近距離突出煤層群聯(lián)合抽采瓦斯溯源技術(shù)研究

韓承強(qiáng)

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

我國(guó)近距離突出煤層群賦存的礦區(qū)分布廣泛，特別是西南云、貴、川地區(qū)這種情況尤為多見(jiàn)[1-2]。針對(duì)這種情況我國(guó)大多數(shù)礦井采用在頂、底板巖石巷道中布置穿層鉆孔聯(lián)合抽采多個(gè)煤層瓦斯的方法進(jìn)行瓦斯治理，該方法能提升抽采鉆孔利用率、降低瓦斯治理成本。但采用該方法抽采的是多個(gè)煤層的瓦斯混合氣體，依靠煤礦常用的瓦斯抽采量計(jì)量技術(shù)及儀器，無(wú)法準(zhǔn)確分層計(jì)量其中單一煤層的實(shí)際瓦斯抽采量[3-5]。也就無(wú)法根據(jù)各煤層瓦斯抽采量準(zhǔn)確計(jì)算各煤層的殘余瓦斯含量并對(duì)各煤層抽采效果進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)判，從而對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成隱患。

多數(shù)礦井在進(jìn)行殘余瓦斯含量計(jì)算時(shí)主要根據(jù)煤層厚度或原始瓦斯含量進(jìn)行混源瓦斯比例確定，采用這種方法所確定的混元瓦斯比例準(zhǔn)確度較差，科學(xué)依據(jù)不足，因此開(kāi)展煤層群聯(lián)合抽采瓦斯溯源技術(shù)研究，準(zhǔn)確確定混源瓦斯比例，精確計(jì)量單一煤層瓦斯抽采量，仍然是礦井瓦斯治理中一項(xiàng)重要的課題。

碳?xì)渫凰胤ㄔ诿旱V回采工作面采空區(qū)內(nèi)煤層瓦斯來(lái)源研究方面得到了廣泛應(yīng)用，劉會(huì)虎等[6]通過(guò)對(duì)比分析采空區(qū)瓦斯甲烷穩(wěn)定碳?xì)渫凰?、乙烷碳同位素及二氧化碳的穩(wěn)定碳位素與目標(biāo)層位解吸瓦斯中同類穩(wěn)定同位素差異，結(jié)合采空區(qū)涌出瓦斯、本煤層及鄰近層解吸瓦斯組分體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)行同位素分源數(shù)值計(jì)算，確立采空區(qū)瓦斯來(lái)源；周偉等[7]以沁水盆地寺河礦為研究區(qū)，通過(guò)分層采集煤體解吸瓦斯，測(cè)試了3#煤層及其7 層鄰近煤層解吸瓦斯中CH4、C2H6、CO2的穩(wěn)定碳同位素、CH4氫同位素及瓦斯組成成分，分析了本煤層、鄰近煤層解吸瓦斯組分及穩(wěn)定碳?xì)渫凰胤植继卣?，建立了基于穩(wěn)定碳?xì)渫凰睾徒M分特征值的采空區(qū)瓦斯分源計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)沿走向采空區(qū)內(nèi)各煤層瓦斯來(lái)源的量化分源計(jì)算，并完成了與傳統(tǒng)分源預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析；高宏等[8]通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的煤樣和瓦斯氣樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室氣體組分分析和碳?xì)渫凰販y(cè)試，分析單一煤層瓦斯氣體和多個(gè)煤層混合瓦斯氣體對(duì)應(yīng)的δ13C（CH4），δD（CH4）和δ13C（CO2）等碳、氫同位素組成差異，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，確定所取氣樣中回采工作面多源瓦斯來(lái)源及比例。

基于此，采用碳同位素法，通過(guò)獲得煤礦井下不同煤層瓦斯氣體組分和碳同位素值賦存特性，溯源識(shí)別多個(gè)煤層瓦斯混合氣體中瓦斯來(lái)源，確定各煤層瓦斯抽采量的體積占比，并采用分層計(jì)量方法現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為煤層群瓦斯聯(lián)合抽采效果評(píng)判提供理論依據(jù)。

1 碳同位素法及計(jì)算原理

1.1 碳同位素定義

穩(wěn)定同位素地球化學(xué)主要研究自然界中穩(wěn)定同位素的豐度及其變化規(guī)律[9-10]。

碳元素?fù)碛?2C與13C 2 個(gè)穩(wěn)定同位素，國(guó)際認(rèn)可的PDB 標(biāo)準(zhǔn)樣品中12C 的豐度為98.892%，13C的豐度為1.108%。

碳同位素值δ13C 可由下式定義。

式中：（13C/12C）sample為測(cè)試樣品的13C/12C 豐度比；（13C/12C）standard為標(biāo)準(zhǔn)樣品的13C/12C 豐度比。

1.2 混源瓦斯氣體比例計(jì)算模型

包含碳元素的瓦斯氣體組分主要有CH4和CO2。

以CH4碳同位素為例，根據(jù)混源氣體碳同位素的化學(xué)組成質(zhì)量守恒原則，假設(shè)3 個(gè)煤層瓦斯混合時(shí)，可以從碳同位素值的定義推導(dǎo)得到混合瓦斯CH4碳同位素值δ13C（CH4）mix：

式中：δ13C（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；δ13C（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；δ13C（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4碳同位素值；v（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4體積；v（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4體積；v（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4體積。

瓦斯的CH4體積可以表示為：

式中：V1為第1 組煤層瓦斯體積；V2為第2 組煤層瓦斯體積；V3為第3 組煤層瓦斯體積；w（CH4）1為第1 組煤層瓦斯的CH4組分含量；w（CH4）2為第2 組煤層瓦斯的CH4組分含量；w（CH4）3為第3 組煤層瓦斯的CH4組分含量。

在不考慮氣體分子之間的化學(xué)反應(yīng)的前提下，3組瓦斯氣體混合后的總體積為V1+V2+V3，因此3 組瓦斯在混合體積中所占比例分別為a=V1/（V1+V2+V3）、b=V2/（V1+V2+V3）和c=V3/（V1+V2+V3），代入式（2）～式（3）。

同理，可以聯(lián)合混合瓦斯的CO2碳同位素，建立混源瓦斯氣體比例計(jì)算模型：

式中：δ13C（CO2）mix為混合瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）1為第1 組瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）2為第2 組瓦斯CO2碳同位素值；δ13C（CO2）3為第3 組瓦斯CO2碳同位素值；w（CO2）1為第1 組瓦斯CO2組分含量；w（CO2）2為第2 組瓦斯CO2組分含量；w（CO2）3為第3 組瓦斯CO2組分含量。

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試3 組瓦斯和混合瓦斯的CH4和CO2組分含量和碳同位素值，可以分別解算得到3 組瓦斯氣體在混合體積中所占比例。

2 礦井煤層賦存及瓦斯治理概況

貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦（簡(jiǎn)稱“小屯煤礦”）為生產(chǎn)礦井，位于黔西北礦區(qū)，含煤地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l），含可采及局部可采煤層6層，自上而下編號(hào)為：6上煤層、6中煤層、6下煤層、7號(hào)煤層、33 號(hào)煤層、34 號(hào)煤層。6上煤層、6中煤層、6下煤層及7 號(hào)煤層均為突出煤層，其最大瓦斯壓力分別為1.00、0.96、0.75、0.95 MPa。6上、6下煤層平均分別距6中煤層2.60 m 和4.43 m，是典型的近距離突出煤層群。

小屯煤礦采用預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，即在6下煤層底板布置的瓦斯抽放巷內(nèi)施工穿層鉆孔對(duì)6上、6中、6下煤層采、掘工作面瓦斯進(jìn)行聯(lián)合預(yù)抽。

3 方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采用分層計(jì)量和碳同位素考察2 種方案對(duì)比分析，選擇具有代表性的地點(diǎn)施工鉆孔，統(tǒng)計(jì)抽采鉆孔流量，并采集單一煤層及多煤層混合瓦斯氣樣。

3.1 分層計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)考察方案

選擇16中13 運(yùn)順底抽巷（里程K0+500 m～K0+680 m 范圍）作為試驗(yàn)區(qū)域，布置4 組分層計(jì)量考察鉆孔，組間距20 m，每組鉆孔10 個(gè)，巷道兩幫各5個(gè)，鉆孔間距5 m，鉆孔傾角45°，孔徑94 mm。鉆孔布置具體如下：

1）第1 組：鉆孔編號(hào)1-1 至1-5 為1（A）組，1-6 至1-10 為1（B）組，鉆孔里程位置為K0+620～K0+680 m，依次穿過(guò)6下、6中、6上煤層，封孔至6下煤層底板，同時(shí)抽采6下+6中+6上煤層瓦斯。

2）第2 組：鉆孔編號(hào)2-1 至2-5 為2（A）組，2-6 至2-10 為2（B）組，鉆孔里程位置為K0+580～K0+640 m，依次穿過(guò)6下、6中、6上煤層，封孔至6中煤層底板，同時(shí)抽采6中+6上煤層瓦斯。

3）第3 組：鉆孔編號(hào)3-1 至3-5 為3（A）組，3-6 至3-10 為3（B）組，鉆孔里程位置為K0+540～K0+600 m，依次穿過(guò)6下、6中煤層，封孔至6中煤層底板，僅抽采6中煤層瓦斯。

4）第4 組：鉆孔編號(hào)4-1 至4-5 為4（A）組，4-6 至4-10 為4（B）組，鉆孔里程位置為K0+500～K0+560 m，僅抽采6下煤層瓦斯。

鉆孔封孔完成后采用PE 管（50 mm）連抽，每組鉆孔單獨(dú)接入抽采支管（108 mm）并安裝自動(dòng)測(cè)流計(jì)量裝置，分層計(jì)量考察鉆孔布置如圖1。

圖1 分層計(jì)量考察鉆孔布置圖Fig.1 Layout of drilling hole for stratified measurement survey

3.2 碳同位素考察方案

在施工的分層計(jì)量鉆孔和后續(xù)補(bǔ)充的取樣鉆孔中分別采集6上、6中、6下、6上+6中、6上+6中+6下單一煤層和多煤層混合瓦斯氣樣，氣樣采集鉆孔布置圖如圖2。

圖2 氣樣采集鉆孔布置圖Fig.2 Layout plan of gas sampling boreholes

1）6中煤層氣樣取樣點(diǎn)。3-1、3-2、3-3、3-6、3-8號(hào)鉆孔；16中11 運(yùn)輸巷里程K0+544 m 處、K0+695 m 處、K0+845 m 處；16中14 軌道巷里程K0+275 m處、K0+390 m 處，樣品編號(hào)為6中-1 至6中-10。

2）6下煤層氣樣取樣點(diǎn)。4-6、4-7、4-8、4-9、4-10 號(hào)鉆孔。樣品編號(hào)為6下-1 至6下-5。

3）6上煤層氣樣取樣點(diǎn)。16中14 軌道巷里程K0+275 m、K0+328 m、K0+390 m、K0+625 m、K0+630 m、K0+655 m 處，樣品編號(hào)為6上-1 至6上-6。

4）6下+6中+6上煤層混合氣樣取樣點(diǎn)。1-1、1-2、1-3、1-6、1-8 號(hào)鉆孔，樣品編號(hào)為6下+6中+6上-1至6下+6中+6上-5。

5）6中+6上煤層混合氣樣取樣點(diǎn)。2-2、2-3、2-5、2-7、2-10 號(hào)鉆孔，樣品編號(hào)6中+6上-1 至6中+6上-5。

4 結(jié)果分析

4.1 分層計(jì)量考察結(jié)果

分層計(jì)量考察鉆孔從2019 年10 月25 日開(kāi)始計(jì)量，連續(xù)觀測(cè)130 d 抽采支管瓦斯抽采純量，分層計(jì)量考察組鉆孔瓦斯抽采純量如圖3。

從圖3 可以看出：

圖3 分層計(jì)量考察組鉆孔瓦斯抽采純量Fig.3 Gas drainage net quantity of boreholes in layered measurement investigation group

1）1（A）組鉆孔瓦斯抽采純量94.1～153.8 m3/d，平均121.2 m3/d；1（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為97.6～136.6 m3/d，平均119.4 m3/d。

2）2（A）組鉆孔瓦斯抽采純量73.7～119.0 m3/d，平均92.5 m3/d；2（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為73.4～107.3 m3/d，平均90.5 m3/d。

3）3（A）組鉆孔瓦斯抽采純量49.7～87.5 m3/d，平均67.0 m3/d；3（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為53.5～87.4 m3/d，平均72.3 m3/d。

4）4（A）組鉆孔瓦斯抽采純量18.0～38.5 m3/d，平均30.5 m3/d；4（B）組鉆孔瓦斯抽采純量為22.3～43.5 m3/d，平均31.6 m3/d。

6上煤層平均瓦斯抽采純量用2 種插值方法得到：①將6上+6中+6下聯(lián)合抽采量分別減去6中和6下抽采量；②將6上+6中聯(lián)合抽采量減去6中抽采量。

分層計(jì)量組的煤層群混源比例計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 可知：不同插值計(jì)算方法得到的6上煤層平均瓦斯抽采純量，A 組鉆孔分別為23.7 m3/d 和25.5 m3/d，B 組鉆孔分別為15.5 m3/d 和18.2 m3/d，說(shuō)明在誤差允許范圍內(nèi)不同差值計(jì)算方法結(jié)果基本一致。聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，6上、6中和6下混合比例中6上煤層占12.98%～19.55%，6中煤層占55.28%～60.55%，6下煤層占25.17～26.47%。其中6中煤層的混合比例最大，同樣占據(jù)主導(dǎo)地位。

表1 分層計(jì)量組的煤層群混源比例計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of mixed source ratio of coal seam group in layered measurement group

4.2 碳同位素考察結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件共采集31 組氣樣，對(duì)其進(jìn)行組分含量和碳同位素值測(cè)試，氣體組分和碳同位素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 氣體組分和碳同位素測(cè)試結(jié)果Table 2 Gas composition and carbon isotope test results

根據(jù)煤層氣體組分含量及其碳同位素值測(cè)定結(jié)果，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行典型性分析，去除明顯異常的數(shù)據(jù)，采用均值法得到各個(gè)煤層和聯(lián)合抽采瓦斯氣體組分均值含量及其碳同位素均值，各個(gè)煤層瓦斯氣體組分及碳同位素均值見(jiàn)表3。

表3 各個(gè)煤層瓦斯氣體組分及碳同位素均值Table 3 Average value of gas composition and carbon isotope of each coal seam

將表3 中確定的瓦斯組分和碳同位素均值代入式（4）中，運(yùn)用MATLAB 軟件對(duì)6上+6中+6下煤層聯(lián)合抽采和6上+6中煤層聯(lián)合抽采建立的非齊次線性方程組進(jìn)行解算，碳同位素考察的混源比例計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 碳同位素考察的混源比例計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of mixed source ratio for carbon isotope investigation

由表4 可知，聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，6上、6中和6下混合比例中6上煤層占10.82%～24.54%，6中煤層占57.81%～69.58%，6下煤層占5.88～31.37%。其中6中煤層的混合比例最大，占據(jù)主導(dǎo)地位。聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，6上和6中煤層混合比例中6上煤層占15.77%～26.08%，6中煤層占73.92%～84.23%；與聯(lián)合抽采6上+6中煤層時(shí)6上煤層混合比例（25.95%）和6中煤層混合比例（74.05%）基本一致，說(shuō)明基于碳同位素的混合比例計(jì)算結(jié)果對(duì)3 個(gè)煤層中任意2 個(gè)聯(lián)合抽采煤層均適用。

4.3 2 種方法結(jié)果對(duì)比

1）聯(lián)合抽采6上+6中+6下煤層時(shí)，碳同位素法和分層計(jì)量方法計(jì)算的6上、6中和6下煤層混合比例基本一致，6中煤層瓦斯抽采量占據(jù)主導(dǎo)地位，6上煤層和6下煤層瓦斯抽采量占比均較小。

2）受煤層厚度、原始瓦斯含量、巖層含氣、層間距等多重因素的影響，近距離煤層群抽采混源瓦斯比例仍無(wú)法精確確定，煤礦現(xiàn)場(chǎng)抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判殘余瓦斯含量計(jì)算中以分層計(jì)量方法和碳同位素法計(jì)算結(jié)果均值為準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算，小屯煤礦6上、6中、6下煤層聯(lián)合抽采的混源瓦斯氣體中，6上煤層占16.97%，6中煤層占60.81%，6下煤層占22.22%。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以16中14 工作面里段（0～300 m）為例，6中煤層平均厚度約1.8 m；6上煤層底板距6中煤層頂板法線平均距離約2.2 m，煤層平均厚度0.81 m；6下煤層頂板距6中煤層底板法線平均距離約4.7 m，煤層平均厚度0.96 m。6上、6中、6下煤層原始瓦斯含量最大分別為9.23、12.47、9.56 m3/t，在16中14 運(yùn)輸?shù)壮橄锸┕ご宇A(yù)抽鉆孔預(yù)抽時(shí)間近3 個(gè)月時(shí)間，抽出瓦斯量為1 260 843 m3。利用碳同位素法和分層計(jì)量法確定的混源瓦斯氣體比例均值計(jì)算的6上、6中、6下煤層殘余瓦斯含量分別為5.66、5.81、5.39 m3/t，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)6上、6中、6下煤層最大殘余瓦斯含量分別為5.47、5.84、5.62 m3/t。計(jì)算殘余瓦斯含量與實(shí)測(cè)瓦斯含量相比較，其偏差比例分別為3.5%、0.5%、4.1%，最大偏差不超過(guò)實(shí)測(cè)瓦斯含量的5%。

6 結(jié) 語(yǔ)

1）利用碳同位素法和分層計(jì)量方法計(jì)算的小屯煤礦6上+6中+6下煤層群聯(lián)合抽采混源瓦斯比例基本一致，說(shuō)明利用碳同位素法進(jìn)行煤層群聯(lián)合抽采混源瓦斯比例的計(jì)算是可行的。

2）近距離煤層群瓦斯立體抽采混源比例受煤層厚度、原始瓦斯含量、巖層含氣、層間距等多重因素的影響，混源瓦斯抽采比例仍無(wú)法精確確定，利用分層計(jì)量方法和碳同位素法計(jì)算所得的混源瓦斯比例為1 個(gè)區(qū)間數(shù)值，因此，煤礦現(xiàn)場(chǎng)在抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判殘余瓦斯含量計(jì)算中以2 種方法計(jì)算結(jié)果的均值為準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算，小屯煤礦6上、6中、6下煤層聯(lián)合抽采的混源瓦斯氣體中，6上煤層占16.97%，6中煤層占60.81%，6下煤層占22.22%。6中煤層瓦斯抽采量占據(jù)主導(dǎo)地位。

3）經(jīng)小屯煤礦16中14 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，利用碳同位素法和分層計(jì)量方法計(jì)算結(jié)果均值確定的混元瓦斯比例得到的單一煤層瓦斯抽采量計(jì)算的殘余瓦斯含量與實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量偏差在5%以內(nèi)。