廖清發(fā)

(煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南 232001)

瓦斯的形成伴隨著成煤作用的整個時期，因此，瓦斯的組分和含量受到原始成煤物質、成煤環(huán)境和成煤階段的影響較大[1]. 瓦斯中甲烷和二氧化碳的碳同位素特征具有地質成因意義[2]，根據(jù)甲烷δC13值，國際上一般將瓦斯分為生物成因氣和熱成因氣兩大類[3-4],并且不同來源的瓦斯氣有不同的碳同位素豐度，如果不同成因氣體發(fā)生混合，則碳同位素豐度同樣發(fā)生改變，混合是一種物理過程，根據(jù)質量守恒原則，混合前后碳同位素總量不變，因此，已知混合氣與被混合氣的碳同位素豐度，就可計算被混合氣在混合氣中的占比。以黃陵二號煤礦207工作面瓦斯為研究對象，采用符合礦井煤層賦存條件的穩(wěn)定碳同位素分析方法，通過采集該工作面2#、3#煤層氣樣品作為母本氣樣，進行穩(wěn)定碳同位素測試分析，以瓦斯來源的碳同位素標識物研究成果為依據(jù)，靶向確定采空區(qū)混合瓦斯、油型氣涌出來源及占比，為瓦斯治理提供科學依據(jù)。

1 工作面瓦斯、油型氣來源分析方案

采用Agilent-6890 GC與Delta Plus型同位素比值質譜儀聯(lián)機測試的方法對氣樣品進行同位素分析，該系統(tǒng)與GC-PAL液體自動進樣器聯(lián)機使用，可進行有機樣品的全自動氣相色譜分析及有機分子化合物的穩(wěn)定同位素測定。實驗流程首先收取煤層氣氣體2 μL，注入到Agilent-6890 GC進樣口中，經過極性分離之后將氣體在過氧環(huán)境中瞬間分解，然后將分解后的氣體通過CONFLOⅢ設備使被測樣品最終進入Delta Plus穩(wěn)定同位素氣體質譜儀進行分析，各類樣品的測定精度用實驗室工作標準控制，標準樣品重復分析誤差<0.2‰.

2 碳同位素值測試氣樣采集

采樣需避免外部環(huán)境對同位素測試值的影響，同時在采樣過程中，需避免二次生烴、構造抬升、地下水融侵蝕等因素的影響，最大限度避免外部地質不確定因素的影響。

2.1 樣品采集區(qū)地質特征

1) 采樣地點的地質條件和煤層賦存條件相對穩(wěn)定。

2) 采樣地點與試驗區(qū)域應屬同一塊段，區(qū)域內不得出現(xiàn)較大斷層對煤層的分割，避免成煤條件差異對穩(wěn)定碳同位素的影響。

3) 采樣地點與試驗區(qū)域不得出現(xiàn)長期地下水侵蝕。

4) 采樣地點與試驗區(qū)域不得出現(xiàn)火成巖傾入等影響煤體化學性質的地質異常體。

2.2 人工采樣工具

采集工具包括：吸氣球、伸縮桿、唧氣筒、扎絲、30 mL集氣瓶。

2.3 氣樣現(xiàn)場采集方案

該次采樣全部采取人工采樣，采樣方法選擇集氣瓶采樣法，該方法使用不受條件限制，攜帶方便且密封性能較好，廣泛用于各類井下氣體采集，尤其適用于采集二氧化碳、氧氣、甲烷、一氧化碳和氮氣等不溶于水的氣體試樣。

為了定量分析2#煤采掘過程中，本煤層和鄰近層瓦斯涌出量的貢獻比例，分別在207工作面2#煤鉆場、3#煤底板鉆場利用吸氣球、集氣瓶人工采集2#、3#煤層瓦斯氣樣品作為母本氣樣，進行穩(wěn)定碳同位素測試分析，確定瓦斯來源的碳同位素標識。母本氣樣共收集4組，氣樣采集具體地點、時間等信息見表1.

表1 分煤層母本氣樣采集信息表

由于混合源瓦斯的來源比例受采動和時間的影響，采樣需在不同時間節(jié)點和地點，按照統(tǒng)一的采樣標準，采集混合氣體樣品。該方案于不同的時間段：2017年8月早班、2017年9月中班；不同地點：207工作面上隅角上部、207工作面上隅角下部分別收集混合氣樣。為了盡量避免現(xiàn)場環(huán)境差異及人工操作過程中出現(xiàn)的誤差，每次取樣均取2組，最終結果取平均值以減少數(shù)據(jù)誤差?；旌蠚鈽庸彩占?組，氣樣采集地點、時間等信息見表2.

表2 采空區(qū)混合氣樣采集信息表

2.4 解吸氣及混合氣穩(wěn)定碳同位素標識值測定

對碳同位素的測試工作遵循GB/T 18340.2-2010《地質樣品有機地球化學分析方法》第2部分：有機質穩(wěn)定碳同位素測定：同位素質譜法——固體碳同位素測試標準；SY 5239-91《石油和沉積有機質的氫、碳同位素分析方法》：氣體氫同位素；SYT 5238-2008《有機物和碳酸鹽巖碳、氧同位素分析方法》：氣體碳同位素等標準和規(guī)范。

二號煤礦2#、3#煤層瓦斯氣樣品測試結果見表3.

表3 母本氣樣CH4豐度值測試及結果表

二號煤礦上隅角混合氣樣品測試結果見表4.

表4 上隅角混合氣樣CH4豐度值測試及結果表

3 結果分析

3.1 數(shù)據(jù)篩選

根據(jù)測試結果可知，207上隅角下部混合氣樣第2組碳同位素豐度值與底板3#煤層母本氣樣數(shù)值相互交叉，無差異性，分析考慮此組數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。207上隅角下部第1組混合氣樣數(shù)據(jù)與207上隅角上部兩組數(shù)據(jù)接近，均在-46.1‰～-46.3‰，最終選擇-46.2‰作為207上隅角混合氣碳同位素豐度值。由于混合氣樣有效數(shù)據(jù)僅3組，該次方案的結果有待進一步豐富混合氣樣數(shù)據(jù)以完善分析結果的可靠性。

3.2 甲烷碳同位素特征

207工作面2#煤層瓦斯中CH4碳同位素豐度值為-43.79‰～-44.20‰，平均值為-44.0‰.底板3#煤層瓦斯中CH4碳同位素豐度值為-52.62‰～-52.95‰，平均值為-52.8‰. 與全國煤層甲烷碳同位素豐度觀測值-24.97‰～-73.70‰[5]相比，其分布范圍較窄。國際上普遍認為煤層瓦斯成因分為生物成因和熱成因，一般認為δC13值小于-55‰為生物成因氣，大于-55‰為熱成因氣[6]. 以此為標準可知，2#煤層、底板3#煤層瓦斯氣體甲烷碳同位素值均屬于熱成因氣。

3.3 上隅角混合瓦斯來源及占比結果分析

通過穩(wěn)定碳同位素分析方法定量分析各煤層瓦斯碳同位素豐度，利用公式(1)計算混合來源的瓦斯于各煤層的貢獻比例，見表5.

V1/V混=(C13混-C132)/(δC131-δC132)

(1)

式中：

δC131—被混合氣體1的碳同位素豐度；

δC132—被混合氣體2的碳同位素豐度；

V混—混合氣體的體積；

V1—被混合氣體的體積。

表5 瓦斯中各成分貢獻表

由表5可知，工作面回采過程中瓦斯主要來源為：本煤層2#煤層解析瓦斯,占混合瓦斯總量的75%. 其次為受采動影響通過采動裂隙向工作面采空區(qū)釋放的底板3#煤層瓦斯，占混合瓦斯總量的25%.

4 結論及分析成果現(xiàn)場運用

207工作面2#煤層、底板3#煤層瓦斯氣體甲烷碳同位素值為-43.79‰～-52.95‰，屬于熱成因氣。工作面上隅角混合氣體2#煤層解析瓦斯占75%，底板3#煤層瓦斯占25%. 根據(jù)該占比結果，建議工作面瓦斯防治的重點應放在本煤層2#煤層的瓦斯抽放中，對2#煤層瓦斯進行采前預抽，鉆孔深度覆蓋整個工作面，預抽時間不少于6個月。對于鄰近3#煤層瓦斯，由于其對工作面上隅角混合瓦斯的貢獻比僅25%，可以對3#煤層瓦斯先進行前探，前探鉆孔若無異常可以不進行抽采，前探鉆孔有“噴孔”現(xiàn)象則根據(jù)現(xiàn)場實際情況補充5～10個3#煤層底板鉆孔并連管抽采。采用該方案可實現(xiàn)工作面瓦斯的分源、分重點、分區(qū)域治理。