梁文勖，李江濤，付 巍，張 陽

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司教育培訓(xùn)中心，遼寧 鞍山 114031)

瓦斯治理需要形成一套相互聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣的整體系統(tǒng)解決方案。首先需要確定工作面瓦斯的來源，判斷是本煤層瓦斯涌出為主還是鄰近煤層涌出為主[1-2]；其次需要研究瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)而判斷高濃度瓦斯富集區(qū)[3-5]；最后需要開展瓦斯抽采優(yōu)化研究[6-10]，選擇高效瓦斯抽采方法，通過提高封孔質(zhì)量實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采穩(wěn)定。在實(shí)際研究過程中，多注重瓦斯富集規(guī)律與瓦斯抽采優(yōu)化的研究，但對(duì)瓦斯分源的研究較少，對(duì)瓦斯來源及比例尚不明確。因此，瓦斯治理需要從源頭做起，也是其首要目標(biāo)。我國(guó)很多高瓦斯突出礦井為近距離煤層群開采，開采時(shí)采空區(qū)的瓦斯主要有本煤層煤壁和落煤涌出的瓦斯、鄰近層通過裂隙涌入的瓦斯，判斷其來源和比例有助于優(yōu)化礦井瓦斯抽采設(shè)計(jì)。

采空區(qū)瓦斯涌入來源和瓦斯涌入量分析是礦井生產(chǎn)初期通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)，乃至高效安全生產(chǎn)的重要依據(jù)，對(duì)接替工作面的瓦斯治理等工作也有重要的參考作用。目前廣泛應(yīng)用的測(cè)定煤層瓦斯涌出來源的傳統(tǒng)方法有礦山統(tǒng)計(jì)分析法和分源預(yù)測(cè)法[11-13]，計(jì)算過程中多采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，造成預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性差；同時(shí)如果礦井地質(zhì)條件變化，按照上述方法有時(shí)會(huì)有較大的誤差，而且預(yù)測(cè)結(jié)果是固定不變的，這并不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。一些研究人員[14-15]基于相關(guān)理論和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了礦井瓦斯涌出量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于灰色預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法及組合預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)瓦斯涌出量，預(yù)測(cè)精度較高且具備動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，但由于考慮的因素過多，目前研究?jī)H停留在學(xué)術(shù)層面。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，同位素地球化學(xué)的測(cè)試技術(shù)也越來越先進(jìn)，戴金星院士[16]利用同位素區(qū)分煤層并總結(jié)了煤層氣成因；黃暉等[17]利用同位素測(cè)定及其他手段確定了潘二礦1煤層底板灰?guī)r瓦斯異常噴出的原因；高宏等[18]基于碳?xì)渫凰胤治黾夹g(shù)，確定了鳳凰山煤礦15#煤層開采中某一點(diǎn)的煤層瓦斯來源及其比例；周偉等[19]利用穩(wěn)定碳?xì)渫凰貙?duì)采空區(qū)瓦斯涌出來源進(jìn)行量化，得到了采空區(qū)內(nèi)各處瓦斯來源的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

山西西山礦區(qū)屯蘭礦開采的2#煤層位于山西組中上部，上距02#煤層平均13.9 m，下距4#煤層平均7.8 m，開采時(shí)鄰近煤層瓦斯很容易涌入采空區(qū)，需要判斷采空區(qū)各處不同來源的瓦斯比例。通過測(cè)試02#、2#、4#煤層解吸氣體及不同抽采方式下的混合氣體的穩(wěn)定同位素特征，結(jié)合氣源判識(shí)的數(shù)學(xué)模型，判斷隨工作面推進(jìn)混合氣體的涌出規(guī)律，定量識(shí)別瓦斯的來源煤層及其比例，從而為瓦斯治理提供依據(jù)。

1 同位素判斷采空區(qū)識(shí)別技術(shù)原理

煤的同位素與成煤植物、煤的組分和煤化程度、古環(huán)境因素(大氣CO2含量、光照、古水鹽度和壓力、營(yíng)養(yǎng)和季節(jié)變化)密切相關(guān)[20]，瓦斯在產(chǎn)生過程中受到生物降解或熱解作用強(qiáng)弱不同，導(dǎo)致同位素分餾，從而造成各煤層解吸瓦斯碳?xì)渫凰刂诞a(chǎn)生差異。可以利用某些元素同位素差異較大氣體作為端元?dú)怏w，而采空區(qū)的瓦斯是各個(gè)端元?dú)怏w(本煤層和鄰近層氣體源)按照一定比例混合而成，混合后瓦斯中不同標(biāo)志物的同位素值與各個(gè)端元的混合比例密切相關(guān)。故可以通過同位素質(zhì)譜儀分析測(cè)定端元?dú)怏w碳?xì)渫凰睾筒煌攸c(diǎn)混合后的同位素值，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，利用分源計(jì)算數(shù)學(xué)模型來精確計(jì)算混合煤層各瓦斯來源的比例。

2 地質(zhì)背景

屯蘭礦位于太原西山煤田的西北部、馬蘭向斜的東翼。地層傾向南南西，傾角為2°～15°，呈一走向NNE～NNW、傾向SSWE的波浪狀單斜構(gòu)造。井田內(nèi)含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組(C3t)和下二疊統(tǒng)山西組(P1s)，其中二疊系下統(tǒng)山西組稱上組煤，其中的02#、2#和4#煤層為可采煤層。本次研究的12505綜采工作面開采2#煤層，開采煤層厚度為3.3 m，2#煤層瓦斯含量為6.32～9.88 m3/t，4#煤層瓦斯含量為5.63～8.97 m3/t。該區(qū)域的煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

對(duì)工作面采取的瓦斯治理方式為本煤層預(yù)抽2#煤層瓦斯，上鄰近層通過在頂板布置高抽巷和在軌道巷布置頂板走向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，下鄰近層通過在12505底抽巷預(yù)抽4#煤層瓦斯。在工作面回采期間通過在回風(fēng)巷布置埋管對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。

3 采樣與測(cè)試

3.1 樣品采集與測(cè)試

首先采集母本氣體(02#、2#、4#煤層解吸瓦斯氣體)以測(cè)定碳?xì)渫凰刂?，包?3C(CH4)、13C(C2H6)、2H(CH4)。由圖1可以得出7#煤層距離2#煤層64.65 m。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AQ 1018—2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》[21]中層間距與鄰近層排放率的關(guān)系曲線，可知7#煤層的瓦斯不會(huì)涌入至2#煤層，本次測(cè)定不采集7#煤層及其下方煤層樣品。02#、2#、4#煤層取樣位置依次為北三右翼回風(fēng)石門、12507掘進(jìn)工作面200 m處、14402回風(fēng)巷巷口，利用取心鉆頭取煤層的上、中、下位置的煤樣，每層煤層共測(cè)試9個(gè)樣品，稍微粉碎后將煤樣放入鋁箔取樣袋中并抽真空1次，以去除取樣袋中混入的空氣。在12505綜采工作面推進(jìn)過程中，分別在距離開切眼8(此時(shí)采空區(qū)頂板未垮落)、50、87、152、260 m的高抽巷、回風(fēng)巷埋管、頂板走向鉆孔及上隅角處取得采空區(qū)混合氣體，利用高負(fù)壓抽氣筒在每處取2組氣樣，氣樣由聚乙烯取樣袋充裝。取50 μL氣樣，注入進(jìn)樣口，經(jīng)過極性分離后將氣體注入Delta plus XP穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀中進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定精度通過實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，標(biāo)準(zhǔn)樣品重復(fù)分析誤差小于0.02%。

3.2 測(cè)試結(jié)果

屯蘭礦各煤層解吸氣體和混合氣體的碳?xì)渫凰販y(cè)定值的中位值如表1和表2所示。各煤層解吸氣體中甲烷的碳、氫同位素和乙烷的碳同位素箱式圖如圖2所示。

表1 解吸氣體(母本氣體)碳?xì)渫凰刂?中位值)

表2 混合氣體碳同位素測(cè)定值

(a)甲烷的碳同位素

(b)甲烷的氫同位素

(c)乙烷的碳同位素值

由圖2可以看出，屯蘭礦各煤層甲烷和乙烷碳同位素值平均值(見圖2(a)、圖2(c))差異較大，重疊區(qū)域較?。患淄闅渫凰刂?見圖2(b))測(cè)試值有較大的重疊區(qū)域，差異較小，在計(jì)算瓦斯來源時(shí)會(huì)造成較大誤差，不宜作為端元?dú)怏w。從各同位素?cái)?shù)值可以看出，各同位素平均值隨煤層的埋深有變大的趨勢(shì)。

4 三端元混合瓦斯源判識(shí)數(shù)學(xué)模型

高先志[22]根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)出了混合瓦斯氣體中碳同位素值的計(jì)算公式。設(shè)定02#(上覆煤層)、2#(本煤層)、4#(下伏煤層)煤層三端元混合瓦斯氣體所占的比例分別為x、y、z；由于本次測(cè)試3層煤甲烷氫同位素差異性較小，不宜作為端元?dú)怏w，僅能用甲烷和乙烷的碳同位素值推導(dǎo)混合氣體比例。設(shè)3層煤甲烷的碳同位素值分別為A1、B1、C1，乙烷的碳同位素值分別為A2、B2、C2，混合氣體甲烷、乙烷碳同位素值分別為δ1、δ2，則有：

δ1=xA1+yB1+zC1

(1)

δ2=xA2+yB2+zC2

(2)

x+y+z=1

(3)

經(jīng)過轉(zhuǎn)化，得到：

x(A1-C1)+y(B1-C1)=δ1-C1

(4)

x(A2-C2)+y(B2-C2)=δ2-C2

(5)

建立圖解示意圖，如圖3所示。

圖3 三端元混合瓦斯氣體比例計(jì)算圖解

由圖3可求得A、B端元所占的比例x、y，進(jìn)而可計(jì)算出C端元所占的比例z。

5 采空區(qū)瓦斯來源分析

5.1 頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯涌出分析

12505綜采工作面高抽巷和頂板走向鉆孔混合瓦斯(甲烷)來源比例如圖4所示。

(a)高抽巷

(b)頂板走向鉆孔

由圖4可以看出，采用這2種方案抽采的瓦斯均來自采空區(qū)頂板裂隙帶，其瓦斯分源構(gòu)成基本相似，各煤層瓦斯涌入動(dòng)態(tài)變化規(guī)律特征十分明顯，能全面反映采空區(qū)裂隙帶內(nèi)各瓦斯來源涌入量占比動(dòng)態(tài)變化情況，其主要變化規(guī)律和特征可歸納為3個(gè)階段：

1)02#煤層瓦斯涌入階段。由于高抽巷距離02#煤層較近，在煤層開采初期高抽巷瓦斯涌入來源以02#煤層為主，占比為80%～90%；2#煤層瓦斯涌入占比為10%～20%；此時(shí)4#煤層瓦斯暫未涌至。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為8 m時(shí)，老頂還未出現(xiàn)初次來壓，但是頂板已經(jīng)出現(xiàn)裂隙，為瓦斯流動(dòng)提供了通道，使2#煤層采空區(qū)遺煤瓦斯流動(dòng)至高抽巷。

2)2#煤層瓦斯涌入階段。隨著工作面推進(jìn)至50 m時(shí)，混合瓦斯仍以02#煤層釋放的瓦斯為主，占比為72%；隨著頂板裂隙逐漸增多，2#煤層瓦斯涌入的占比增大至23%，其上升趨勢(shì)明顯；由于采場(chǎng)裂隙的發(fā)展和下鄰近層卸壓裂隙通道逐漸形成，由4#煤層涌入的瓦斯開始出現(xiàn)，但是比例較小，其占比僅為5%。

3)瓦斯涌入穩(wěn)定階段。第3次取樣(工作面推進(jìn)87 m)至第5次取樣(工作面推進(jìn)260 m)時(shí)，老頂初次來壓結(jié)束并進(jìn)入周期來壓，裂隙帶內(nèi)02#煤層瓦斯涌入的比例下降到最低，但仍占優(yōu)勢(shì)，其占比為60%；2#煤層瓦斯涌至裂隙帶達(dá)到最高峰值并趨于平衡，占比在30%左右；4#煤層涌出的瓦斯比例也有所提高并達(dá)到穩(wěn)定階段，其占比為10%左右。

5.2 采空區(qū)上隅角附近瓦斯來源分析

上隅角附近包括上隅角和埋管管路中各煤層瓦斯的涌入比例如圖5所示。

(a)上隅角

(b)埋管管路

由圖5可以看出，在開采初期2個(gè)地點(diǎn)涌入的瓦斯以來自2#煤層為主，占比為70%以上，隨著工作面的推進(jìn)，占比降為50%左右；02#煤層瓦斯涌入量隨著工作面的推進(jìn)也呈波動(dòng)狀態(tài)，但總體呈下降趨勢(shì)，在回采穩(wěn)定期間，其瓦斯涌入量占比為10%～20%；4#煤層瓦斯涌入量占比隨著工作面推進(jìn)由0上升到15%，最后穩(wěn)定在30%～40%。

綜合來看，12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯來源方式為“上覆煤層+本煤層”，上隅角附近的瓦斯來源為“本煤層+下伏煤層”。

6 傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法對(duì)比分析

為了進(jìn)一步研究傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法與穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測(cè)法的差異，對(duì)傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法與同位素示蹤分源預(yù)測(cè)法(回采穩(wěn)定期)預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法的具體實(shí)施和計(jì)算見文獻(xiàn)[21]，結(jié)果如表3所示。

表3 傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法和穩(wěn)定同位素預(yù)測(cè)法分源占比對(duì)比

由表3可以看出，傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法與穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測(cè)法測(cè)定結(jié)果差異較大，傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法僅能預(yù)測(cè)回采工作面的瓦斯來源比例，其結(jié)果是1個(gè)固定的值；穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測(cè)法能夠動(dòng)態(tài)分析工作面回采期間不同地點(diǎn)的瓦斯來源及占比。

7 結(jié)論

1)測(cè)定了屯蘭礦上組煤煤層解吸氣體的穩(wěn)定碳?xì)渫凰胤植继卣?，結(jié)果表明各煤層穩(wěn)定碳?xì)渫凰刂荡嬖谝欢ǖ牟町?，表現(xiàn)為瓦斯碳?xì)渫凰刂惦S煤層埋深增大出現(xiàn)偏大的特點(diǎn)，甲烷和乙烷的碳同位素值差異較大，甲烷的氫同位素值差異較小，在計(jì)算過程中不宜作為端元?dú)怏w。

2)12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)各煤層的瓦斯涌入量占比呈動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，分別為02#煤層瓦斯涌入階段、2#煤層瓦斯涌入階段和瓦斯穩(wěn)定涌入階段。在瓦斯穩(wěn)定涌入階段混合瓦斯來源于02#、2#和4#煤層的比例平均值分別為60%、30%和10%；在上隅角和埋管管路中瓦斯穩(wěn)定涌入階段混合瓦斯來源于02#、2#和4#煤層的比例約為13%、50%和37%，采空區(qū)各位置的不同瓦斯來源比例相差較大。12505綜采工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯來源方式為“上覆煤層+本煤層”，上隅角附近的瓦斯來源為“本煤層+下伏煤層”。

3)相較于傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)法，穩(wěn)定同位素示蹤分源預(yù)測(cè)法判別混合瓦斯來源更能準(zhǔn)確反映瓦斯運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為瓦斯精準(zhǔn)治理提供更有效的依據(jù)。