6中、6上3個煤層，終孔至6上煤層頂板0.2 m，封孔至6下煤層底板，同時抽采6下+中+上煤層瓦斯；②第2組(2-1—2-5為A-2組，2-6—2-10為B-2組)穿過6下、6中、6上煤層，終孔至6上煤層頂板0.2 m，封孔至6中煤層底板，同時抽采6中+上煤層瓦斯；③第3組(3-1—3-5為A-3組，3-6—3-10為B-3組)穿過6下煤層和6中煤層，終孔至6中煤層頂板0.2 m，封孔至6中煤層底板，抽采6中煤層瓦斯；④第4組(4-1—4-5為A-4組，4-6—4-10為B-4組)穿過6下煤層，終孔至6下煤層頂板0.2 m，封孔至6下煤層底板，僅抽采6下煤層瓦斯。鉆孔封孔完成后采用PE管(φ50 mm)連抽，每組鉆孔單獨接入抽采支管(φ108 mm)并安裝自動測流計量裝置。

(2)碳同位素法。為了采集6上、6中、6下、6上+中及6上+中+下氣樣，共設計30個鉆孔采集氣樣。采氣樣鉆孔編號見表1。

表1 碳同位素采氣鉆孔Tab.1 Carbon isotope gas production

4.2 測試裝置系統

(1)采煤/氣樣裝置。氣體采樣裝置采用FW-2型高負壓瓦斯采取器，是采集抽放瓦斯管路內瓦斯氣樣的專用工具，主要用于管路系統負壓狀態下的瓦斯采樣。測定氣體組分和碳同位素的瓦斯氣體采樣選用鋁箔采樣袋。

(2)實驗室測試平臺及儀器。煤層瓦斯氣體一般組分CH4、重烴氣C2+以及CO2，測試儀器為Agilent6890N氣相色譜儀。煤層瓦斯氣體穩定同位素主要測試CH4、重烴氣C2+以及CO2的碳同位素值，測試儀器為Isoprime 100型同位素比值質譜儀。

5 結果與分析

5.1 氣體組分及碳同位素特征

對30個鉆孔氣樣進行測試，孔號為2-3、2-5、1-6及1-補8樣品的CO2碳同位素值測試數據異常，其結果見表2。

表2 氣體組分和碳同位素測試結果Tab.2 Gas composition and carbon isotope test results

(1)氣體組分特征。依據氣樣測試結果，分別對6上、6中及6下煤層瓦斯氣體組分進行分析，如圖1所示。圖1中，箱體上、下界代表數據的75%和25%分位點，空心點表示數據的平均值，豎線的上、下界代表數據的最大、最小值。

圖1 瓦斯氣體組分對比Fig.1 Comparison of gas components

6上煤層CH4氣體組分21.1%～59.5%，平均33.4%，CH4氣體組分在20%～40%；6中煤層CH4氣體組分為13.3%～86.9%，平均52%，CH4氣體組分在30%～80%；6下煤層CH4氣體組分為56.4%～91.8%，平均值為80.2%，CH4氣體組分在60%～90%。3個煤層氣體組分由大到小依次為6下、6中、6上。6上煤層CO2氣體組分為0.04%～0.28%，平均0.16%；6中煤層CO2氣體組分為0.15%～0.34%，平均0.26%；6下煤層CO2氣體組分為0.17%～0.28%，平均0.23%。

綜合上述分析，3個煤層的CH4氣體成分占比大、組分平均值差異性大；CO2氣體組分在0.1%～0.4%，成分占比較小，各個煤層CO2氣體組分平均值差異不大。

(2)碳同位素特征。瓦斯氣體中CH4和CO2碳同位素值如圖2所示。6上、6中及6下煤層CH4碳同位素值在-36‰～-32‰，均值分別為-35.4‰、-34.5‰、-33.8‰，均值差異性較大，呈現出煤層由上往下增加的趨勢。瓦斯氣體中CO2碳同位素值在-9‰～-2‰，其中6上煤層由于含量太低，CO2碳同位素測值可能不準導致數值偏低，而6中和6下煤層CO2碳同位素平均值相差不大。

5.2 碳同位素法

依據采集的煤層氣體組分及碳同位素測定結果，去除異常數據孔(2-3、2-5、1-6、1-補8)，對各個煤層及聯合抽采的瓦斯氣體組分及碳同位素求均值，見表3。將表3中數據代入式(3)中，對6上+中+下和6上+中煤層聯合抽采建立的非齊次線性方程組進行解算，計算6上+中+下和6上+中煤層聯合抽采混合氣體比例。

圖2 所有瓦斯氣樣碳同位素對比Fig.2 Carbon isotope comparison of all gas samples

表3 各煤層瓦斯氣體組分及碳同位素均值Tab.3 Average value of gas components and carbon isotopes in each coal seam

3次6上+中+下聯合抽采煤層氣源比例如圖3所示。由圖3(a)可知，6上、6中及6下煤層聯合抽采混合氣體中6上煤層占10.8%～17.5%，6中煤層占57.8%～64.6%，6下煤層占17.9%～31.37%。結果表明：6下煤層占比略高于6上，兩者之和約占混合氣源的1/3；6中煤層占比最大，約占混合氣源的2/3，居3個煤層瓦斯聯合抽采的主導地位。由圖3(b)可知，6上煤層在6上和6中煤層混合比例中占15.8%～26.1%，6中煤層占73.9%～84.2%，6中煤層占主導地位，與3個煤層氣源比例計算結果保持一致。試驗中對6上+中煤層聯合抽采并計算氣源比例，6上煤層和6中煤層在6上+中混合氣體占比分別是25.95%、74.05%，與3個煤層聯合抽采6上+中混合氣源比例基本一致，說明基于碳同位素的混合比例計算方法對3個煤層中任意2個煤層聯合抽采均適用。

圖3 聯合抽采氣源比例Fig.3 Proportion of combined gas source

5.3 分層計量法

6上、6中和6下煤層平均瓦斯抽采純量和煤層聯合抽采瓦斯的氣源比例如圖4所示。

圖4 各煤層瓦斯抽采純量及氣源比例Fig.4 Gas extraction scalar amount and gas source ratio of each coal seam

分層計量法計算結果表明，聯合抽采6上+中+下煤層時，6上煤層占12.98%～19.55%，6中煤層占55.28%～60.55%，6下煤層占25.17～26.47%；6中煤層的混合比例最大，超過瓦斯抽采純量一半，占據主導地位。

連續觀測分層計量組100 d抽采支管瓦斯抽采純量，每一組鉆孔瓦斯抽采純量如圖5所示。由圖5可知，A-1組、B-1組鉆孔瓦斯抽采純量分別為121.2、119.4 m3/d；A-2組、B-2組鉆孔瓦斯抽采純量分別為92.5、90.5 m3/d；A-3組、B-3組鉆孔瓦斯抽采純量分別為67.0、72.3 m3/d；A-4組、B-4組鉆孔瓦斯抽采純量分別為30.5、31.6 m3/d。

采用2種差值法計算6上煤層瓦斯抽采純量。①差值法一：6上+中+下聯合抽采量分別減去6中和6下抽采量；②差值法二：6上+中聯合抽采量減去6中抽采量。計算得Q6上-A分別為23.7、25.5 m3/d；Q6上-B分別為15.5、18.2 m3/d，在誤差允許范圍內結果一致。

圖5 分層計量考察組鉆孔瓦斯抽采純量Fig.5 Gas drainage net quantity of borehole in stratified measurement investigation group

6 結論

(1)建立由3個煤層組成的煤層群聯合抽采瓦斯混源比例計算模型，為該方法的現場應用提供了理論基礎。

(2)小屯煤礦各個煤層瓦斯組分含量和碳同位素值存在差異性；碳同位素法確定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%；分層計量法確定6上煤層占12.98%～19.55%，6中煤層占55.28%～60.55%，6下煤層占25.17%～26.47%；6中煤層的混合比例最大，占據主導地位。

(3)采用碳同位素法和分層計量法計算結果基本一致，說明基于同位素進行煤層群聯合抽采瓦斯混源比例的計算方法是科學和準確的，為煤層群瓦斯聯合抽采達標評判提供新的研究思路。

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