黄陵二号煤矿上隅角瓦斯来源分析

廖清发

(煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001)

瓦斯的形成伴随着成煤作用的整个时期，因此，瓦斯的组分和含量受到原始成煤物质、成煤环境和成煤阶段的影响较大[1]. 瓦斯中甲烷和二氧化碳的碳同位素特征具有地质成因意义[2]，根据甲烷δC13值，国际上一般将瓦斯分为生物成因气和热成因气两大类[3-4],并且不同来源的瓦斯气有不同的碳同位素丰度，如果不同成因气体发生混合，则碳同位素丰度同样发生改变，混合是一种物理过程，根据质量守恒原则，混合前后碳同位素总量不变，因此，已知混合气与被混合气的碳同位素丰度，就可计算被混合气在混合气中的占比。以黄陵二号煤矿207工作面瓦斯为研究对象，采用符合矿井煤层赋存条件的稳定碳同位素分析方法，通过采集该工作面2#、3#煤层气样品作为母本气样，进行稳定碳同位素测试分析，以瓦斯来源的碳同位素标识物研究成果为依据，靶向确定采空区混合瓦斯、油型气涌出来源及占比，为瓦斯治理提供科学依据。

1 工作面瓦斯、油型气来源分析方案

采用Agilent-6890 GC与Delta Plus型同位素比值质谱仪联机测试的方法对气样品进行同位素分析，该系统与GC-PAL液体自动进样器联机使用，可进行有机样品的全自动气相色谱分析及有机分子化合物的稳定同位素测定。实验流程首先收取煤层气气体2 μL，注入到Agilent-6890 GC进样口中，经过极性分离之后将气体在过氧环境中瞬间分解，然后将分解后的气体通过CONFLOⅢ设备使被测样品最终进入Delta Plus稳定同位素气体质谱仪进行分析，各类样品的测定精度用实验室工作标准控制，标准样品重复分析误差<0.2‰.

2 碳同位素值测试气样采集

采样需避免外部环境对同位素测试值的影响，同时在采样过程中，需避免二次生烃、构造抬升、地下水融侵蚀等因素的影响，最大限度避免外部地质不确定因素的影响。

2.1 样品采集区地质特征

1) 采样地点的地质条件和煤层赋存条件相对稳定。

2) 采样地点与试验区域应属同一块段，区域内不得出现较大断层对煤层的分割，避免成煤条件差异对稳定碳同位素的影响。

3) 采样地点与试验区域不得出现长期地下水侵蚀。

4) 采样地点与试验区域不得出现火成岩倾入等影响煤体化学性质的地质异常体。

2.2 人工采样工具

采集工具包括：吸气球、伸缩杆、唧气筒、扎丝、30 mL集气瓶。

2.3 气样现场采集方案

该次采样全部采取人工采样，采样方法选择集气瓶采样法，该方法使用不受条件限制，携带方便且密封性能较好，广泛用于各类井下气体采集，尤其适用于采集二氧化碳、氧气、甲烷、一氧化碳和氮气等不溶于水的气体试样。

为了定量分析2#煤采掘过程中，本煤层和邻近层瓦斯涌出量的贡献比例，分别在207工作面2#煤钻场、3#煤底板钻场利用吸气球、集气瓶人工采集2#、3#煤层瓦斯气样品作为母本气样，进行稳定碳同位素测试分析，确定瓦斯来源的碳同位素标识。母本气样共收集4组，气样采集具体地点、时间等信息见表1.

表1 分煤层母本气样采集信息表

由于混合源瓦斯的来源比例受采动和时间的影响，采样需在不同时间节点和地点，按照统一的采样标准，采集混合气体样品。该方案于不同的时间段：2017年8月早班、2017年9月中班；不同地点：207工作面上隅角上部、207工作面上隅角下部分别收集混合气样。为了尽量避免现场环境差异及人工操作过程中出现的误差，每次取样均取2组，最终结果取平均值以减少数据误差。混合气样共收集4组，气样采集地点、时间等信息见表2.

表2 采空区混合气样采集信息表

2.4 解吸气及混合气稳定碳同位素标识值测定

对碳同位素的测试工作遵循GB/T 18340.2-2010《地质样品有机地球化学分析方法》第2部分：有机质稳定碳同位素测定：同位素质谱法——固体碳同位素测试标准；SY 5239-91《石油和沉积有机质的氢、碳同位素分析方法》：气体氢同位素；SYT 5238-2008《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》：气体碳同位素等标准和规范。

二号煤矿2#、3#煤层瓦斯气样品测试结果见表3.

表3 母本气样CH4丰度值测试及结果表

二号煤矿上隅角混合气样品测试结果见表4.

表4 上隅角混合气样CH4丰度值测试及结果表

3 结果分析

3.1 数据筛选

根据测试结果可知，207上隅角下部混合气样第2组碳同位素丰度值与底板3#煤层母本气样数值相互交叉，无差异性，分析考虑此组数据为无效数据。207上隅角下部第1组混合气样数据与207上隅角上部两组数据接近，均在-46.1‰～-46.3‰，最终选择-46.2‰作为207上隅角混合气碳同位素丰度值。由于混合气样有效数据仅3组，该次方案的结果有待进一步丰富混合气样数据以完善分析结果的可靠性。

3.2 甲烷碳同位素特征

207工作面2#煤层瓦斯中CH4碳同位素丰度值为-43.79‰～-44.20‰，平均值为-44.0‰.底板3#煤层瓦斯中CH4碳同位素丰度值为-52.62‰～-52.95‰，平均值为-52.8‰. 与全国煤层甲烷碳同位素丰度观测值-24.97‰～-73.70‰[5]相比，其分布范围较窄。国际上普遍认为煤层瓦斯成因分为生物成因和热成因，一般认为δC13值小于-55‰为生物成因气，大于-55‰为热成因气[6]. 以此为标准可知，2#煤层、底板3#煤层瓦斯气体甲烷碳同位素值均属于热成因气。

3.3 上隅角混合瓦斯来源及占比结果分析

通过稳定碳同位素分析方法定量分析各煤层瓦斯碳同位素丰度，利用公式(1)计算混合来源的瓦斯于各煤层的贡献比例，见表5.

V1/V混=(C13混-C132)/(δC131-δC132)

(1)

式中：

δC131—被混合气体1的碳同位素丰度；

δC132—被混合气体2的碳同位素丰度；

V混—混合气体的体积；

V1—被混合气体的体积。

表5 瓦斯中各成分贡献表

由表5可知，工作面回采过程中瓦斯主要来源为：本煤层2#煤层解析瓦斯,占混合瓦斯总量的75%. 其次为受采动影响通过采动裂隙向工作面采空区释放的底板3#煤层瓦斯，占混合瓦斯总量的25%.

4 结论及分析成果现场运用

207工作面2#煤层、底板3#煤层瓦斯气体甲烷碳同位素值为-43.79‰～-52.95‰，属于热成因气。工作面上隅角混合气体2#煤层解析瓦斯占75%，底板3#煤层瓦斯占25%. 根据该占比结果，建议工作面瓦斯防治的重点应放在本煤层2#煤层的瓦斯抽放中，对2#煤层瓦斯进行采前预抽，钻孔深度覆盖整个工作面，预抽时间不少于6个月。对于邻近3#煤层瓦斯，由于其对工作面上隅角混合瓦斯的贡献比仅25%，可以对3#煤层瓦斯先进行前探，前探钻孔若无异常可以不进行抽采，前探钻孔有“喷孔”现象则根据现场实际情况补充5～10个3#煤层底板钻孔并连管抽采。采用该方案可实现工作面瓦斯的分源、分重点、分区域治理。