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      近距離突出煤層群聯(lián)合抽采瓦斯溯源技術(shù)研究

      2022-04-22 06:03:02韓承強(qiáng)
      煤礦安全 2022年4期
      關(guān)鍵詞:同位素瓦斯組分

      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)。

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