近距離突出煤層群聯合抽采瓦斯溯源技術研究

韓承強

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

我國近距離突出煤層群賦存的礦區分布廣泛，特別是西南云、貴、川地區這種情況尤為多見[1-2]。針對這種情況我國大多數礦井采用在頂、底板巖石巷道中布置穿層鉆孔聯合抽采多個煤層瓦斯的方法進行瓦斯治理，該方法能提升抽采鉆孔利用率、降低瓦斯治理成本。但采用該方法抽采的是多個煤層的瓦斯混合氣體，依靠煤礦常用的瓦斯抽采量計量技術及儀器，無法準確分層計量其中單一煤層的實際瓦斯抽采量[3-5]。也就無法根據各煤層瓦斯抽采量準確計算各煤層的殘余瓦斯含量并對各煤層抽采效果進行準確的評判，從而對礦井安全生產造成隱患。

多數礦井在進行殘余瓦斯含量計算時主要根據煤層厚度或原始瓦斯含量進行混源瓦斯比例確定，采用這種方法所確定的混元瓦斯比例準確度較差，科學依據不足，因此開展煤層群聯合抽采瓦斯溯源技術研究，準確確定混源瓦斯比例，精確計量單一煤層瓦斯抽采量，仍然是礦井瓦斯治理中一項重要的課題。

碳氫同位素法在煤礦回采工作面采空區內煤層瓦斯來源研究方面得到了廣泛應用，劉會虎等[6]通過對比分析采空區瓦斯甲烷穩定碳氫同位素、乙烷碳同位素及二氧化碳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，結合采空區涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分體積分數，進行同位素分源數值計算，確立采空區瓦斯來源；周偉等[7]以沁水盆地寺河礦為研究區，通過分層采集煤體解吸瓦斯，測試了3#煤層及其7 層鄰近煤層解吸瓦斯中CH4、C2H6、CO2的穩定碳同位素、CH4氫同位素及瓦斯組成成分，分析了本煤層、鄰近煤層解吸瓦斯組分及穩定碳氫同位素分布特征，建立了基于穩定碳氫同位素和組分特征值的采空區瓦斯分源計算模型，實現沿走向采空區內各煤層瓦斯來源的量化分源計算，并完成了與傳統分源預測計算結果的對比分析；高宏等[8]通過對現場取的煤樣和瓦斯氣樣進行實驗室氣體組分分析和碳氫同位素測試，分析單一煤層瓦斯氣體和多個煤層混合瓦斯氣體對應的δ13C（CH4），δD（CH4）和δ13C（CO2）等碳、氫同位素組成差異，運用數學方法，確定所取氣樣中回采工作面多源瓦斯來源及比例。

基于此，采用碳同位素法，通過獲得煤礦井下不同煤層瓦斯氣體組分和碳同位素值賦存特性，溯源識別多個煤層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，并采用分層計量方法現場驗證，為煤層群瓦斯聯合抽采效果評判提供理論依據。

1 碳同位素法及計算原理

1.1 碳同位素定義

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[9-10]。

碳元素擁有12C與13C 2 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 可由下式定義。

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。

1.2 混源瓦斯氣體比例計算模型

包含碳元素的瓦斯氣體組分主要有CH4和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CH4碳同位素值δ13C（CH4）mix：

式中：δ13C（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；δ13C（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；δ13C（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；v（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4體積；v（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4體積；v（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4體積。

瓦斯的CH4體積可以表示為：

式中：V1為第1 組煤層瓦斯體積；V2為第2 組煤層瓦斯體積；V3為第3 組煤層瓦斯體積；w（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4組分含量；w（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4組分含量；w（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4組分含量。

在不考慮氣體分子之間的化學反應的前提下，3組瓦斯氣體混合后的總體積為V1+V2+V3，因此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（2）～式（3）。

同理，可以聯合混合瓦斯的CO2碳同位素，建立混源瓦斯氣體比例計算模型：

式中：δ13C（CO2）mix為混合瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）1為第1 組瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）2為第2 組瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）3為第3 組瓦斯CO2碳同位素值；w（CO2）1為第1 組瓦斯CO2組分含量；w（CO2）2為第2 組瓦斯CO2組分含量；w（CO2）3為第3 組瓦斯CO2組分含量。

在現場試驗過程中，通過測試3 組瓦斯和混合瓦斯的CH4和CO2組分含量和碳同位素值，可以分別解算得到3 組瓦斯氣體在混合體積中所占比例。

2 礦井煤層賦存及瓦斯治理概況

貴州大方煤業有限公司小屯煤礦（簡稱“小屯煤礦”）為生產礦井，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，自上而下編號為：6上煤層、6中煤層、6下煤層、7號煤層、33 號煤層、34 號煤層。6上煤層、6中煤層、6下煤層及7 號煤層均為突出煤層，其最大瓦斯壓力分別為1.00、0.96、0.75、0.95 MPa。6上、6下煤層平均分別距6中煤層2.60 m 和4.43 m，是典型的近距離突出煤層群。

小屯煤礦采用預抽煤層瓦斯的區域防突措施，即在6下煤層底板布置的瓦斯抽放巷內施工穿層鉆孔對6上、6中、6下煤層采、掘工作面瓦斯進行聯合預抽。

3 方案設計

現場采用分層計量和碳同位素考察2 種方案對比分析，選擇具有代表性的地點施工鉆孔，統計抽采鉆孔流量，并采集單一煤層及多煤層混合瓦斯氣樣。

3.1 分層計量現場考察方案

選擇16中13 運順底抽巷（里程K0+500 m～K0+680 m 范圍）作為試驗區域，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。鉆孔布置具體如下：

1）第1 組：鉆孔編號1-1 至1-5 為1（A）組，1-6 至1-10 為1（B）組，鉆孔里程位置為K0+620～K0+680 m，依次穿過6下、6中、6上煤層，封孔至6下煤層底板，同時抽采6下+6中+6上煤層瓦斯。

2）第2 組：鉆孔編號2-1 至2-5 為2（A）組，2-6 至2-10 為2（B）組，鉆孔里程位置為K0+580～K0+640 m，依次穿過6下、6中、6上煤層，封孔至6中煤層底板，同時抽采6中+6上煤層瓦斯。

3）第3 組：鉆孔編號3-1 至3-5 為3（A）組，3-6 至3-10 為3（B）組，鉆孔里程位置為K0+540～K0+600 m，依次穿過6下、6中煤層，封孔至6中煤層底板，僅抽采6中煤層瓦斯。

4）第4 組：鉆孔編號4-1 至4-5 為4（A）組，4-6 至4-10 為4（B）組，鉆孔里程位置為K0+500～K0+560 m，僅抽采6下煤層瓦斯。

鉆孔封孔完成后采用PE 管（50 mm）連抽，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，分層計量考察鉆孔布置如圖1。

圖1 分層計量考察鉆孔布置圖Fig.1 Layout of drilling hole for stratified measurement survey

3.2 碳同位素考察方案

在施工的分層計量鉆孔和后續補充的取樣鉆孔中分別采集6上、6中、6下、6上+6中、6上+6中+6下單一煤層和多煤層混合瓦斯氣樣，氣樣采集鉆孔布置圖如圖2。

圖2 氣樣采集鉆孔布置圖Fig.2 Layout plan of gas sampling boreholes

1）6中煤層氣樣取樣點。3-1、3-2、3-3、3-6、3-8號鉆孔；16中11 運輸巷里程K0+544 m 處、K0+695 m 處、K0+845 m 處；16中14 軌道巷里程K0+275 m處、K0+390 m 處，樣品編號為6中-1 至6中-10。

2）6下煤層氣樣取樣點。4-6、4-7、4-8、4-9、4-10 號鉆孔。樣品編號為6下-1 至6下-5。

3）6上煤層氣樣取樣點。16中14 軌道巷里程K0+275 m、K0+328 m、K0+390 m、K0+625 m、K0+630 m、K0+655 m 處，樣品編號為6上-1 至6上-6。

4）6下+6中+6上煤層混合氣樣取樣點。1-1、1-2、1-3、1-6、1-8 號鉆孔，樣品編號為6下+6中+6上-1至6下+6中+6上-5。

5）6中+6上煤層混合氣樣取樣點。2-2、2-3、2-5、2-7、2-10 號鉆孔，樣品編號6中+6上-1 至6中+6上-5。

4 結果分析

4.1 分層計量考察結果

分層計量考察鉆孔從2019 年10 月25 日開始計量，連續觀測130 d 抽采支管瓦斯抽采純量，分層計量考察組鉆孔瓦斯抽采純量如圖3。

從圖3 可以看出：

圖3 分層計量考察組鉆孔瓦斯抽采純量Fig.3 Gas drainage net quantity of boreholes in layered measurement investigation group

1）1（A）組鉆孔瓦斯抽采純量94.1～153.8 m3/d，平均121.2 m3/d；1（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為97.6～136.6 m3/d，平均119.4 m3/d。

2）2（A）組鉆孔瓦斯抽采純量73.7～119.0 m3/d，平均92.5 m3/d；2（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為73.4～107.3 m3/d，平均90.5 m3/d。

3）3（A）組鉆孔瓦斯抽采純量49.7～87.5 m3/d，平均67.0 m3/d；3（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為53.5～87.4 m3/d，平均72.3 m3/d。

4）4（A）組鉆孔瓦斯抽采純量18.0～38.5 m3/d，平均30.5 m3/d；4（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為22.3～43.5 m3/d，平均31.6 m3/d。

6上煤層平均瓦斯抽采純量用2 種插值方法得到：①將6上+6中+6下聯合抽采量分別減去6中和6下抽采量；②將6上+6中聯合抽采量減去6中抽采量。

分層計量組的煤層群混源比例計算結果見表1。

由表1 可知：不同插值計算方法得到的6上煤層平均瓦斯抽采純量，A 組鉆孔分別為23.7 m3/d 和25.5 m3/d，B 組鉆孔分別為15.5 m3/d 和18.2 m3/d，說明在誤差允許范圍內不同差值計算方法結果基本一致。聯合抽采6上+6中+6下煤層時，6上、6中和6下混合比例中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%。其中6中煤層的混合比例最大，同樣占據主導地位。

表1 分層計量組的煤層群混源比例計算結果Table 1 Calculation results of mixed source ratio of coal seam group in layered measurement group

4.2 碳同位素考察結果

根據現場條件共采集31 組氣樣，對其進行組分含量和碳同位素值測試，氣體組分和碳同位素測試結果見表2。

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

根據煤層氣體組分含量及其碳同位素值測定結果，對測試數據進行典型性分析，去除明顯異常的數據，采用均值法得到各個煤層和聯合抽采瓦斯氣體組分均值含量及其碳同位素均值，各個煤層瓦斯氣體組分及碳同位素均值見表3。

表3 各個煤層瓦斯氣體組分及碳同位素均值Table 3 Average value of gas composition and carbon isotope of each coal seam

將表3 中確定的瓦斯組分和碳同位素均值代入式（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，碳同位素考察的混源比例計算結果見表4。

表4 碳同位素考察的混源比例計算結果Table 4 Calculation results of mixed source ratio for carbon isotope investigation

由表4 可知，聯合抽采6上+6中+6下煤層時，6上、6中和6下混合比例中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中煤層的混合比例最大，占據主導地位。聯合抽采6上+6中+6下煤層時，6上和6中煤層混合比例中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上煤層混合比例（25.95%）和6中煤層混合比例（74.05%）基本一致，說明基于碳同位素的混合比例計算結果對3 個煤層中任意2 個聯合抽采煤層均適用。

4.3 2 種方法結果對比

1）聯合抽采6上+6中+6下煤層時，碳同位素法和分層計量方法計算的6上、6中和6下煤層混合比例基本一致，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。

2）受煤層厚度、原始瓦斯含量、巖層含氣、層間距等多重因素的影響，近距離煤層群抽采混源瓦斯比例仍無法精確確定，煤礦現場抽采達標評判殘余瓦斯含量計算中以分層計量方法和碳同位素法計算結果均值為準，經計算，小屯煤礦6上、6中、6下煤層聯合抽采的混源瓦斯氣體中，6上煤層占16.97%，6中煤層占60.81%，6下煤層占22.22%。

5 現場應用

以16中14 工作面里段（0～300 m）為例，6中煤層平均厚度約1.8 m；6上煤層底板距6中煤層頂板法線平均距離約2.2 m，煤層平均厚度0.81 m；6下煤層頂板距6中煤層底板法線平均距離約4.7 m，煤層平均厚度0.96 m。6上、6中、6下煤層原始瓦斯含量最大分別為9.23、12.47、9.56 m3/t，在16中14 運輸底抽巷施工穿層預抽鉆孔預抽時間近3 個月時間，抽出瓦斯量為1 260 843 m3。利用碳同位素法和分層計量法確定的混源瓦斯氣體比例均值計算的6上、6中、6下煤層殘余瓦斯含量分別為5.66、5.81、5.39 m3/t，現場實測6上、6中、6下煤層最大殘余瓦斯含量分別為5.47、5.84、5.62 m3/t。計算殘余瓦斯含量與實測瓦斯含量相比較，其偏差比例分別為3.5%、0.5%、4.1%，最大偏差不超過實測瓦斯含量的5%。

6 結 語

1）利用碳同位素法和分層計量方法計算的小屯煤礦6上+6中+6下煤層群聯合抽采混源瓦斯比例基本一致，說明利用碳同位素法進行煤層群聯合抽采混源瓦斯比例的計算是可行的。

2）近距離煤層群瓦斯立體抽采混源比例受煤層厚度、原始瓦斯含量、巖層含氣、層間距等多重因素的影響，混源瓦斯抽采比例仍無法精確確定，利用分層計量方法和碳同位素法計算所得的混源瓦斯比例為1 個區間數值，因此，煤礦現場在抽采達標評判殘余瓦斯含量計算中以2 種方法計算結果的均值為準，經計算，小屯煤礦6上、6中、6下煤層聯合抽采的混源瓦斯氣體中，6上煤層占16.97%，6中煤層占60.81%，6下煤層占22.22%。6中煤層瓦斯抽采量占據主導地位。

3）經小屯煤礦16中14 工作面現場實測驗證，利用碳同位素法和分層計量方法計算結果均值確定的混元瓦斯比例得到的單一煤層瓦斯抽采量計算的殘余瓦斯含量與實測殘余瓦斯含量偏差在5%以內。