基于碳同位素的朱集煤礦首采工作面層瓦斯來源定量分析方法

柴永興，周 偉

（1.淮南職業技術學院，安徽 淮南232001；2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南232001）

首采關鍵層工作面煤層的瓦斯涌出來源和涌出量分析是礦井生產初期通風設計、瓦斯抽采工程設計，乃至高效安全生產的重要依據[1]，對接替工作面的瓦斯治理等工作也有重要的參考作用。目前國內外通常采用的礦井瓦斯涌出量預測方法包括：礦山統計法、分源預測法、神經網絡預測法和灰色系統預測方法等[2-5]。其中，分源預測法是目前為系統、完善、具有廣泛適用性的瓦斯涌出量預測方法[6-7]，但是，分源預測法主要是基于經驗的層間距和排放率曲線參數累計計算得出，而非實際觀測的結果。大量實例驗證表明，應用分源預測法對礦井瓦斯涌出量預測誤差一般為 8.63% ～ 10.06%[8-9]。其他方法則計算較復雜，且影響因素較多[10]。穩定性碳同位素在研究自然界中碳循環、來源示蹤、運移軌跡監測等方面有其獨到的優勢，研究通過多次分煤層采取地面鉆孔中抽采氣體的樣品，測試母本氣體樣品的組分和碳同位素值，提出礦井開采過程中識別源的方法，分析某礦井下密閉墻、頂板巷等不同方式抽采的氣體中，11和13煤層中氣體的貢獻比率，并分析采礦因素、自然因素和地質條件等對來源比率的影響。

1 技術原理和工程背景

包括甲烷在內的物質的主要元素是碳，而碳元素較為穩定的是l2C和13C 2種穩定同位素，一般作為物質溯源和斷代的主要標識物，由于12C和13C在中子數量（質量）上的差異性，一般用其比值（豐度）表示其同位素的大小。植物在成煤和成氣過程中，其分餾作用導致各層煤（氣）均存在不平衡性和差異性，這種同位素值的不平衡性和差異性是是本項目研究區分工作面不同鄰近層瓦斯來源的理論基礎和基本技術原理。淮南礦區從“十一五”期間就開始采用該方法用于煤巖層對比，陸續在一些礦井應用該方法用于灰巖中瓦斯異常涌出的來源研究，取得了良好的效果。

研究對象為1111（1）工作面主采煤層為11-2煤層，走向長1 612 m，傾向長220 m，采用無煤柱沿空留巷“Y”型通風系統，煤層平均厚度1.26 m，沿頂采高1.8 m，是13-1煤層的首采保護層，工作面沿11-2煤頂板平均回采高度為1.8 m。11-2煤上距被保護層13-1平均70 m，下距11-1煤1.9～7.5 m，平均 4.4 m（11-1煤厚 0.55～1.11 m，平均 0.8 m）。

根據11-2煤層瓦斯地質圖，掘進區段11-2煤層CH4含量為4.73～5.15 m3/t。煤的堅固性系數f=0.63～0.84；煤層區域突出危險性綜合指標K=9.52～10.71；煤的瓦斯放散初速度指標△p=6～9 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

2 混合瓦斯來源分源計算模型

學者Jenden等人在1993年就提出了混合源天然氣碳同位素值的計算公式進行近似計算[11-13]，高先志等人基于實測數據的計算結果證明了“質量守恒原則，2種不同碳同位素濃度的甲烷混合，混合前后甲烷碳同位素總量不變”[13-14]。周偉等人首次引入了N端元線性混合計算方法，區分了五端元瓦斯來源占比，但該方法計算量較大，且有瓦斯來源數量的嚴格限制[15]。本次計算采用二元混合計算模型，試圖彌補N端元線性混合模型受制于樣本母本數量和母本同位素平均值的影響，在明確2個影響來源的情況下（淮南礦區B組煤距離C組煤影響距離大于70 m，影響可以忽略），達到快速區分111（5）1工作面瓦斯來源的目的。二元混合模型可表示為：

式中：δmix為二源混合氣體的碳同位素值；δA、δB均為氣體同位素值；a、b分別為該混合氣體中來自第1煤層的氣體和來自第2煤層氣體的占比，且a+b=1；XA為來自第1煤層的解吸氣體中CH4的含量；XB為來自第2煤層氣體中CH4的含量，XA、XB可通過氣相色譜儀測出；VA=aXA；VB=bXB。

實際樣品的采集過程分為3個步驟：首先需要將朱集礦C組的13-1、11-2煤層分別采樣，在實驗室提取其解吸氣作為母本解吸氣測試其穩定碳氫同位素和組分值；其次是采集待測混合氣樣，同樣是測試其穩定碳氫同位素和組分值，最后是將實測值構建上述模型求解，求得a、b，運算過程及結果略。穩定碳氫同位素的求解是以實測的母本樣品解吸氣和待測混合氣的碳氫同位素值為基礎的。

朱集礦1111（1）工作面及其鄰近層解吸瓦斯經過多次測試并取平均值，得出13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰。測試結果為單源瓦斯碳同位素值，為下文精確定量分析混合瓦斯來源提供依據。

3 1111（1）工作面混合瓦斯來源定量分析

研究按照采掘計劃的安排，共分為30次在1111（1）工作面43個不同深度、不同位置、不同掘進點以及地面鉆孔等地采集瓦斯樣品，共采集瓦斯樣品165個，樣品采集時間從2016年11月15日持續到2016年11月29日，尤其對1111（1）工作面地面鉆井、采空區、底抽巷回風共5個連續采樣地點的混合瓦斯來源進行了著重的討論，這5個連續采樣點包括：地面鉆井（1#地面鉆井、2#地面鉆井）、采空區（軌道巷充填墻1#埋管（4#聯巷外）、軌道巷充填墻2#埋管（5#聯巷外））、軌道巷底板巷回風。下面對這5個連續采樣點瓦斯來源進行詳細分析。

按照不同時間在1111（1）工作面1#地面鉆井總共采集了瓦斯樣品14個，經過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（1），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數據進行分析后，得出的2012年1111（1）工作面1#地面鉆井混合瓦斯來源分析結果見表1。

1#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢如圖1。由圖1可以看出，隨著采樣時間的變化，1111（1）工作面1#地面鉆井瓦斯來源中13-1煤層瓦斯占主要優勢，達到80%以上，并且隨著時間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低；但是在工作面回采完畢，形成采空區之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。

表1 1#地面鉆井瓦斯來源分析結果

圖1 1#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖

同樣，在1111（1）工作面2#地面鉆井采集瓦斯樣品17個，經過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數據進行計算分析后，混合瓦斯來源比例擬合成曲線，2#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖如圖2。

根據圖2可以看出，隨著采樣時間的變化，1111（1）工作面2#地面鉆井瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯占主要優勢，高達70%以上，并且隨著時間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低；同樣在工作面回采完畢，形成采空區之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。

圖2 2#地面鉆井瓦斯來源變化趨勢圖

為了考察采空區內的瓦斯來源變化，在1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管（4#聯巷外）和軌道巷充填墻2#埋管（5#聯巷外），各采集混合瓦斯樣品4個，經過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，數據計算分析后，得出混合瓦斯來源比例擬合成曲線（圖3和圖4）。

圖3 軌道巷充填墻1#埋管瓦斯來源變化趨勢圖

圖4 軌道巷充填墻2#埋管瓦斯來源變化趨勢圖

根據圖3可以看出，隨著采樣時間的變化，1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管（4#聯巷外）瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯占主要優勢，并且11煤層瓦斯含量也不低，達35%左右，并且隨著時間延長，混合瓦斯來源比例中13-1煤層瓦斯呈現出先增大后降低的趨勢，并且隨著開采的進行的瓦斯比例趨于平緩，13-1煤和11煤混合來源比例變化不大。軌道巷充填墻2#埋管（5#聯巷外）瓦斯來源中13-1煤層瓦斯占比更大（接近80%），隨著開采時間的延長，13-1煤層瓦斯所占比例逐漸降低，11煤層瓦斯比例逐漸增大，并且增大趨勢趨于平緩，最終趨于穩定。

為了考察11-2煤底抽巷回風的瓦斯來源占比，按不同時間在1111（1）工作面軌道巷底板巷回風采集了瓦斯樣品7個，經過測試混合瓦斯中碳同位素值后代入式（2），13-1煤層瓦斯碳同位素值為-47.00‰，11-2煤層瓦斯碳同位素值為-65.00‰，計算分析后，得出混合瓦斯來源比例擬合成曲線（圖5）。

圖5 軌道巷底板巷回風瓦斯來源變化趨勢圖

根據圖5可以看出，隨著采樣時間的變化，1111（1）工作面軌道巷底板巷回風瓦斯來源呈現的規律由于巷道布置的變化產生較大變化。隨著工作面開采，混合瓦斯中11煤層瓦斯占優勢，達到60%左右，同時13-1煤層瓦斯含量也不低，并隨著工作面回采結束，11煤層瓦斯比例增大，增大趨勢較大達70%左右，并變化趨于平緩，13-1煤層瓦斯隨著回采結束比例有所下降，并最終趨于平緩接近25%。

4 1111（1）工作面混合瓦斯來源影響因素分析

根據上述定量分析的結果可知，1111（1）工作面2個地面鉆井混合瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯的來源占主導地位，并且隨著時間延長和距工作面距離的增大，13-1煤層瓦斯所占比例還有所升高，11煤層瓦斯比例逐漸降低趨勢；但是在工作面回采完畢，形成采空區之后，混合瓦斯來源中11煤層比例增大，13-1煤層比例降低。分析地面鉆井混合瓦斯來源出現該情況的原因可能是：開采前期由于13-1煤層在11煤層上部，地面鉆井在抽采瓦斯氣體的過程中，瓦斯混合的時候13-1煤層更占優勢，導致13-1煤層瓦斯比例較大；1111（1）工作面回采結束后形成采空區，由于11煤層瓦斯充分解析，賦存于采空區中11煤層瓦斯含量較高，當被地面鉆井抽采時，表現出11煤層瓦斯比例增大的趨勢，但是由于解析條件的限制，11煤層瓦斯增大有限，并且13-1煤層瓦斯仍然占主導地位。

1111（1）工作面軌道巷充填墻1#埋管和1111（1）工作面軌道巷充填墻2#埋管瓦斯來源中，13-1煤層瓦斯來源占主導地位，且11煤層瓦斯含量也不低，達30%左右，并且隨著時間延長，混合瓦斯來源比例中13-1煤層表現出降低的趨勢，并且隨著開采的進行的瓦斯比例趨于平緩。分析混合瓦斯來源出現該情況的原因可能是由于瓦斯采集點距離13-1煤層工作面較近，并且隨著開采進行，11煤層瓦斯進行解析，導致后期11煤層瓦斯比例變大。

1111（1）工作面軌道巷底板巷回風瓦斯來源中，11煤層瓦斯占優勢，達到60%左右，同時13-1煤層瓦斯含量也不低，并隨著工作面回采結束，11煤層瓦斯比例增大，增大趨勢較大達70%左右，并變化趨于平緩，13-1煤層瓦斯隨著回采結束比例有所下降，并最終趨于平緩接近25%左右。分析混合瓦斯來源出現該情況的原因可能是該處采集點的瓦斯來源主要受回采工作面控制，并且隨著開采進行，工作面瓦斯充分解析，比例呈現升高趨勢，工作面回采完畢，工作面瓦斯大量匯集于采空區中，導致11煤層瓦斯比例更加升高。

5 結論

1）根據朱集礦C組煤首采工作面的地質特征，引入二元線性混合計算模型，根據實測的母本解吸氣穩定碳氫同位素和組分值，對工作面進行混合氣分源計算。

2）通過對1111（1）工作面不同采樣點的混合瓦斯碳同位素測試分析，對地面鉆井、采空區、底抽巷回風的混合瓦斯來源進行了定量分析，精確的得出了混合瓦斯源中各主采煤層所占百分比。

3）分析了1111（1）工作面混合瓦斯來源占比的主要影響因素，發現混合瓦斯來源主要受采樣點的地理環境、工作面回采層位、距離回采煤層位置以及采空區等因素的影響。