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(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 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(lián)合抽采多個煤層瓦斯的方法。該方法無法準(zhǔn)確計量一個煤層實際瓦斯抽采量，難以預(yù)判各煤層殘余瓦斯含量，不能有效指導(dǎo)礦井瓦斯抽采?；诖?，學(xué)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?zé)N氣含量和δ13C值的分布特征是煤層氣統(tǒng)一分類的2個指標(biāo)；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(fā)現(xiàn)，沁水盆地煤層甲烷碳同位素與煤層埋藏深度之間呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，煤層甲烷碳同位素與煤儲層含氣性有關(guān)，碳同位素在平面上存在“分帶現(xiàn)象”；李勇等[8]也發(fā)現(xiàn)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(qū)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，存在“垂向分帶”現(xiàn)象。進一步，研究了煤層碳同位素地質(zhì)成因。張虎權(quán)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(chǎn)物及碳同位素組成；Li Ming等[10]以煤層氣藏地質(zhì)因素、氣體同位素、生烴母質(zhì)、流體活動、孔隙特征為研究目標(biāo)，深入分析了煤層重?zé)N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(zhì)成因。最后，應(yīng)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(qū)瓦斯CH4穩(wěn)定碳氫同位素、C2H2碳同位素及CO2的穩(wěn)定碳位素與目標(biāo)層位解吸瓦斯中同類穩(wěn)定同位素差異，依據(jù)采空區(qū)涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分濃度，確立采空區(qū)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(zhǔn)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(wěn)定碳同位素對各煤層回采工作面瓦斯涌出量來源及構(gòu)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(gòu)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(gòu)成比例；曹佳興等[19]總結(jié)了兩煤層采空區(qū)瓦斯來源體積結(jié)構(gòu)和瓦斯來源動態(tài)演化規(guī)律，建立一種采空區(qū)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(fēng)量進行測試計算，為礦井安全生產(chǎn)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(zhì)成因及碳同位素法應(yīng)用于采空區(qū)瓦斯來源判別和占比計算，但該方法對煤層群聯(lián)合抽采瓦斯分源計算鮮有報道。

本文以小屯煤礦煤層群聯(lián)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(lián)合抽采達標(biāo)評判提供理論依據(jù)。

1 穩(wěn)定碳同位素法識別瓦斯來源機理

穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要研究自然界中穩(wěn)定同位素的豐度及其變化規(guī)律。碳元素擁有12C與13C兩個穩(wěn)定同位素，國際認(rèn)可的PDB標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣品的13C/12C豐度比。

瓦斯氣體形成過程中，在地質(zhì)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(chǔ)和技術(shù)原理。通常情況下，瓦斯的δ13C在-20‰～-35‰，平均值為27‰。該技術(shù)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(jù)混合源氣體碳同位素的化學(xué)組成質(zhì)量守恒原則，假設(shè)3個煤層瓦斯混合時，可以從碳同位素值的定義推導(dǎo)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(xué)反應(yīng)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(qū)概況

貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦位于黔西北礦區(qū)，含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(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(qū)，一采區(qū)6上煤層大部分區(qū)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(guī)定，在6下煤層底板布置瓦斯抽放巷聯(lián)合預(yù)抽6上、6中、6下煤層瓦斯。

4 方案設(shè)計及裝置

4.1 方案設(shè)計

設(shè)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(shè)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(shè)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(tǒng)

(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(nèi)瓦斯氣樣的專用工具，主要用于管路系統(tǒng)負壓狀態(tài)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?zé)N氣C2+以及CO2，測試儀器為Agilent6890N氣相色譜儀。煤層瓦斯氣體穩(wěn)定同位素主要測試CH4、重?zé)N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(zhì)譜儀。

5 結(jié)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(shù)據(jù)異常，其結(jié)果見表2。

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

(1)氣體組分特征。依據(jù)氣樣測試結(jié)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(shù)據(jù)的75%和25%分位點，空心點表示數(shù)據(jù)的平均值，豎線的上、下界代表數(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhǔn)導(dǎo)致數(shù)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(jù)采集的煤層氣體組分及碳同位素測定結(jié)果，去除異常數(shù)據(jù)孔(2-3、2-5、1-6、1-補8)，對各個煤層及聯(lián)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(shù)據(jù)代入式(3)中，對6上+中+下和6上+中煤層聯(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(jié)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(lián)合抽采的主導(dǎo)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(dǎo)地位，與3個煤層氣源比例計算結(jié)果保持一致。試驗中對6上+中煤層聯(lián)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(lián)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(lián)合抽采均適用。

圖3 聯(lián)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(lián)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(jié)果表明，聯(lián)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(jù)主導(dǎo)地位。

連續(xù)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(lián)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(lián)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(nèi)結(jié)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(jié)論

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

(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(jù)主導(dǎo)地位。

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

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