黃陵二號煤礦上隅角瓦斯來源分析

廖清發

(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生混合，則碳同位素豐度同樣發生改變，混合是一種物理過程，根據質量守恒原則，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，靶向確定采空區混合瓦斯、油型氣涌出來源及占比，為瓦斯治理提供科學依據。

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機測試的方法對氣樣品進行同位素分析，該系統與GC-PAL液體自動進樣器聯機使用，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 樣品采集區地質特征

1) 采樣地點的地質條件和煤層賦存條件相對穩定。

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

3) 采樣地點與試驗區域不得出現長期地下水侵蝕。

4) 采樣地點與試驗區域不得出現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點和地點，按照統一的采樣標準，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。為了盡量避免現場環境差異及人工操作過程中出現的誤差，每次取樣均取2組，最終結果取平均值以減少數據誤差。混合氣樣共收集4組，氣樣采集地點、時間等信息見表2.

表2 采空區混合氣樣采集信息表

2.4 解吸氣及混合氣穩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 數據篩選

根據測試結果可知，207上隅角下部混合氣樣第2組碳同位素豐度值與底板3#煤層母本氣樣數值相互交叉，無差異性，分析考慮此組數據為無效數據。207上隅角下部第1組混合氣樣數據與207上隅角上部兩組數據接近，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據僅3組，該次方案的結果有待進一步豐富混合氣樣數據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”現象則根據現場實際情況補充5～10個3#煤層底板鉆孔并連管抽采。采用該方案可實現工作面瓦斯的分源、分重點、分區域治理。