同位素瓦斯特征分析及抽采分源计量技术研究与应用

王远

（淮北矿业集团 袁店一井煤矿，安徽 淮北235000）

分源预测法是多煤层回采工作面瓦斯来源和运移规律研究常用的一种科学方法，本文研究的基于同位素瓦斯特征分析及分源计量技术目前仍处于探索阶段[1-2]。通过对袁店一井煤矿煤层、采空区瓦斯及抽采系统瓦斯中碳同位素分析，研究不同煤层及气体中碳同位素的分布规律，为不同煤层和瓦斯涌出规律提供依据，指导工作面瓦斯治理。

1 样品采取

对袁店一井煤矿5 个主采煤层及相关工作面气样均进行采集。煤层样品布置具有均匀性、代表性和可对比性，共采集煤层样品13 个；气体样品采集按照距采掘工作面距离、不同采样时间段以及不同地点的原则进行，采用井下抽采法。

2 样品碳同位素测试

2.1 煤层碳同位素测试方法。煤样品的有机碳同位素分析采用高温灼烧氧化法。取一定量研磨过的样品在室温下将其与过量HCl（2 mol/L）反应24h，以除去无机碳酸盐和可溶解有机碳。再用蒸馏水洗至中性，并在40℃下烘干。取约0.3g 处理好的煤样装入石英管内，加入氧化铜、铜丝和铂丝，抽好真空后密封，在850℃条件下恒温灼烧4 小时。在真空系统中用酒精- 液氮冷阱分离纯化CO2气体，最后用MAT-252 型同位素质谱仪测定CO2的δ13C 值。测试结果数据经转化后，有机碳同（转下页）位素值表示为

δ13C（‰）=[（Rsa/Rst-1）]×103

其中sa 为待测样品，st 为碳同位素标准VPDB。

样品测试精度用实验室工作标准控制，标准样品的重复分析误差在0.2‰之内。

2.2 气体碳同位素测试方法

首先采集瓦斯气体2μL，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，测试C12O244和C13O245质量峰，获得碳同位素比值。计算公式为（R=C13O245/C12O244），所测试的瓦斯碳同位素在中国科学院地球环境研究所进行，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‰。

2.3 测试结果及分析。煤样品及气体样品碳同位素测试结果如表1 所示。

表1 袁店一井煤层样品的碳同位素值

从表3 中可以看出，袁店一矿各煤层碳同位素变化范围-25.91‰-22.01‰，每个煤层δ13C 变化不大。反映出各煤层沉积植物类型基本一致，δ13C 值具有稳定分布的特征。

2.4 煤层及解析气体同位素分布特征相关性分析。不同成因类型（生物成因和热成因）的瓦斯具有不同同位素地球化学特征。甲烷碳同位素值的特征是判识瓦斯成因类型和演化程度的最有效方法之一。

表2 为不同煤层对应的解析气体同位素值。

表2 煤层及解析瓦斯碳同位素值对比

为查明本次研究煤层与解析气体碳同位素之间的相关性，建立两者实验数据的一元线性回归模型，煤中δ13C 值与其解析瓦斯中δ13C1值之间保持线性关系，线性关系公式是y=1.84x-10.47（R=0.92）。

结果表明，煤层煤中碳同位素丰度值对其解析气体中碳同位素具有明显的同源贡献作用。

3 同位素分源计量技术

3.1 多源析识别定量模型的建立。混合瓦斯中不同标识物的同位素值与各个端元的混合比例密切相关，在以往的多数文献中，对混合源天然气碳同位素计算一般采用近似算法，但是并没给出具体的推导过程。本文从碳同位素的定义出发，以体积比重新推导混合气体中碳同位素值的计算公式。

根据碳同位素定义：

根据定义，假设第一组CH4的δ13C 为δA，体积为V1；第二组CH4的δ13C 为δB，体积为V2。把两组气体混合，混合后的碳同位素值记为δmix。根据上述碳同位素定义，

对于天然气碳同位素，一般有|δ|《1000，即δA+1000≈SB+1000

上述推导过程以CH4碳同位素值为例，换成任何一种同位素类型均有上述的公式成立。一般的，混合瓦斯同位素用上式计算，其误差不会超过测定允许的误差（0.5‰）。

3.2 抽采系统瓦斯分布特征分析。根据气源识别的判别模型，可以得出每个瓦斯样品分煤层来源及其比例，分析表明，矿不同开采点的瓦斯来源具有一定的规律。在地面井抽采中，7 煤层、8 煤层、本煤层及其他煤岩层贡献率分别为30%、50%、10%、10%左右；老塘埋管、高位钻孔、穿层钻孔等抽采，90%以上来源于本煤层；中组煤8 煤回采期间，拦截抽采7 煤层、本煤层及其他煤岩层贡献率分别为20%、73%、7%左右。

4 结论

（1）袁店一井煤矿瓦斯属生物成因气和热成因气的混合态，二氧化碳属生物成因气。（2）推导混合气体中碳同位素值的计算公式，并建立以图解法为主的针对三元瓦斯气体混合的同位素判别模式。（3）根据判别模型分析袁店一井煤矿瓦斯抽采系统中各煤层瓦斯抽采比例，实现分源准确计量，为工作面瓦斯治理提供重要依据。（4）保护层回采工作面地面井作为卸压瓦斯治理手段具有不可替代作用。