廖清發(fā)

(煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001)

瓦斯的形成伴隨著成煤作用的整個(gè)時(shí)期，因此，瓦斯的組分和含量受到原始成煤物質(zhì)、成煤環(huán)境和成煤階段的影響較大[1]. 瓦斯中甲烷和二氧化碳的碳同位素特征具有地質(zhì)成因意義[2]，根據(jù)甲烷δC13值，國(guó)際上一般將瓦斯分為生物成因氣和熱成因氣兩大類[3-4],并且不同來(lái)源的瓦斯氣有不同的碳同位素豐度，如果不同成因氣體發(fā)生混合，則碳同位素豐度同樣發(fā)生改變，混合是一種物理過(guò)程，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，混合前后碳同位素總量不變，因此，已知混合氣與被混合氣的碳同位素豐度，就可計(jì)算被混合氣在混合氣中的占比。以黃陵二號(hào)煤礦207工作面瓦斯為研究對(duì)象，采用符合礦井煤層賦存條件的穩(wěn)定碳同位素分析方法，通過(guò)采集該工作面2#、3#煤層氣樣品作為母本氣樣，進(jìn)行穩(wěn)定碳同位素測(cè)試分析，以瓦斯來(lái)源的碳同位素標(biāo)識(shí)物研究成果為依據(jù)，靶向確定采空區(qū)混合瓦斯、油型氣涌出來(lái)源及占比，為瓦斯治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工作面瓦斯、油型氣來(lái)源分析方案

采用Agilent-6890 GC與Delta Plus型同位素比值質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)測(cè)試的方法對(duì)氣樣品進(jìn)行同位素分析，該系統(tǒng)與GC-PAL液體自動(dòng)進(jìn)樣器聯(lián)機(jī)使用，可進(jìn)行有機(jī)樣品的全自動(dòng)氣相色譜分析及有機(jī)分子化合物的穩(wěn)定同位素測(cè)定。實(shí)驗(yàn)流程首先收取煤層氣氣體2 μL，注入到Agilent-6890 GC進(jìn)樣口中，經(jīng)過(guò)極性分離之后將氣體在過(guò)氧環(huán)境中瞬間分解，然后將分解后的氣體通過(guò)CONFLOⅢ設(shè)備使被測(cè)樣品最終進(jìn)入Delta Plus穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，各類樣品的測(cè)定精度用實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)準(zhǔn)控制，標(biāo)準(zhǔn)樣品重復(fù)分析誤差<0.2‰.

2 碳同位素值測(cè)試氣樣采集

采樣需避免外部環(huán)境對(duì)同位素測(cè)試值的影響，同時(shí)在采樣過(guò)程中，需避免二次生烴、構(gòu)造抬升、地下水融侵蝕等因素的影響，最大限度避免外部地質(zhì)不確定因素的影響。

2.1 樣品采集區(qū)地質(zhì)特征

1) 采樣地點(diǎn)的地質(zhì)條件和煤層賦存條件相對(duì)穩(wěn)定。

2) 采樣地點(diǎn)與試驗(yàn)區(qū)域應(yīng)屬同一塊段，區(qū)域內(nèi)不得出現(xiàn)較大斷層對(duì)煤層的分割，避免成煤條件差異對(duì)穩(wěn)定碳同位素的影響。

3) 采樣地點(diǎn)與試驗(yàn)區(qū)域不得出現(xiàn)長(zhǎng)期地下水侵蝕。

4) 采樣地點(diǎn)與試驗(yàn)區(qū)域不得出現(xiàn)火成巖傾入等影響煤體化學(xué)性質(zhì)的地質(zhì)異常體。

2.2 人工采樣工具

采集工具包括：吸氣球、伸縮桿、唧氣筒、扎絲、30 mL集氣瓶。

2.3 氣樣現(xiàn)場(chǎng)采集方案

該次采樣全部采取人工采樣，采樣方法選擇集氣瓶采樣法，該方法使用不受條件限制，攜帶方便且密封性能較好，廣泛用于各類井下氣體采集，尤其適用于采集二氧化碳、氧氣、甲烷、一氧化碳和氮?dú)獾炔蝗苡谒臍怏w試樣。

為了定量分析2#煤采掘過(guò)程中，本煤層和鄰近層瓦斯涌出量的貢獻(xiàn)比例，分別在207工作面2#煤鉆場(chǎng)、3#煤底板鉆場(chǎng)利用吸氣球、集氣瓶人工采集2#、3#煤層瓦斯氣樣品作為母本氣樣，進(jìn)行穩(wěn)定碳同位素測(cè)試分析，確定瓦斯來(lái)源的碳同位素標(biāo)識(shí)。母本氣樣共收集4組，氣樣采集具體地點(diǎn)、時(shí)間等信息見表1.

表1 分煤層母本氣樣采集信息表

由于混合源瓦斯的來(lái)源比例受采動(dòng)和時(shí)間的影響，采樣需在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)和地點(diǎn)，按照統(tǒng)一的采樣標(biāo)準(zhǔn)，采集混合氣體樣品。該方案于不同的時(shí)間段：2017年8月早班、2017年9月中班；不同地點(diǎn)：207工作面上隅角上部、207工作面上隅角下部分別收集混合氣樣。為了盡量避免現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差異及人工操作過(guò)程中出現(xiàn)的誤差，每次取樣均取2組，最終結(jié)果取平均值以減少數(shù)據(jù)誤差。混合氣樣共收集4組，氣樣采集地點(diǎn)、時(shí)間等信息見表2.

表2 采空區(qū)混合氣樣采集信息表

2.4 解吸氣及混合氣穩(wěn)定碳同位素標(biāo)識(shí)值測(cè)定

對(duì)碳同位素的測(cè)試工作遵循GB/T 18340.2-2010《地質(zhì)樣品有機(jī)地球化學(xué)分析方法》第2部分：有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定碳同位素測(cè)定：同位素質(zhì)譜法——固體碳同位素測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；SY 5239-91《石油和沉積有機(jī)質(zhì)的氫、碳同位素分析方法》：氣體氫同位素；SYT 5238-2008《有機(jī)物和碳酸鹽巖碳、氧同位素分析方法》：氣體碳同位素等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

二號(hào)煤礦2#、3#煤層瓦斯氣樣品測(cè)試結(jié)果見表3.

表3 母本氣樣CH4豐度值測(cè)試及結(jié)果表

二號(hào)煤礦上隅角混合氣樣品測(cè)試結(jié)果見表4.

表4 上隅角混合氣樣CH4豐度值測(cè)試及結(jié)果表

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)篩選

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，207上隅角下部混合氣樣第2組碳同位素豐度值與底板3#煤層母本氣樣數(shù)值相互交叉，無(wú)差異性，分析考慮此組數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)。207上隅角下部第1組混合氣樣數(shù)據(jù)與207上隅角上部?jī)山M數(shù)據(jù)接近，均在-46.1‰～-46.3‰，最終選擇-46.2‰作為207上隅角混合氣碳同位素豐度值。由于混合氣樣有效數(shù)據(jù)僅3組，該次方案的結(jié)果有待進(jìn)一步豐富混合氣樣數(shù)據(jù)以完善分析結(jié)果的可靠性。

3.2 甲烷碳同位素特征

207工作面2#煤層瓦斯中CH4碳同位素豐度值為-43.79‰～-44.20‰，平均值為-44.0‰.底板3#煤層瓦斯中CH4碳同位素豐度值為-52.62‰～-52.95‰，平均值為-52.8‰. 與全國(guó)煤層甲烷碳同位素豐度觀測(cè)值-24.97‰～-73.70‰[5]相比，其分布范圍較窄。國(guó)際上普遍認(rèn)為煤層瓦斯成因分為生物成因和熱成因，一般認(rèn)為δC13值小于-55‰為生物成因氣，大于-55‰為熱成因氣[6]. 以此為標(biāo)準(zhǔn)可知，2#煤層、底板3#煤層瓦斯氣體甲烷碳同位素值均屬于熱成因氣。

3.3 上隅角混合瓦斯來(lái)源及占比結(jié)果分析

通過(guò)穩(wěn)定碳同位素分析方法定量分析各煤層瓦斯碳同位素豐度，利用公式(1)計(jì)算混合來(lái)源的瓦斯于各煤層的貢獻(xiàn)比例，見表5.

V1/V混=(C13混-C132)/(δC131-δC132)

(1)

式中：

δC131—被混合氣體1的碳同位素豐度；

δC132—被混合氣體2的碳同位素豐度；

V混—混合氣體的體積；

V1—被混合氣體的體積。

表5 瓦斯中各成分貢獻(xiàn)表

由表5可知，工作面回采過(guò)程中瓦斯主要來(lái)源為：本煤層2#煤層解析瓦斯,占混合瓦斯總量的75%. 其次為受采動(dòng)影響通過(guò)采動(dòng)裂隙向工作面采空區(qū)釋放的底板3#煤層瓦斯，占混合瓦斯總量的25%.

4 結(jié)論及分析成果現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

207工作面2#煤層、底板3#煤層瓦斯氣體甲烷碳同位素值為-43.79‰～-52.95‰，屬于熱成因氣。工作面上隅角混合氣體2#煤層解析瓦斯占75%，底板3#煤層瓦斯占25%. 根據(jù)該占比結(jié)果，建議工作面瓦斯防治的重點(diǎn)應(yīng)放在本煤層2#煤層的瓦斯抽放中，對(duì)2#煤層瓦斯進(jìn)行采前預(yù)抽，鉆孔深度覆蓋整個(gè)工作面，預(yù)抽時(shí)間不少于6個(gè)月。對(duì)于鄰近3#煤層瓦斯，由于其對(duì)工作面上隅角混合瓦斯的貢獻(xiàn)比僅25%，可以對(duì)3#煤層瓦斯先進(jìn)行前探，前探鉆孔若無(wú)異常可以不進(jìn)行抽采，前探鉆孔有“噴孔”現(xiàn)象則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況補(bǔ)充5～10個(gè)3#煤層底板鉆孔并連管抽采。采用該方案可實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯的分源、分重點(diǎn)、分區(qū)域治理。