瓦斯源識(shí)別與示蹤技術(shù)在新景公司的應(yīng)用研究

白 杰

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

陽(yáng)煤礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層瓦斯含量高，給煤層開采帶來(lái)潛在危害[1]。在開采過(guò)程中，瓦斯一旦釋放（或突出），很難定量識(shí)別混合瓦斯氣體來(lái)源及源貢獻(xiàn)比例，難以進(jìn)行科學(xué)、有效的治理和防護(hù)工作。如何定量解析混合瓦斯氣體，已成為煤礦安全開采過(guò)程中瓦斯防治的重要任務(wù)之一。

本次研究結(jié)合煤田地質(zhì)學(xué)、巖石礦物學(xué)、統(tǒng)計(jì)分析等多學(xué)科交叉理論，從微尺度辨識(shí)煤層群混合瓦斯氣體的來(lái)源，定量來(lái)源的貢獻(xiàn)比例，完成煤層群開采瓦斯分源預(yù)測(cè)技術(shù)體系的建立，為礦井瓦斯治理和安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。掌握研究工作面煤及其瓦斯中元素的含量及分布特征，研究煤與瓦斯中元素地球化學(xué)的相關(guān)性，定量確定混合瓦斯中不同端源（煤層）所占的比例，可為工作面煤層瓦斯的治理提供技術(shù)支持。

通過(guò)對(duì)煤有機(jī)碳同位素值、瓦斯中碳同位素值及其分布規(guī)律進(jìn)行分析，通過(guò)煤層不同位置有機(jī)碳同位素值的差異來(lái)解決煤層瓦斯氣體來(lái)源識(shí)別問(wèn)題。按不同來(lái)源的氣體，采用不同含量進(jìn)行混合測(cè)試，以確定不同含量級(jí)中混合氣體的物質(zhì)組成特征，為以后識(shí)別混合氣體的來(lái)源和含量提供論據(jù)。

1 工程概況

新景礦現(xiàn)開采3號(hào)、8號(hào)和15號(hào)煤層。2005年經(jīng)煤科總院撫順研究院鑒定，新景礦為突出礦井，3號(hào)煤層為突出煤層。其中強(qiáng)度最大的一次為2012年6月19日發(fā)生于保安3#煤北一出煤巷的突出，突出煤量202.99 t，瓦斯量15 862 m3。

隨著開采深度和開發(fā)強(qiáng)度的加大，開采地域向地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜的井田西部推進(jìn)，瓦斯突出綜合指標(biāo)D值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，由1.39增至6.72，瓦斯壓力增加到1.75 MPa以上，突出危險(xiǎn)性增大[2]。

2 煤層樣品采集及測(cè)試

2.1 樣品采集

通過(guò)采集煤礦開采過(guò)程中涉及的主要煤層煤樣以及不同抽采方式所得的混合瓦斯樣品，高精度測(cè)試了煤中特征微量元素和有機(jī)碳同位素值以及混合瓦斯氣體中甲烷、二氧化碳等氣體成分中的碳同位素值。煤樣和氣體樣品采集情況見表1。

表1 樣品采集統(tǒng)計(jì)表

2.2 樣品測(cè)試

（1）煤中微量元素測(cè)試

將采集的塊狀樣品進(jìn)行篩選、分樣及研磨，以達(dá)到測(cè)試分析所需要的樣品粒度[3]。標(biāo)注好樣品編號(hào)、研磨粒徑以及簡(jiǎn)單的樣品描述。對(duì)煤等固體樣品進(jìn)行消解。為了保證樣品消解過(guò)程中測(cè)試元素的不損失，所有樣品均采用微波消解。

（2）瓦斯碳同位素測(cè)試

Delta Plus穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀通過(guò)CONFLO III設(shè)備，與Flash EA 1112元素分析儀聯(lián)用自動(dòng)連續(xù)分析有機(jī)樣品中的C和N同位素，或與元素分析儀TC/EA聯(lián)用，經(jīng)過(guò)高溫分解自動(dòng)連續(xù)分析有機(jī)樣品中的O同位素。Delta Plus與HP 6890 GC聯(lián)用用于有機(jī)樣品的氣相色譜的自動(dòng)分析及有機(jī)分子化合物的有機(jī)碳同位素分析，或與預(yù)濃縮設(shè)備PreCon聯(lián)用，用于CH4、N2O等痕量氣體的含量和同位素自動(dòng)分析。

3 煤層微量元素含量分布特征

3.1 微量元素含量分布情況

表2列出了新景礦3#、6#、8#、9#、15#煤層中24種元素的含量范圍及其平均值，不同煤層間微量元素變化幅度較大。

從表2可以看出，新景礦煤中的某些微量元素含量在同一煤層中變化較大，往往相差有數(shù)量級(jí)的差別，說(shuō)明同一煤層在成煤過(guò)程的不同時(shí)段內(nèi)成煤環(huán)境發(fā)生了較大的改變。同時(shí)，不同煤層中微量元素的平均含量存在較大不同，說(shuō)明不同煤層在形成過(guò)程中的成煤環(huán)境也有所變化，從而引起煤層中微量元素的富集有所不同。

表2 新景礦不同煤層樣品微量元素含量特征（μg/g）

3.2 微量元素含量分布特征分析

不同煤層中微量元素的分布具有明顯的差異，其中含量差別較大微量元素，即可以作為煤層的特征微量元素。3#煤層煤中Ba元素的含量明顯低于其他煤層，因此可作為3#煤層的特征微量元素；6#煤層煤中Ba、B和Bi元素的含量明顯低于其他煤層，而Cr、Li和Mn元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層煤中相應(yīng)元素的含量，因此可作為6#煤層的特征微量元素；9#煤層煤中Cd元素的含量明顯低于其他煤層，而Fe、Mg、As、Co、Sn、Ti、Zn、Ni、Pb、B、Bi、V、Mn、Ga和Sb元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層煤中相應(yīng)元素的含量，因此可作為9#煤層的特征微量元素；15#煤層煤中Al、As、Sr和B元素的含量遠(yuǎn)高于其他煤層，因此可作為15#煤層的特征微量元素。

4 混合瓦斯來(lái)源定量分析

本次試驗(yàn)測(cè)試分3次在新景礦的不同位置采集抽放管路混合瓦斯樣品，共采集瓦斯樣品20件，對(duì)不同采樣點(diǎn)的混合瓦斯來(lái)源進(jìn)行了精確定量分析，分析了瓦斯源組分變化特征，為瓦斯釋放源的識(shí)別提供科學(xué)論據(jù)。通過(guò)測(cè)試混合瓦斯中碳同位素值后，代入氣源識(shí)別模型中，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，混合瓦斯來(lái)源比例結(jié)果見表3。

從表3可知，新景礦各煤層來(lái)源比例變化范圍較大。其中采集自3213工作面和3214工作面的瓦斯樣品主要來(lái)源于3煤層，范圍在75%～93%之間。采集自8118工作面的瓦斯樣品主要來(lái)源于8煤層，比例均超過(guò)85%。對(duì)于采集自9104工作面的瓦斯樣品，本煤層和采空區(qū)9#煤位置的樣品主要來(lái)源于9煤層，比例為73%～92%；在采空區(qū)-8#煤位置的樣品主要來(lái)源于8煤層，比例為69%～72%。對(duì)于采集自15313工作面的瓦斯樣品，在走向高抽巷采集的樣品主要來(lái)源于8煤層和9煤層，而在低位高抽巷采集的樣品則主要來(lái)源于15煤層，工作面高抽位置采集的樣品主要來(lái)源于8煤層和9煤層。

表3 新景礦瓦斯來(lái)源比例結(jié)果

5 主要結(jié)論

（1）總結(jié)了新景礦3#、8#、9#、15#煤層煤中微量元素的含量、分布特征以及影響因素、有機(jī)碳同位素的變化范圍、變化趨勢(shì)以及影響因素，提出了煤中特征微量元素和特征同位素在煤層對(duì)比中的應(yīng)用、瓦斯碳同位素判別瓦斯來(lái)源的應(yīng)用。

（2）提出對(duì)煤層樣品進(jìn)行測(cè)試與分析，總結(jié)分析了新景礦各煤層微量元素的含量及分布特征，建立不同比例瓦斯混合時(shí)混合氣體的模型。

（3）通過(guò)對(duì)不同煤層碳同位素的測(cè)試分析，對(duì)不同比例混合氣體碳同位素值進(jìn)行了模型建立，根據(jù)實(shí)測(cè)碳同位素值計(jì)算了不同煤層瓦斯氣體在混合氣體中所占的比例，分析了新景礦混合瓦斯氣體來(lái)源比例的變化特征。