基于碳同位素的朱集煤矿首采工作面层瓦斯来源定量分析方法

柴永兴，周 伟

（1.淮南职业技术学院，安徽 淮南232001；2.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南232001）

首采关键层工作面煤层的瓦斯涌出来源和涌出量分析是矿井生产初期通风设计、瓦斯抽采工程设计，乃至高效安全生产的重要依据[1]，对接替工作面的瓦斯治理等工作也有重要的参考作用。目前国内外通常采用的矿井瓦斯涌出量预测方法包括：矿山统计法、分源预测法、神经网络预测法和灰色系统预测方法等[2-5]。其中，分源预测法是目前为系统、完善、具有广泛适用性的瓦斯涌出量预测方法[6-7]，但是，分源预测法主要是基于经验的层间距和排放率曲线参数累计计算得出，而非实际观测的结果。大量实例验证表明，应用分源预测法对矿井瓦斯涌出量预测误差一般为 8.63% ～ 10.06%[8-9]。其他方法则计算较复杂，且影响因素较多[10]。稳定性碳同位素在研究自然界中碳循环、来源示踪、运移轨迹监测等方面有其独到的优势，研究通过多次分煤层采取地面钻孔中抽采气体的样品，测试母本气体样品的组分和碳同位素值，提出矿井开采过程中识别源的方法，分析某矿井下密闭墙、顶板巷等不同方式抽采的气体中，11和13煤层中气体的贡献比率，并分析采矿因素、自然因素和地质条件等对来源比率的影响。

1 技术原理和工程背景

包括甲烷在内的物质的主要元素是碳，而碳元素较为稳定的是l2C和13C 2种稳定同位素，一般作为物质溯源和断代的主要标识物，由于12C和13C在中子数量（质量）上的差异性，一般用其比值（丰度）表示其同位素的大小。植物在成煤和成气过程中，其分馏作用导致各层煤（气）均存在不平衡性和差异性，这种同位素值的不平衡性和差异性是是本项目研究区分工作面不同邻近层瓦斯来源的理论基础和基本技术原理。淮南矿区从“十一五”期间就开始采用该方法用于煤岩层对比，陆续在一些矿井应用该方法用于灰岩中瓦斯异常涌出的来源研究，取得了良好的效果。

研究对象为1111（1）工作面主采煤层为11-2煤层，走向长1 612 m，倾向长220 m，采用无煤柱沿空留巷“Y”型通风系统，煤层平均厚度1.26 m，沿顶采高1.8 m，是13-1煤层的首采保护层，工作面沿11-2煤顶板平均回采高度为1.8 m。11-2煤上距被保护层13-1平均70 m，下距11-1煤1.9～7.5 m，平均 4.4 m（11-1煤厚 0.55～1.11 m，平均 0.8 m）。

根据11-2煤层瓦斯地质图，掘进区段11-2煤层CH4含量为4.73～5.15 m3/t。煤的坚固性系数f=0.63～0.84；煤层区域突出危险性综合指标K=9.52～10.71；煤的瓦斯放散初速度指标△p=6～9 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa）。

2 混合瓦斯来源分源计算模型

学者Jenden等人在1993年就提出了混合源天然气碳同位素值的计算公式进行近似计算[11-13]，高先志等人基于实测数据的计算结果证明了“质量守恒原则，2种不同碳同位素浓度的甲烷混合，混合前后甲烷碳同位素总量不变”[13-14]。周伟等人首次引入了N端元线性混合计算方法，区分了五端元瓦斯来源占比，但该方法计算量较大，且有瓦斯来源数量的严格限制[15]。本次计算采用二元混合计算模型，试图弥补N端元线性混合模型受制于样本母本数量和母本同位素平均值的影响，在明确2个影响来源的情况下（淮南矿区B组煤距离C组煤影响距离大于70 m，影响可以忽略），达到快速区分111（5）1工作面瓦斯来源的目的。二元混合模型可表示为：

式中：δmix为二源混合气体的碳同位素值；δA、δB均为气体同位素值；a、b分别为该混合气体中来自第1煤层的气体和来自第2煤层气体的占比，且a+b=1；XA为来自第1煤层的解吸气体中CH4的含量；XB为来自第2煤层气体中CH4的含量，XA、XB可通过气相色谱仪测出；VA=aXA；VB=bXB。

实际样品的采集过程分为3个步骤：首先需要将朱集矿C组的13-1、11-2煤层分别采样，在实验室提取其解吸气作为母本解吸气测试其稳定碳氢同位素和组分值；其次是采集待测混合气样，同样是测试其稳定碳氢同位素和组分值，最后是将实测值构建上述模型求解，求得a、b，运算过程及结果略。稳定碳氢同位素的求解是以实测的母本样品解吸气和待测混合气的碳氢同位素值为基础的。

朱集矿1111（1）工作面及其邻近层解吸瓦斯经过多次测试并取平均值，得出13-1煤层瓦斯碳同位素值为-47.00‰，11-2煤层瓦斯碳同位素值为-65.00‰。测试结果为单源瓦斯碳同位素值，为下文精确定量分析混合瓦斯来源提供依据。

3 1111（1）工作面混合瓦斯来源定量分析

研究按照采掘计划的安排，共分为30次在1111（1）工作面43个不同深度、不同位置、不同掘进点以及地面钻孔等地采集瓦斯样品，共采集瓦斯样品165个，样品采集时间从2016年11月15日持续到2016年11月29日，尤其对1111（1）工作面地面钻井、采空区、底抽巷回风共5个连续采样地点的混合瓦斯来源进行了着重的讨论，这5个连续采样点包括：地面钻井（1#地面钻井、2#地面钻井）、采空区（轨道巷充填墙1#埋管（4#联巷外）、轨道巷充填墙2#埋管（5#联巷外））、轨道巷底板巷回风。下面对这5个连续采样点瓦斯来源进行详细分析。

按照不同时间在1111（1）工作面1#地面钻井总共采集了瓦斯样品14个，经过测试混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（1），13-1煤层瓦斯碳同位素值为-47.00‰，11-2煤层瓦斯碳同位素值为-65.00‰，数据进行分析后，得出的2012年1111（1）工作面1#地面钻井混合瓦斯来源分析结果见表1。

1#地面钻井瓦斯来源变化趋势如图1。由图1可以看出，随着采样时间的变化，1111（1）工作面1#地面钻井瓦斯来源中13-1煤层瓦斯占主要优势，达到80%以上，并且随着时间延长和距工作面距离的增大，13-1煤层瓦斯所占比例还有所升高，11煤层瓦斯比例逐渐降低；但是在工作面回采完毕，形成采空区之后，混合瓦斯来源中11煤层比例增大，13-1煤层比例降低。

表1 1#地面钻井瓦斯来源分析结果

图1 1#地面钻井瓦斯来源变化趋势图

同样，在1111（1）工作面2#地面钻井采集瓦斯样品17个，经过测试混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤层瓦斯碳同位素值为-47.00‰，11-2煤层瓦斯碳同位素值为-65.00‰，数据进行计算分析后，混合瓦斯来源比例拟合成曲线，2#地面钻井瓦斯来源变化趋势图如图2。

根据图2可以看出，随着采样时间的变化，1111（1）工作面2#地面钻井瓦斯来源中，13-1煤层瓦斯占主要优势，高达70%以上，并且随着时间延长和距工作面距离的增大，13-1煤层瓦斯所占比例还有所升高，11煤层瓦斯比例逐渐降低；同样在工作面回采完毕，形成采空区之后，混合瓦斯来源中11煤层比例增大，13-1煤层比例降低。

图2 2#地面钻井瓦斯来源变化趋势图

为了考察采空区内的瓦斯来源变化，在1111（1）工作面轨道巷充填墙1#埋管（4#联巷外）和轨道巷充填墙2#埋管（5#联巷外），各采集混合瓦斯样品4个，经过测试混合瓦斯中碳同位素值后，代入式（2），13-1煤层瓦斯碳同位素值为-47.00‰，11-2煤层瓦斯碳同位素值为-65.00‰，数据计算分析后，得出混合瓦斯来源比例拟合成曲线（图3和图4）。

图3 轨道巷充填墙1#埋管瓦斯来源变化趋势图

图4 轨道巷充填墙2#埋管瓦斯来源变化趋势图

根据图3可以看出，随着采样时间的变化，1111（1）工作面轨道巷充填墙1#埋管（4#联巷外）瓦斯来源中，13-1煤层瓦斯占主要优势，并且11煤层瓦斯含量也不低，达35%左右，并且随着时间延长，混合瓦斯来源比例中13-1煤层瓦斯呈现出先增大后降低的趋势，并且随着开采的进行的瓦斯比例趋于平缓，13-1煤和11煤混合来源比例变化不大。轨道巷充填墙2#埋管（5#联巷外）瓦斯来源中13-1煤层瓦斯占比更大（接近80%），随着开采时间的延长，13-1煤层瓦斯所占比例逐渐降低，11煤层瓦斯比例逐渐增大，并且增大趋势趋于平缓，最终趋于稳定。

为了考察11-2煤底抽巷回风的瓦斯来源占比，按不同时间在1111（1）工作面轨道巷底板巷回风采集了瓦斯样品7个，经过测试混合瓦斯中碳同位素值后代入式（2），13-1煤层瓦斯碳同位素值为-47.00‰，11-2煤层瓦斯碳同位素值为-65.00‰，计算分析后，得出混合瓦斯来源比例拟合成曲线（图5）。

图5 轨道巷底板巷回风瓦斯来源变化趋势图

根据图5可以看出，随着采样时间的变化，1111（1）工作面轨道巷底板巷回风瓦斯来源呈现的规律由于巷道布置的变化产生较大变化。随着工作面开采，混合瓦斯中11煤层瓦斯占优势，达到60%左右，同时13-1煤层瓦斯含量也不低，并随着工作面回采结束，11煤层瓦斯比例增大，增大趋势较大达70%左右，并变化趋于平缓，13-1煤层瓦斯随着回采结束比例有所下降，并最终趋于平缓接近25%。

4 1111（1）工作面混合瓦斯来源影响因素分析

根据上述定量分析的结果可知，1111（1）工作面2个地面钻井混合瓦斯来源中，13-1煤层瓦斯的来源占主导地位，并且随着时间延长和距工作面距离的增大，13-1煤层瓦斯所占比例还有所升高，11煤层瓦斯比例逐渐降低趋势；但是在工作面回采完毕，形成采空区之后，混合瓦斯来源中11煤层比例增大，13-1煤层比例降低。分析地面钻井混合瓦斯来源出现该情况的原因可能是：开采前期由于13-1煤层在11煤层上部，地面钻井在抽采瓦斯气体的过程中，瓦斯混合的时候13-1煤层更占优势，导致13-1煤层瓦斯比例较大；1111（1）工作面回采结束后形成采空区，由于11煤层瓦斯充分解析，赋存于采空区中11煤层瓦斯含量较高，当被地面钻井抽采时，表现出11煤层瓦斯比例增大的趋势，但是由于解析条件的限制，11煤层瓦斯增大有限，并且13-1煤层瓦斯仍然占主导地位。

1111（1）工作面轨道巷充填墙1#埋管和1111（1）工作面轨道巷充填墙2#埋管瓦斯来源中，13-1煤层瓦斯来源占主导地位，且11煤层瓦斯含量也不低，达30%左右，并且随着时间延长，混合瓦斯来源比例中13-1煤层表现出降低的趋势，并且随着开采的进行的瓦斯比例趋于平缓。分析混合瓦斯来源出现该情况的原因可能是由于瓦斯采集点距离13-1煤层工作面较近，并且随着开采进行，11煤层瓦斯进行解析，导致后期11煤层瓦斯比例变大。

1111（1）工作面轨道巷底板巷回风瓦斯来源中，11煤层瓦斯占优势，达到60%左右，同时13-1煤层瓦斯含量也不低，并随着工作面回采结束，11煤层瓦斯比例增大，增大趋势较大达70%左右，并变化趋于平缓，13-1煤层瓦斯随着回采结束比例有所下降，并最终趋于平缓接近25%左右。分析混合瓦斯来源出现该情况的原因可能是该处采集点的瓦斯来源主要受回采工作面控制，并且随着开采进行，工作面瓦斯充分解析，比例呈现升高趋势，工作面回采完毕，工作面瓦斯大量汇集于采空区中，导致11煤层瓦斯比例更加升高。

5 结论

1）根据朱集矿C组煤首采工作面的地质特征，引入二元线性混合计算模型，根据实测的母本解吸气稳定碳氢同位素和组分值，对工作面进行混合气分源计算。

2）通过对1111（1）工作面不同采样点的混合瓦斯碳同位素测试分析，对地面钻井、采空区、底抽巷回风的混合瓦斯来源进行了定量分析，精确的得出了混合瓦斯源中各主采煤层所占百分比。

3）分析了1111（1）工作面混合瓦斯来源占比的主要影响因素，发现混合瓦斯来源主要受采样点的地理环境、工作面回采层位、距离回采煤层位置以及采空区等因素的影响。