瓦斯源識別與示蹤技術在新景公司的應用研究

白 杰

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

陽煤礦區地質條件復雜，煤層瓦斯含量高，給煤層開采帶來潛在危害[1]。在開采過程中，瓦斯一旦釋放（或突出），很難定量識別混合瓦斯氣體來源及源貢獻比例，難以進行科學、有效的治理和防護工作。如何定量解析混合瓦斯氣體，已成為煤礦安全開采過程中瓦斯防治的重要任務之一。

本次研究結合煤田地質學、巖石礦物學、統計分析等多學科交叉理論，從微尺度辨識煤層群混合瓦斯氣體的來源，定量來源的貢獻比例，完成煤層群開采瓦斯分源預測技術體系的建立，為礦井瓦斯治理和安全生產提供基礎依據。掌握研究工作面煤及其瓦斯中元素的含量及分布特征，研究煤與瓦斯中元素地球化學的相關性，定量確定混合瓦斯中不同端源（煤層）所占的比例，可為工作面煤層瓦斯的治理提供技術支持。

通過對煤有機碳同位素值、瓦斯中碳同位素值及其分布規律進行分析，通過煤層不同位置有機碳同位素值的差異來解決煤層瓦斯氣體來源識別問題。按不同來源的氣體，采用不同含量進行混合測試，以確定不同含量級中混合氣體的物質組成特征，為以后識別混合氣體的來源和含量提供論據。

1 工程概況

新景礦現開采3號、8號和15號煤層。2005年經煤科總院撫順研究院鑒定，新景礦為突出礦井，3號煤層為突出煤層。其中強度最大的一次為2012年6月19日發生于保安3#煤北一出煤巷的突出，突出煤量202.99 t，瓦斯量15 862 m3。

隨著開采深度和開發強度的加大，開采地域向地質構造相對復雜的井田西部推進，瓦斯突出綜合指標D值呈現增大的趨勢，由1.39增至6.72，瓦斯壓力增加到1.75 MPa以上，突出危險性增大[2]。

2 煤層樣品采集及測試

2.1 樣品采集

通過采集煤礦開采過程中涉及的主要煤層煤樣以及不同抽采方式所得的混合瓦斯樣品，高精度測試了煤中特征微量元素和有機碳同位素值以及混合瓦斯氣體中甲烷、二氧化碳等氣體成分中的碳同位素值。煤樣和氣體樣品采集情況見表1。

表1 樣品采集統計表

2.2 樣品測試

（1）煤中微量元素測試

將采集的塊狀樣品進行篩選、分樣及研磨，以達到測試分析所需要的樣品粒度[3]。標注好樣品編號、研磨粒徑以及簡單的樣品描述。對煤等固體樣品進行消解。為了保證樣品消解過程中測試元素的不損失，所有樣品均采用微波消解。

（2）瓦斯碳同位素測試

Delta Plus穩定同位素氣體質譜儀通過CONFLO III設備，與Flash EA 1112元素分析儀聯用自動連續分析有機樣品中的C和N同位素，或與元素分析儀TC/EA聯用，經過高溫分解自動連續分析有機樣品中的O同位素。Delta Plus與HP 6890 GC聯用用于有機樣品的氣相色譜的自動分析及有機分子化合物的有機碳同位素分析，或與預濃縮設備PreCon聯用，用于CH4、N2O等痕量氣體的含量和同位素自動分析。

3 煤層微量元素含量分布特征

3.1 微量元素含量分布情況

表2列出了新景礦3#、6#、8#、9#、15#煤層中24種元素的含量范圍及其平均值，不同煤層間微量元素變化幅度較大。

從表2可以看出，新景礦煤中的某些微量元素含量在同一煤層中變化較大，往往相差有數量級的差別，說明同一煤層在成煤過程的不同時段內成煤環境發生了較大的改變。同時，不同煤層中微量元素的平均含量存在較大不同，說明不同煤層在形成過程中的成煤環境也有所變化，從而引起煤層中微量元素的富集有所不同。

表2 新景礦不同煤層樣品微量元素含量特征（μg/g）

3.2 微量元素含量分布特征分析

不同煤層中微量元素的分布具有明顯的差異，其中含量差別較大微量元素，即可以作為煤層的特征微量元素。3#煤層煤中Ba元素的含量明顯低于其他煤層，因此可作為3#煤層的特征微量元素；6#煤層煤中Ba、B和Bi元素的含量明顯低于其他煤層，而Cr、Li和Mn元素的含量遠高于其他煤層煤中相應元素的含量，因此可作為6#煤層的特征微量元素；9#煤層煤中Cd元素的含量明顯低于其他煤層，而Fe、Mg、As、Co、Sn、Ti、Zn、Ni、Pb、B、Bi、V、Mn、Ga和Sb元素的含量遠高于其他煤層煤中相應元素的含量，因此可作為9#煤層的特征微量元素；15#煤層煤中Al、As、Sr和B元素的含量遠高于其他煤層，因此可作為15#煤層的特征微量元素。

4 混合瓦斯來源定量分析

本次試驗測試分3次在新景礦的不同位置采集抽放管路混合瓦斯樣品，共采集瓦斯樣品20件，對不同采樣點的混合瓦斯來源進行了精確定量分析，分析了瓦斯源組分變化特征，為瓦斯釋放源的識別提供科學論據。通過測試混合瓦斯中碳同位素值后，代入氣源識別模型中，數據進行分析后，混合瓦斯來源比例結果見表3。

從表3可知，新景礦各煤層來源比例變化范圍較大。其中采集自3213工作面和3214工作面的瓦斯樣品主要來源于3煤層，范圍在75%～93%之間。采集自8118工作面的瓦斯樣品主要來源于8煤層，比例均超過85%。對于采集自9104工作面的瓦斯樣品，本煤層和采空區9#煤位置的樣品主要來源于9煤層，比例為73%～92%；在采空區-8#煤位置的樣品主要來源于8煤層，比例為69%～72%。對于采集自15313工作面的瓦斯樣品，在走向高抽巷采集的樣品主要來源于8煤層和9煤層，而在低位高抽巷采集的樣品則主要來源于15煤層，工作面高抽位置采集的樣品主要來源于8煤層和9煤層。

表3 新景礦瓦斯來源比例結果

5 主要結論

（1）總結了新景礦3#、8#、9#、15#煤層煤中微量元素的含量、分布特征以及影響因素、有機碳同位素的變化范圍、變化趨勢以及影響因素，提出了煤中特征微量元素和特征同位素在煤層對比中的應用、瓦斯碳同位素判別瓦斯來源的應用。

（2）提出對煤層樣品進行測試與分析，總結分析了新景礦各煤層微量元素的含量及分布特征，建立不同比例瓦斯混合時混合氣體的模型。

（3）通過對不同煤層碳同位素的測試分析，對不同比例混合氣體碳同位素值進行了模型建立，根據實測碳同位素值計算了不同煤層瓦斯氣體在混合氣體中所占的比例，分析了新景礦混合瓦斯氣體來源比例的變化特征。