同位素瓦斯特征分析及抽采分源計量技術研究與應用

王遠

（淮北礦業集團 袁店一井煤礦，安徽 淮北235000）

分源預測法是多煤層回采工作面瓦斯來源和運移規律研究常用的一種科學方法，本文研究的基于同位素瓦斯特征分析及分源計量技術目前仍處于探索階段[1-2]。通過對袁店一井煤礦煤層、采空區瓦斯及抽采系統瓦斯中碳同位素分析，研究不同煤層及氣體中碳同位素的分布規律，為不同煤層和瓦斯涌出規律提供依據，指導工作面瓦斯治理。

1 樣品采取

對袁店一井煤礦5 個主采煤層及相關工作面氣樣均進行采集。煤層樣品布置具有均勻性、代表性和可對比性，共采集煤層樣品13 個；氣體樣品采集按照距采掘工作面距離、不同采樣時間段以及不同地點的原則進行，采用井下抽采法。

2 樣品碳同位素測試

2.1 煤層碳同位素測試方法。煤樣品的有機碳同位素分析采用高溫灼燒氧化法。取一定量研磨過的樣品在室溫下將其與過量HCl（2 mol/L）反應24h，以除去無機碳酸鹽和可溶解有機碳。再用蒸餾水洗至中性，并在40℃下烘干。取約0.3g 處理好的煤樣裝入石英管內，加入氧化銅、銅絲和鉑絲，抽好真空后密封，在850℃條件下恒溫灼燒4 小時。在真空系統中用酒精- 液氮冷阱分離純化CO2氣體，最后用MAT-252 型同位素質譜儀測定CO2的δ13C 值。測試結果數據經轉化后，有機碳同（轉下頁）位素值表示為

δ13C（‰）=[（Rsa/Rst-1）]×103

其中sa 為待測樣品，st 為碳同位素標準VPDB。

樣品測試精度用實驗室工作標準控制，標準樣品的重復分析誤差在0.2‰之內。

2.2 氣體碳同位素測試方法

首先采集瓦斯氣體2μL，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，測試C12O244和C13O245質量峰，獲得碳同位素比值。計算公式為（R=C13O245/C12O244），所測試的瓦斯碳同位素在中國科學院地球環境研究所進行，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‰。

2.3 測試結果及分析。煤樣品及氣體樣品碳同位素測試結果如表1 所示。

表1 袁店一井煤層樣品的碳同位素值

從表3 中可以看出，袁店一礦各煤層碳同位素變化范圍-25.91‰-22.01‰，每個煤層δ13C 變化不大。反映出各煤層沉積植物類型基本一致，δ13C 值具有穩定分布的特征。

2.4 煤層及解析氣體同位素分布特征相關性分析。不同成因類型（生物成因和熱成因）的瓦斯具有不同同位素地球化學特征。甲烷碳同位素值的特征是判識瓦斯成因類型和演化程度的最有效方法之一。

表2 為不同煤層對應的解析氣體同位素值。

表2 煤層及解析瓦斯碳同位素值對比

為查明本次研究煤層與解析氣體碳同位素之間的相關性，建立兩者實驗數據的一元線性回歸模型，煤中δ13C 值與其解析瓦斯中δ13C1值之間保持線性關系，線性關系公式是y=1.84x-10.47（R=0.92）。

結果表明，煤層煤中碳同位素豐度值對其解析氣體中碳同位素具有明顯的同源貢獻作用。

3 同位素分源計量技術

3.1 多源析識別定量模型的建立。混合瓦斯中不同標識物的同位素值與各個端元的混合比例密切相關，在以往的多數文獻中，對混合源天然氣碳同位素計算一般采用近似算法，但是并沒給出具體的推導過程。本文從碳同位素的定義出發，以體積比重新推導混合氣體中碳同位素值的計算公式。

根據碳同位素定義：

根據定義，假設第一組CH4的δ13C 為δA，體積為V1；第二組CH4的δ13C 為δB，體積為V2。把兩組氣體混合，混合后的碳同位素值記為δmix。根據上述碳同位素定義，

對于天然氣碳同位素，一般有|δ|《1000，即δA+1000≈SB+1000

上述推導過程以CH4碳同位素值為例，換成任何一種同位素類型均有上述的公式成立。一般的，混合瓦斯同位素用上式計算，其誤差不會超過測定允許的誤差（0.5‰）。

3.2 抽采系統瓦斯分布特征分析。根據氣源識別的判別模型，可以得出每個瓦斯樣品分煤層來源及其比例，分析表明，礦不同開采點的瓦斯來源具有一定的規律。在地面井抽采中，7 煤層、8 煤層、本煤層及其他煤巖層貢獻率分別為30%、50%、10%、10%左右；老塘埋管、高位鉆孔、穿層鉆孔等抽采，90%以上來源于本煤層；中組煤8 煤回采期間，攔截抽采7 煤層、本煤層及其他煤巖層貢獻率分別為20%、73%、7%左右。

4 結論

（1）袁店一井煤礦瓦斯屬生物成因氣和熱成因氣的混合態，二氧化碳屬生物成因氣。（2）推導混合氣體中碳同位素值的計算公式，并建立以圖解法為主的針對三元瓦斯氣體混合的同位素判別模式。（3）根據判別模型分析袁店一井煤礦瓦斯抽采系統中各煤層瓦斯抽采比例，實現分源準確計量，為工作面瓦斯治理提供重要依據。（4）保護層回采工作面地面井作為卸壓瓦斯治理手段具有不可替代作用。