采空区瓦斯来源判识与量化分析

曹佳兴，张尔辉

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

瓦斯事故作为矿山安全的主要制约因素之一，严重威胁着广大职工的财产和生命安全。瓦斯事故的预防和治理是保障安全生产的重要举措。采空区瓦斯混合气体来源广泛，对采空区瓦斯来源进行量化分析对提高采空区瓦斯抽采率、合理设计抽采工艺和参数具有指导意义[1]。

研究学者认为，采空区瓦斯来源源主要包括煤壁涌出[2]、落煤涌出[3]、采空区遗留涌出[4]及邻近层涌出[5]。在进行采空区瓦斯来源分析的研究中，众多学者从理论计算[6]、相似模拟[7]、数值模拟计算[8]等方面着手。传统的采空区瓦斯分源判识包括统计分析[9]、神经网络[10]、灰色系统[11]和分源计算[1]等多种方法。分源计算方法具有适用性强、准确度高、系统完善等优势，逐渐成为采空区瓦斯来源量化分析的主要手段之一。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[12]。通过研究采空区气体样本，测试样本气体组分和碳同位素值，进而确定采空区瓦斯成分和来源分布，可作为采空区瓦斯来源量化分析的重要研究手段[13-15]。

传统的采空区瓦斯来源量化判识研究成果能在一定程度上反映采空区瓦斯来源特征和涌出规律，在调高准确度和多煤层联合分析等方面还有一定的提升空间。本文在前人研究的基础上，以山西某矿二号井9#煤和15#煤采空区为研究对象，通过采空区混合气体样本的采集和测试，分析9#煤、15#煤及其邻近层瓦斯气体组分及稳定同位素组成，进而确定稳定采空区瓦斯来源体积结构和瓦斯来源动态演化规律，建立一种基于分源计算模型的采空区瓦斯来源量化分析方法，对瓦斯的预防和治理具有指导意义。

1 稳定碳同位素识别物质来源的机理

碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一，碳元素由l2C和13C两种稳定性同位素组成，一般作为物质溯源和断代的主要标识物，于12C和13C在中子数量(质量)上的差异性，通常用相对量来表示其同位素组成，也就是用同位素比率δ值表示。

δ13C=[(13C/12C)样/(13C/12C)PDB-1]×1000

在煤成气过程中，由于植物的分馏作用，导致各层煤(气)的不平衡和差异。这种同位素的不平衡性和差异性，是研究工作面不同邻近层气源判别的理论基础和基本技术原理[12]。通常C3植物的δ13C值在-20‰～-35‰之间，平均值为-27‰。C4植物的δ13C值在-9‰～-17‰之间，平均值为-13‰。而CAM植物由于利用了C3和C4途径，其13C值介于C3与C4植物对应值之间。

2 混合气体样本采集和测试

为全面准确地对山西某矿2号井9#煤和15#煤采空区瓦斯来源量化分析，采集了9#煤和15#煤采空区的稳定采空区气样，采集装置如图1所示。测试气样组分和碳氢同位素值，详细掌握各井区主采煤层混合气样来源占比的结构特征和动态变化规律，借此分析混合气体的来源层。混合瓦斯样品采集方案如下：

图1 采空区横贯临时密闭内气体的采集示意图1—密闭墙；2—观测管；3—采样管；4—吸气筒；5—采样袋

回采工作面采空区混合气体检测方法：在二号井97307、153304工作面采空区，实施定时定点连续采样，采样地点为采空区固定采样点，采样频率为每个地点每3天定时取一次样，其中97307工作面采空区连续取气49天，共计取18组气样，153304工作面采空区连续取气41天，共计取17组气样。稳定采空区混合气体考察方法：在二号井97301、97303、97305稳定采空区，153301、153302稳定采空区实施采样，采样地点为采空区密闭墙外抽采管观测孔。其中97301、97303、97305稳定采空区一次各取2组气样，153301稳定采空区一次取1组气样，153302稳定采空区一次取2组气样。具体混合气体取样信息如表1所示。

表1 混合气体取样本采集明细表

3 数据处理

3.1 分源模型的建立

混合瓦斯气体中稳定碳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：

(1)

质量是企业求生存谋发展的前提条件。基础设施和材料的质量也直接影响建设施工的质量。企业管理人员对于施工设施要进行科学合理的管控。加大资金投入量，在材料采购和设备采购方面做到择优选取。积极引进一些新设备、新材料、新工艺，严格把控技术、设备、材料等方面的质量。减少企业施工中的安全隐患。

根据定义，以二源混合煤层气中CH4的碳同位素值为例，假设第一煤层的解吸气体中CH4的碳同位素值为δA，同时假设单位体积的混合气体中来自第一煤层的解吸气体中CH4的体积为VA；假设第二煤层的解吸气体中CH4的碳同位素值为δB，以及单位体积的混合气体来自第二煤层的解吸气体中CH4的体积为VB。将两组CH4混合，混合气体中CH4的碳同位素值为δmix。则二源混合气体的碳同位素值的计算公式为：

(2)

δmix、δA、δ均可通过气体同位素质谱仪测出。

此时，对于单位体积的混合气体，有：

VA=a·XA，VB=b·XB

代入公式(2)中，可得二源煤层气分源识别模型：

(3)

其中，a、b分别为该混合气体中来自第一煤层的气体和来自第二煤层气体的占比，且a+b=1，a、b均为未知值。XA为来自第一煤层的解吸气体中CH4的含量，XB为来自第二煤层气体中CH4的含量，XA、XB可通过气相色谱仪测出；δA为第一煤层的解吸气体中CH4的碳同位素值，δB为第二煤层的解吸气体中CH4的碳同位素值，δmix为第一煤层和第二煤层的混合气体中的CH4的碳同位素值，δmix、δA、δ可通过气体同位素质谱仪测出[16]。

将检测到的XA、XB、δmix、δA、δ值代入式(3)中，即可得出a、b的值。由此，对于多源煤层气，针对其中的一个组分气体，可有：

(4)

其中，XA、XB、XC、XD、XE…为该多个煤层中各煤层的解吸气体中一个组分气体的含量，其值可通过气相色谱仪测出；δmix为该混合气体中该一个组分气体的同位素值；δA、δB、…、δN为该多个煤层中各煤层的解吸气体中该一个组分气体的同位素值。δmix、δA、δB、…、δN的值可通过气体同位素质谱仪测出。

3.2 分源算法优化

图2 煤层综合柱状图及位置关系

基于上述分析，在混合瓦斯涌出动态分析过程中，可将5#、7#、8-1#、8-2#合并作为一个单独端元，完成五端元分源分析计算，进而揭示9#和15#煤层瓦斯涌出的动态演化规律。据此，为了适应新的五端元分源算法，本文根据该矿瓦斯地质特征，将5#、7#、8-1#、8-2#四组煤层的稳定碳氢同位素和组分值进行合并计算，得出新煤层解吸气组分与同位素特征值统计表，见表2。

表2 合并计算的煤层解吸气组分与同位素特征值统计表

3.3 工程应用

3.3.1 稳定采空区瓦斯来源体积结构分析

9#煤稳定采空区有97301、97303、97305。混合气体样本采样工作分两次完成。稳定采空区3组混合瓦斯气样的稳定碳氢同位素和组分测试结果见表3。

表3 9#煤稳定采空区混合瓦斯气样组分和碳氢同位素测试值

将表3所列的97301、97303、97305稳定采空区混合瓦斯碳氢同位素和组分实测结果，运用计算模型进行集中计算，就可以得出97301、97303、97305稳定采空区的各层详细来源体积比例，分源体积比数据见表4。

表4 9#煤稳定采空区混合瓦斯气样分源比例明细表

将表4作成饼图就能明显看出97301、97303、97305稳定采空区的瓦斯来源体积结构，如图3所示。由图3可以得出97301、97303、97305稳定采空区的瓦斯来源体积结构特征为：1) 9#稳定采空区瓦斯涌出来源以15#煤层为主，平均体积占比49.7%，9#本煤层瓦斯平均体积占比34%，578#煤瓦斯来源在9#稳定采空区平均体积占比仅9.7%，2#和3#占比较少，平均体积占比仅6.7%。2) 15#煤瓦斯是9#煤稳定采空区的最大瓦斯来源，平均体积占比49.7%。从采空区“下三带”理论计算分析，认为9#和下覆15#煤的平均间距28m，15#煤处于9#煤的底板弯曲变形带，在9#煤的底板卸压保护范围内，瓦斯来源分析结果验证了这一观点。9#煤同等赋存条件工作面采空区瓦斯防治的重点仍应是15#煤层。

图3 9#煤稳定采空区瓦斯来源结构饼图

15#煤稳定采空区有153301、153302。混合气体样本采样工作同样分两次完成。稳定采空区两组混合瓦斯气样的稳定碳氢同位素和组分测试结果见表5。

表5 15#煤稳定采空区混合瓦斯气样组分和碳氢同位素测试值

将表5所列的153301、153302稳定采空区混合瓦斯碳氢同位素和组分实测结果，运用计算模型进行集中计算，就可以得出153301、153302稳定采空区的各层详细来源体积比例，分源体积比数据见表6。

表6 15#煤稳定采空区混合瓦斯气样分源比例明细表

将表6拟合成饼图就能明显看出153301、153302稳定采空区的瓦斯来源体积结构，如图4所示。由图4可得出153301、153302稳定采空区的瓦斯来源体积结构特征为：1) 15#稳定采空区瓦斯涌出来源以15#本煤层为主，平均体积占比68%，9#煤层瓦斯平均体积占比23.5%，578#煤瓦斯来源在15#稳定采空区平均体积占比仅6.5%，2#和3#占比极少，总计不超过4%，可忽略。2) 15#煤稳定采空区最大瓦斯来源是15#本煤层，平均体积占比68%。从采空区“下三带”理论计算分析，认为15#和上覆9#煤的平均间距28 m，9#煤处于15#煤的顶板弯曲下沉带，在15#煤的顶板卸压保护范围内，9#稳定采空区瓦斯来源结构研究结果验证了这一观点。15#煤同等赋存条件工作面采空区瓦斯防治的重点仍是15#本煤层。

图4 采空区瓦斯来源结构饼图

3.3.2 采空区瓦斯来源动态演化规律分析

为了比较分析9#和15#工作面采空区瓦斯来源随采动时空的动态演化规律，将97307采样数据拟合成曲线就能明显看出97307工作面采空区自2019年8月10日开始，至2019年9月11日共计33天时间周期内的瓦斯来源动态演化规律，如图5所示。根据图5可以分析得出97307正常回采期间采空区各层瓦斯来源的动态变化特征。观察初期(时间为回采工作面推过观察点15天，空间为距离观察点0～43 m的范围内)，97307工作面采空区瓦斯涌出来源体积以9#本煤层为主，平均体积占比58%，但此期间9#本煤层的解吸瓦斯体积占比不断下降，降幅为72%～47%。同期其近邻近层15#煤解吸瓦斯体积占比逐渐上升，升幅为22%～51%，平均体积占比36.8%。其他邻近层解吸瓦斯体积占比很小，可以忽略。观察中后期(时间为回采工作面推过观察点15～33天，空间为距离观察点43～207 m的范围内)，97307工作面采空区瓦斯涌出来源体积以15#邻近层为主，平均体积占比59%，且其体积占比继续上升升幅为52%～66%。此期间9#本煤层的解吸瓦斯体积占比继续下降，降幅为42%～28%，平均体积占比33.6%。其他邻近层解吸瓦斯体积占比同样很小，可以忽略。)从97307工作面采空区的瓦斯来源体积结构看，15#煤是9#煤稳定采空区的最大瓦斯来源，总平均体积占比51.3%。

图5 97307工作面回采期间采空区瓦斯来源分源示踪曲线

将153304采样数据拟合成曲线就能明显看出153304工作面采空区自2019年8月10日开始，至2019年9月11日这33天时间周期内的瓦斯来源动态演化规律，如图6所示。根据图6可以分析得出153304工作面正常回采期间采空区各层瓦斯来源的动态变化特征。在整个33天观察时间周期内，从观察点到工作面0～288m的空间范围内，153304工作面采空区瓦斯涌出来源体积以15#本煤层为主，平均体积占比78%，但此期间15#本煤层的解吸瓦斯体积占比稳步下降，最大降幅为90%～68%。同期其近邻近层9#煤解吸瓦斯体积占比逐渐上升，升幅为6%～22%，平均体积占比15%。其他邻近层中，578合层瓦斯体积占比平均6.1%，上组煤解吸瓦斯体积占比很小，可以忽略。

图6 153304工作面回采期间采空区瓦斯来源分源示踪曲线

4 结论

(1) 9#煤、15#煤采空区混合气体组分和稳定碳元素均存在差异，因此可以利用分源计算方法对采空区瓦斯来源进行量化分析。且在混合瓦斯涌出动态分析过程中，可将5#、7#、8-1#、8-2#合并作为一个单独端元，完成五端元分源分析计算。

(2) 9#稳定采空区瓦斯涌出来源以15#煤层为主，平均体积占比49.7%，9#本煤层瓦斯平均体积占比34%，578#煤瓦斯来源在9#稳定采空区平均体积占比仅9.7%，2#和3#占比较少，平均体积占比仅6.7%。

(3) 15#稳定采空区瓦斯涌出来源以15#本煤层为主，平均体积占比68%，9#煤层瓦斯平均体积占比23.5%，578#煤瓦斯来源在15#稳定采空区平均体积占比仅6.5%，2#和3#占比极少，总计不超过4%，可忽略。