一种采空区瓦斯来源综合判断与预测方法

摘要

本发明涉及采空区瓦斯来源综合判断与预测方法，对比分析采空区瓦斯甲烷稳定碳氢同位素、乙烷碳同位素及二氧化碳的稳定碳位素与目标层位解吸瓦斯中同类稳定同位素差异，结合采空区涌出瓦斯、本煤层及邻近层解吸瓦斯组分浓度，通过同位素分源数值计算，确立采空区瓦斯来源，形成一套以同位素判别为基础、结合瓦斯组分分析的综合判别方法。该方法能够更加精确的计算出来自不同端元的瓦斯体积比。通过对采空区瓦斯来源进行判别和预测，制定积极有效的瓦斯抽采工艺、减小了因采空区瓦斯向大气逸散而产生温室效应，有助于实现瓦斯资源绿色开采利用，并取得可观的社会经济和环境效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采领域，尤其涉及一种采空区瓦斯来源综合判断与预测方法。

背景技术

目前，对采空区的研究，多数通过运用渗流力学理论，采用数值模拟手段对采空区瓦斯浓度分布、瓦斯流动和涌出规律进行了研究。在矿井瓦斯涌出预测研究方面，采空区瓦斯涌出理的计算方法有分源计算法、依据老顶垮落前后回风瓦斯涌量的变化估算采空区瓦斯涌出量、作图法等。

通过对国内外采空区瓦斯来源及预测的发展动态分析，可知采空区瓦斯来源复杂、影响因素很多，而绝大部分已开展的研究工作主要基于瓦斯浓度调查和瓦斯流动规律模拟的基础上展开的，虽然对瓦斯来源具备了一些经验认识，多建立在定性认识的基础上，对瓦斯来源于具体煤层认识不清，因而需要在瓦斯来源的综合判别技术上有所突破。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供了一种采空区瓦斯来源综合判断与预测方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种采空区瓦斯来源综合判断与预测方法，包括以下步骤：

S1：确定井田的主采煤层和含瓦斯煤层，对主采煤层和含瓦斯煤层进行采样；

S2：通过解吸实验采集与S1中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层内的瓦斯，测试解吸瓦斯气样的甲烷碳、氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳同位素的δ值及瓦斯组分体积含量，所述δ值为样品的同位素比值相对于标准样品的同位素比值的千分差；

S3：建立多个标准图版，将S2中测试碳氢同位素的数据投点于与之对应的标准图版内；

S4：采集采空区内瓦斯的混合气样，测试混合气样内甲烷稳定碳氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳位素的δ值及瓦斯组分体积含量，并将测试碳氢同位素的的数据投点于与之对应的标准图版内；

S5：将S4中的数据与S2中的数据进行对比，结合S3，采用均值区间推定法判断采空区瓦斯涌出的大致来源。

优选地，所述S2中的标准图版包括甲烷碳同位素图版、乙烷碳同位素图版、二氧化碳碳同位素图版、甲烷氢同位素图版、甲烷碳—乙烷碳同位素综合图版、乙烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板、二氧化碳—甲烷氢同位素综合图板、甲烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板、乙烷碳—甲烷氢同位素综合图板、甲烷碳—甲烷氢同位素综合图版。

优选地，本发明还包括以下步骤：

S6：根据S2，确定各煤层中瓦斯组分体积含量，通过同位素分源数值计算，确定采空区的涌出瓦斯来源，其计算公式如下

σ_混=(v₁×a×σ₁+>2×b×σ₂+>3×c×σ₃+v₄×d×σ₄+…+v_n×m×σ_n)/[(v₁+>2+>3+>4+…+>n)×f]，其中，a-m分别指与S2中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层的某预定组分的体积含量，f指采空区的涌出瓦斯中该预定组分的体积含量，v₁—v_m分别指与S2中标号对应的来源于主采煤层和含瓦斯煤层的瓦斯体积量，σ₁—σ_n分别指S2中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层的瓦斯中某预定组分的碳氢同位素的δ值，σ_混指采空区涌出瓦斯中该预定组分的碳氢同位素的δ值。

优选地，所述预定组分分别为甲烷、乙烷或二氧化碳。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明通过调查主采煤层、含瓦斯煤层及采空区瓦斯甲烷碳同位素、瓦斯乙烷碳同位素、二氧化碳的稳定碳同位素及甲烷氢同位素分布特征，确定井田主采煤层、含瓦斯煤层的甲烷碳、氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳同位素的标准背景值，制作该井田主采煤层、含瓦斯煤层的甲烷碳、氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳同位素标准图版。对比分析采空区瓦斯甲烷稳定碳氢同位素、乙烷碳同位素及二氧化碳的稳定碳位素与对比层位瓦斯中同类稳定同位素差异，结合采空区、本煤层及邻近层瓦斯组分浓度，通过同位素分源数值计算，确立采空区瓦斯来源，形成一套以同位素判别为基础、结合瓦斯组分分析的综合判别方法。该方法能够更加精确的计算出来自不同端元的瓦斯体积比。

通过对采空区瓦斯来源进行判别和预测，有效减少采空区瓦斯向邻近采掘空间渗漏、减小了因采空区瓦斯向大气逸散而产生温室效应，有助于实现瓦斯资源绿色开采利用，并取得可观的社会经济和环境效益。

附图说明

图1是甲烷碳同位素箱式图

图2是乙烷碳同位素箱式图

图3是二氧化碳碳同位素箱式图

图4是甲烷氢同位素箱式图

图5是甲烷碳—乙烷碳同位素综合图板

图6是乙烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板

图7是二氧化碳碳—甲烷氢同位素综合图板

图8是甲烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板

图9是乙烷碳—甲烷氢同位素综合图板

图10是甲烷碳—甲烷氢同位素综合图板

图11是本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1-图11所示，本发明所述一种采空区瓦斯来源综合判断与预测方法，包括以下步骤：

S1：确定井田的主采煤层和含瓦斯煤层，对主采煤层和含瓦斯煤层进行采样；

S2：通过解吸实验采集与S1中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层内的瓦斯，测试解吸瓦斯气样的甲烷碳、氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳同位素的δ值及瓦斯组分体积含量，所述δ值为样品的同位素比值相对于标准样品的同位素比值的千分差；

S3：建立多个标准图版，将S2中测试碳氢同位素的数据投点于与之对应的标准图版内；

S4：采集采空区内瓦斯的混合气样，测试混合气样内甲烷稳定碳氢同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳稳定碳位素的δ值及瓦斯组分体积含量，并将测试碳氢同位素的的数据投点于与之对应的标准图版内；

S5：将S4中的数据与S2中的数据进行对比，结合S3，采用均值区间推定法判断采空区瓦斯涌出的大致来源。

上述方案中，所述S2中的标准图版包括甲烷碳同位素图版、乙烷碳同位素图版、二氧化碳碳同位素图版、甲烷氢同位素图版、甲烷碳—乙烷碳同位素综合图版、乙烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板、二氧化碳—甲烷氢同位素综合图板、甲烷碳—二氧化碳碳同位素综合图板、乙烷碳—甲烷氢同位素综合图板、甲烷碳—甲烷氢同位素综合图版。

为实现对采空区瓦斯来源的定性判别，本方案还包括以下步骤：

S6：根据S2，确定各煤层中瓦斯组分体积含量，通过同位素分源数值计算，确定采空区的涌出瓦斯来源，其计算公式如下

σ_混=(v₁×a×σ₁+>2×b×σ₂+>3×c×σ₃+v₄×d×σ₄+…+v_n×m×σ_n)/[(v₁+>2+>3+>4+…+>n)×f]，其中，a-m分别指与S2中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层的某预定组分的体积含量，f指采空区的涌出瓦斯中该预定组分的体积含量，v₁—v_m分别指与S2中标号对应的来源于主采煤层和含瓦斯煤层的瓦斯体积量，σ₁—σ_n分别指S2中标号对应的主采煤层和含瓦斯煤层的瓦斯中某预定组分的碳氢同位素的δ值，σ_混指采空区涌出瓦斯中该预定组分的碳氢同位素的δ值。

上述方案中，所述预定组分分别为甲烷、乙烷或二氧化碳。

以某矿煤层为例，图1中，箱体的上下界分别代表数据的75%和25%分位点，箱体中间的空心点表示数据的平均值，而竖线的上下界则分别表示数据的最大和最小值，空心三角形表示1号（H1：5302尾巷8#横川里，2016年1月14日9:40）、2号（H2：5302尾巷9#横川里，2016年1月14日10:00）滞后横川内混合瓦斯碳同位素均值。图1中，煤层解吸气中的甲烷碳同位素值随着深度增加逐渐变重（绝对值变小），浅部3、5、7#煤的解吸气的甲烷碳同位素值差异明显，8-1#煤以深各煤层解吸瓦斯变化幅度较小，但依然逐渐变重。3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的混合瓦斯甲烷碳同位素值位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图2中，煤层解吸气中的乙烷碳同位素值随着深度增加逐渐变重（绝对值变小），浅部3、5、7、8-1#煤的解吸气的乙烷碳同位素值差异明显，8-2#煤以深各煤层解吸瓦斯变化幅度较小，但依然逐渐变重。3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的混合瓦斯乙烷碳同位素值位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图3中，煤层解吸气中的二氧化碳碳同位素值随着深度增加逐渐变重（绝对值变小），在8-1#煤处出现小的拐点，深部煤层解吸瓦斯变化幅度较小，且区域稳定。3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的混合瓦斯二氧化碳碳同位素值位于3、5#煤之间，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5#煤，可能含有7、8-1、8-2、9、15#煤。

图4中，煤层解吸气中的甲烷氢同位素值随着深度增加逐渐变重（绝对值变小），浅部3、5、7#煤的解吸气的甲烷氢同位素值差异明显，近距离7、8-1、8-2#煤的解吸瓦斯氢同位素变化幅度较小，8-2、9、15#煤间距较大，氢同位素值变化幅度较大。3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的混合瓦斯甲烷氢同位素值位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图5中，煤层解吸气中的甲烷（碳）-乙烷（碳）同位素皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的甲烷（碳）-乙烷（碳）两种标识物的含量均位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图6中，煤层解吸气中的乙烷（碳）-二氧化碳（碳）同位素皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的乙烷（碳）标识物的含量均位于5、7#煤之间，而其二氧化碳（碳）标识物的含量位于3、5#煤之间，且回采煤层为3#煤，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图7中，煤层解吸气中的二氧化碳（碳）-甲烷（氢）同位素值皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的甲烷（氢）标识物的含量均位于5、7#煤之间，而其二氧化碳（碳）标识物的含量位于3、5#煤之间，且回采煤层为3#煤，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图8中，煤层解吸气中的甲烷（碳）-二氧化碳（碳）同位素值皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的甲烷（碳）标识物的含量均位于5、7#煤之间，而其二氧化碳（碳）标识物的含量位于3、5#煤之间，且回采煤层为3#煤，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图9中，煤层解吸气中的乙烷（碳）-甲烷（氢）同位素值皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的乙烷（碳）-甲烷（氢）两种标识物的含量均位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

图10中，煤层解吸气中的甲烷（碳）-甲烷（氢）同位素值皆随深度增加逐渐变重（绝对值变小），3#煤采空区1号（H1）、2号（H2）滞后横川内的甲烷（碳）-甲烷（氢）两种标识物的含量均位于5、7#煤之间，且回采煤层为3#煤，因此，其瓦斯来源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

该矿区不同煤层解吸瓦斯中稳定碳同位素组成存在一些差异，随着深度增加，各煤层解吸瓦斯中稳定碳同位素逐渐变重（绝对值逐渐变小）。

根据均值区间推定法，仅可以确定3#煤回采过程中，一定有3#、5#、7#煤层的来源瓦斯，但无法确定是否含有8-1#煤以深煤层的解吸瓦斯，具体来源及含量可通过计算模型得出，即数理分析推定。

以横川1为例，结合横川1煤层，瓦斯组分和碳氢同位素数据及3号~8-2煤层瓦斯组分含量特征及瓦斯碳氢同位素特征建立联立五元一次方程组，计算过程如下：

-32.77543=[a×78.80233%×(-34.22358‰)+b×83.235%×(-32.935‰)+c×88.16133%×(-31.21167‰)+d×93.7835%×(-30.35‰)+e×95.58%×(-29.9425‰)]/[(a+b+c+d+e)×83.60288%](1)

-12.35511=[a×0.01325%×(-13.76442‰)+b×0.018%×(-12.835‰)+c×0.0235%×(-11.295‰)+d×0.0265%×(-10.45‰)+e×0.0295%×(-10.1425‰)]/[(a+b+c+d+e)×0.01811%](2)

-12.19567=[a×5.08267%×(-12.61346‰)+b×2.61875%×(-11.84186‰)+c×1.58817%×(-10.99462‰)+d×1.046%×(-10.46901‰)+e×0.9145%×(-10.21168‰)]/[(a+b+c+d+e)×3.22034%](3)

-171.57692=[a×78.80233%×(-175.04683‰)+b×83.235%×(-172.7025‰)+c×88.16133%×(-167.26583‰)+d×93.7835%×(-164.6525‰)+e×95.58%×(-162.9955‰)]/[(a+b+c+d+e)×83.6(4)

1=a+b+c+d+e(5)

将（1）~（5）方程变形得

0=43.2225×a-1.22438×b-11.542×c-106.20888×d-121.78381×e(1)

0=0.041372×a-0.00728×b-0.04168×c-0.05317×d-0.07545×e(2)

0=-24.83585×a+8.26333×b+21.81288，×c+28.32362×d+29.93562×e(3)

0=550.22659×a-30.56793×b-402.05338×c-1097.36308×d-1234.78524×e(4)

1=a+b+c+d+e(5)

构建系数矩阵A和B.

A=[43.2225 -1.22438 -11.542 -106.20888 -121.78381;

0.041372 -0.00728 -0.04168 -0.05317 -0.07545;

-24.83585 8.26333 21.81288 28.32362 29.93562;

550.22659 -30.56793 -402.05338 -1097.36308 -1234.78524;

1 1 1 1 1];

B=[0;0;0;0;1]

运用Matlab运算，得到横川1涌出瓦斯来源于3煤~8-2煤的比例分别为38%、37%、12%、8%和5%，即：a=0.38、b=0.37、c=0.12、d=0.08、e=0.05。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。