小屯煤矿近距离突出煤层群联合抽采瓦斯溯源研究

董小明，张 帅，张 涛，刘 乐

(1.贵州安晟能源有限公司，贵州 贵阳 550000； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.贵州大方煤业有限公司，贵州 毕节 551700； 4.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

近年来，随着煤层开采深度增加、采掘强度加强，煤层瓦斯治理愈困难[1-3]，特别是煤层群瓦斯治理，通常采用穿层钻孔联合抽采多个煤层瓦斯的方法。该方法无法准确计量一个煤层实际瓦斯抽采量，难以预判各煤层残余瓦斯含量，不能有效指导矿井瓦斯抽采。基于此，学者对煤层群瓦斯的溯源深入研究。首先，分析了煤层碳同位素赋存特征。戴金星等[4]提出煤层气中重烃气含量和δ13C值的分布特征是煤层气统一分类的2个指标；孙四清等[5]对我国煤层甲烷碳同位素分布特征与瓦斯成因类型进行深入探讨；孟召平等[6-7]研究发现，沁水盆地煤层甲烷碳同位素与煤层埋藏深度之间呈对数函数关系，煤层甲烷碳同位素与煤储层含气性有关，碳同位素在平面上存在“分带现象”；李勇等[8]也发现鄂尔多斯盆地煤层气碳同位素随埋深而增加，保德、兴县地区呈现较好的线性关系，存在“垂向分带”现象。进一步，研究了煤层碳同位素地质成因。张虎权等[9]研究了煤层气碳同位素组成、煤岩及烃源岩的热模拟产物及碳同位素组成；Li Ming等[10]以煤层气藏地质因素、气体同位素、生烃母质、流体活动、孔隙特征为研究目标，深入分析了煤层重烃浓度异常的原因；万宗启等[11-12〗研究了我国淮南、淮北煤田典型煤矿煤层瓦斯组分、碳同位素分布特征及其地质成因。最后，应用碳同位素法识别煤层瓦斯来源和计算瓦斯占比。胡宝林等[13]分析采空区瓦斯CH4稳定碳氢同位素、C2H2碳同位素及CO2的稳定碳位素与目标层位解吸瓦斯中同类稳定同位素差异，依据采空区涌出瓦斯、本煤层及邻近层解吸瓦斯组分浓度，确立采空区瓦斯来源；韩云春等[14]通过微量元素法建立了一套用于寺河矿煤层的准确快速识别的测试及分析方法；高宏等[15]采集煤样和瓦斯气样，分析气体组分，测试碳氢同位素，确定气样中回采工作面多源瓦斯来源及比例；陈本良等[16-17]采用稳定碳同位素对各煤层回采工作面瓦斯涌出量来源及构成进行分析，并计算各煤层瓦斯来源占比；殷民胜等[18]建立了煤层气与油型气混源构成比例同位素的计算模型，确定煤层气与油型气混源瓦斯的构成比例；曹佳兴等[19]总结了两煤层采空区瓦斯来源体积结构和瓦斯来源动态演化规律，建立一种采空区瓦斯来源量化分析方法；张绪林等[20]利用SF6示踪气体对近距离煤层群工作面漏风量进行测试计算，为矿井安全生产提供了保障。

上述研究成果分析了甲烷碳同位素赋存特征、地质成因及碳同位素法应用于采空区瓦斯来源判别和占比计算，但该方法对煤层群联合抽采瓦斯分源计算鲜有报道。

本文以小屯煤矿煤层群联合抽采瓦斯为背景，以碳同位素法和分层计量法为手段，研究小屯煤矿6上、6中和6下煤层瓦斯气体组分和碳同位素值赋存特性，识别瓦斯混合气体中瓦斯来源，确定各煤层瓦斯抽采量的体积占比，以期为煤层群瓦斯联合抽采达标评判提供理论依据。

1 稳定碳同位素法识别瓦斯来源机理

稳定同位素地球化学主要研究自然界中稳定同位素的丰度及其变化规律。碳元素拥有12C与13C两个稳定同位素，国际认可的PDB标准样品中12C的丰度为98.892%，13C的丰度为1.108%。

碳同位素值δ13C可由式(1)定义：

(1)

式中，(13C/12C)Sample为测试样品的13C/12C丰度比；(13C/12C)Standard为标准样品的13C/12C丰度比。

瓦斯气体形成过程中，在地质成因的作用下，各煤层的含气量存在一定差异性。同位素法是研究不同煤层瓦斯气源的理论基础和技术原理。通常情况下，瓦斯的δ13C在-20‰～-35‰，平均值为27‰。该技术能够有效判别不同煤层瓦斯气体来源[21]。

2 混合气体测试比例计算原理

瓦斯气体组分主要有CH4和CO2。以CH4碳同位素为例，根据混合源气体碳同位素的化学组成质量守恒原则，假设3个煤层瓦斯混合时，可以从碳同位素值的定义推导得到混合瓦斯的CH4碳同位素值：

(2)

式中，δ13C(CH4)1、δ13C(CH4)2、δ13C(CH4)3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯的CH4碳同位素值；v(CH4)1、v(CH4)2、v(CH4)3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯的CH4体积。

瓦斯的CH4体积可以表示为：

(3)

式中，V1、V2、V3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯体积；w(CH4)1、w(CH4)2、w(CH4)3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯的CH4含量。

在不考虑气体分子之间的化学反应的前提下，3组瓦斯混合后的体积为V1+V2+V3，则3组瓦斯在混合体积中所占比例分别为a=V1/(V1+V2+V3)、b=V2/(V1+V2+V3)和c=V3/(V1+V2+V3)，代入式(1)和式(2)。

(4)

式中，δ13C(CO2)mix为混合瓦斯CO2碳同位素值；δ13C(CO2)1、δ13C(CO2)2、δ13C(CO2)3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯CO2碳同位素值；w(CO2)1、w(CO2)2、w(CO2)3分别为第1组、第2组、第3组瓦斯的CO2含量。

3 试验区概况

贵州大方煤业有限公司小屯煤矿位于黔西北矿区，含煤地层为二叠系上统龙潭组(P3l)，含可采及局部可采煤层6层，自上而下分别为6上、6中、6下、7、33、34号煤层。矿井CH4和CO2绝对涌出量分别为94.85、5.94 m3/min，属于突出矿井；6上、6中、6下及7号煤层具有突出危险性，均为突出煤层。6上、6下煤层分别距6中煤层平均2.60、4.43 m，是典型的近距离突出煤层群开采。矿井开拓开采主要集中在一采区，一采区6上煤层大部分区域不可采，故将6中煤层作为保护层首先开采，然后开采下部煤层。按照《防治煤与瓦斯突出细则》第二十九条规定，在6下煤层底板布置瓦斯抽放巷联合预抽6上、6中、6下煤层瓦斯。

4 方案设计及装置

4.1 方案设计

设计采用分层计量法和碳同位素法2种考察方案，分别选择13运输巷底抽巷、11运输巷和14轨道巷施工钻孔，采集研究煤层煤样及瓦斯抽采气样、计量钻孔流量。

(1)分层计量法。选择在13运输巷底抽巷，共设计4组分层计量考察钻孔，每组钻孔10个、间距20 m，巷道两帮各5个，钻孔间距5 m，孔径94 mm。①第1组(1-1—1-5为A-1组，1-6—1-10为B-1组)穿过6下、6中、6上3个煤层，终孔至6上煤层顶板0.2 m，封孔至6下煤层底板，同时抽采6下+中+上煤层瓦斯；②第2组(2-1—2-5为A-2组，2-6—2-10为B-2组)穿过6下、6中、6上煤层，终孔至6上煤层顶板0.2 m，封孔至6中煤层底板，同时抽采6中+上煤层瓦斯；③第3组(3-1—3-5为A-3组，3-6—3-10为B-3组)穿过6下煤层和6中煤层，终孔至6中煤层顶板0.2 m，封孔至6中煤层底板，抽采6中煤层瓦斯；④第4组(4-1—4-5为A-4组，4-6—4-10为B-4组)穿过6下煤层，终孔至6下煤层顶板0.2 m，封孔至6下煤层底板，仅抽采6下煤层瓦斯。钻孔封孔完成后采用PE管(φ50 mm)连抽，每组钻孔单独接入抽采支管(φ108 mm)并安装自动测流计量装置。

(2)碳同位素法。为了采集6上、6中、6下、6上+中及6上+中+下气样，共设计30个钻孔采集气样。采气样钻孔编号见表1。

表1 碳同位素采气钻孔Tab.1 Carbon isotope gas production

4.2 测试装置系统

(1)采煤/气样装置。气体采样装置采用FW-2型高负压瓦斯采取器，是采集抽放瓦斯管路内瓦斯气样的专用工具，主要用于管路系统负压状态下的瓦斯采样。测定气体组分和碳同位素的瓦斯气体采样选用铝箔采样袋。

(2)实验室测试平台及仪器。煤层瓦斯气体一般组分CH4、重烃气C2+以及CO2，测试仪器为Agilent6890N气相色谱仪。煤层瓦斯气体稳定同位素主要测试CH4、重烃气C2+以及CO2的碳同位素值，测试仪器为Isoprime 100型同位素比值质谱仪。

5 结果与分析

5.1 气体组分及碳同位素特征

对30个钻孔气样进行测试，孔号为2-3、2-5、1-6及1-补8样品的CO2碳同位素值测试数据异常，其结果见表2。

表2 气体组分和碳同位素测试结果Tab.2 Gas composition and carbon isotope test results

(1)气体组分特征。依据气样测试结果，分别对6上、6中及6下煤层瓦斯气体组分进行分析，如图1所示。图1中，箱体上、下界代表数据的75%和25%分位点，空心点表示数据的平均值，竖线的上、下界代表数据的最大、最小值。

图1 瓦斯气体组分对比Fig.1 Comparison of gas components

6上煤层CH4气体组分21.1%～59.5%，平均33.4%，CH4气体组分在20%～40%；6中煤层CH4气体组分为13.3%～86.9%，平均52%，CH4气体组分在30%～80%；6下煤层CH4气体组分为56.4%～91.8%，平均值为80.2%，CH4气体组分在60%～90%。3个煤层气体组分由大到小依次为6下、6中、6上。6上煤层CO2气体组分为0.04%～0.28%，平均0.16%；6中煤层CO2气体组分为0.15%～0.34%，平均0.26%；6下煤层CO2气体组分为0.17%～0.28%，平均0.23%。

综合上述分析，3个煤层的CH4气体成分占比大、组分平均值差异性大；CO2气体组分在0.1%～0.4%，成分占比较小，各个煤层CO2气体组分平均值差异不大。

(2)碳同位素特征。瓦斯气体中CH4和CO2碳同位素值如图2所示。6上、6中及6下煤层CH4碳同位素值在-36‰～-32‰，均值分别为-35.4‰、-34.5‰、-33.8‰，均值差异性较大，呈现出煤层由上往下增加的趋势。瓦斯气体中CO2碳同位素值在-9‰～-2‰，其中6上煤层由于含量太低，CO2碳同位素测值可能不准导致数值偏低，而6中和6下煤层CO2碳同位素平均值相差不大。

5.2 碳同位素法

依据采集的煤层气体组分及碳同位素测定结果，去除异常数据孔(2-3、2-5、1-6、1-补8)，对各个煤层及联合抽采的瓦斯气体组分及碳同位素求均值，见表3。将表3中数据代入式(3)中，对6上+中+下和6上+中煤层联合抽采建立的非齐次线性方程组进行解算，计算6上+中+下和6上+中煤层联合抽采混合气体比例。

图2 所有瓦斯气样碳同位素对比Fig.2 Carbon isotope comparison of all gas samples

表3 各煤层瓦斯气体组分及碳同位素均值Tab.3 Average value of gas components and carbon isotopes in each coal seam

3次6上+中+下联合抽采煤层气源比例如图3所示。由图3(a)可知，6上、6中及6下煤层联合抽采混合气体中6上煤层占10.8%～17.5%，6中煤层占57.8%～64.6%，6下煤层占17.9%～31.37%。结果表明：6下煤层占比略高于6上，两者之和约占混合气源的1/3；6中煤层占比最大，约占混合气源的2/3，居3个煤层瓦斯联合抽采的主导地位。由图3(b)可知，6上煤层在6上和6中煤层混合比例中占15.8%～26.1%，6中煤层占73.9%～84.2%，6中煤层占主导地位，与3个煤层气源比例计算结果保持一致。试验中对6上+中煤层联合抽采并计算气源比例，6上煤层和6中煤层在6上+中混合气体占比分别是25.95%、74.05%，与3个煤层联合抽采6上+中混合气源比例基本一致，说明基于碳同位素的混合比例计算方法对3个煤层中任意2个煤层联合抽采均适用。

图3 联合抽采气源比例Fig.3 Proportion of combined gas source

5.3 分层计量法

6上、6中和6下煤层平均瓦斯抽采纯量和煤层联合抽采瓦斯的气源比例如图4所示。

图4 各煤层瓦斯抽采纯量及气源比例Fig.4 Gas extraction scalar amount and gas source ratio of each coal seam

分层计量法计算结果表明，联合抽采6上+中+下煤层时，6上煤层占12.98%～19.55%，6中煤层占55.28%～60.55%，6下煤层占25.17～26.47%；6中煤层的混合比例最大，超过瓦斯抽采纯量一半，占据主导地位。

连续观测分层计量组100 d抽采支管瓦斯抽采纯量，每一组钻孔瓦斯抽采纯量如图5所示。由图5可知，A-1组、B-1组钻孔瓦斯抽采纯量分别为121.2、119.4 m3/d；A-2组、B-2组钻孔瓦斯抽采纯量分别为92.5、90.5 m3/d；A-3组、B-3组钻孔瓦斯抽采纯量分别为67.0、72.3 m3/d；A-4组、B-4组钻孔瓦斯抽采纯量分别为30.5、31.6 m3/d。

采用2种差值法计算6上煤层瓦斯抽采纯量。①差值法一：6上+中+下联合抽采量分别减去6中和6下抽采量；②差值法二：6上+中联合抽采量减去6中抽采量。计算得Q6上-A分别为23.7、25.5 m3/d；Q6上-B分别为15.5、18.2 m3/d，在误差允许范围内结果一致。

图5 分层计量考察组钻孔瓦斯抽采纯量Fig.5 Gas drainage net quantity of borehole in stratified measurement investigation group

6 结论

(1)建立由3个煤层组成的煤层群联合抽采瓦斯混源比例计算模型，为该方法的现场应用提供了理论基础。

(2)小屯煤矿各个煤层瓦斯组分含量和碳同位素值存在差异性；碳同位素法确定6上煤层占10.82%～24.54%，6中煤层占57.81%～69.58%，6下煤层占5.88%～31.37%；分层计量法确定6上煤层占12.98%～19.55%，6中煤层占55.28%～60.55%，6下煤层占25.17%～26.47%；6中煤层的混合比例最大，占据主导地位。

(3)采用碳同位素法和分层计量法计算结果基本一致，说明基于同位素进行煤层群联合抽采瓦斯混源比例的计算方法是科学和准确的，为煤层群瓦斯联合抽采达标评判提供新的研究思路。

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