本發(fā)明涉及一種煤礦開(kāi)采領(lǐng)域，尤其涉及一種采空區(qū)瓦斯來(lái)源綜合判斷與預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

目前，對(duì)采空區(qū)的研究，多數(shù)通過(guò)運(yùn)用滲流力學(xué)理論，采用數(shù)值模擬手段對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植肌⑼咚沽鲃?dòng)和涌出規(guī)律進(jìn)行了研究。在礦井瓦斯涌出預(yù)測(cè)研究方面，采空區(qū)瓦斯涌出理的計(jì)算方法有分源計(jì)算法、依據(jù)老頂垮落前后回風(fēng)瓦斯涌量的變化估算采空區(qū)瓦斯涌出量、作圖法等。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外采空區(qū)瓦斯來(lái)源及預(yù)測(cè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，可知采空區(qū)瓦斯來(lái)源復(fù)雜、影響因素很多，而絕大部分已開(kāi)展的研究工作主要基于瓦斯?jié)舛日{(diào)查和瓦斯流動(dòng)規(guī)律模擬的基礎(chǔ)上展開(kāi)的，雖然對(duì)瓦斯來(lái)源具備了一些經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，多建立在定性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)瓦斯來(lái)源于具體煤層認(rèn)識(shí)不清，因而需要在瓦斯來(lái)源的綜合判別技術(shù)上有所突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種采空區(qū)瓦斯來(lái)源綜合判斷與預(yù)測(cè)方法。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種采空區(qū)瓦斯來(lái)源綜合判斷與預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1：確定井田的主采煤層和含瓦斯煤層，對(duì)主采煤層和含瓦斯煤層進(jìn)行采樣；

S2：通過(guò)解吸實(shí)驗(yàn)采集與S1中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層內(nèi)的瓦斯，測(cè)試解吸瓦斯氣樣的甲烷碳、氫同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳穩(wěn)定碳同位素的δ值及瓦斯組分體積含量，所述δ值為樣品的同位素比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素比值的千分差；

S3：建立多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖版，將S2中測(cè)試碳?xì)渫凰氐臄?shù)據(jù)投點(diǎn)于與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖版內(nèi)；

S4：采集采空區(qū)內(nèi)瓦斯的混合氣樣，測(cè)試混合氣樣內(nèi)甲烷穩(wěn)定碳?xì)渫凰亍⒁彝樘纪凰睾投趸挤€(wěn)定碳位素的δ值及瓦斯組分體積含量，并將測(cè)試碳?xì)渫凰氐牡臄?shù)據(jù)投點(diǎn)于與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖版內(nèi)；

S5：將S4中的數(shù)據(jù)與S2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合S3，采用均值區(qū)間推定法判斷采空區(qū)瓦斯涌出的大致來(lái)源。

優(yōu)選地，所述S2中的標(biāo)準(zhǔn)圖版包括甲烷碳同位素圖版、乙烷碳同位素圖版、二氧化碳碳同位素圖版、甲烷氫同位素圖版、甲烷碳—乙烷碳同位素綜合圖版、乙烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板、二氧化碳—甲烷氫同位素綜合圖板、甲烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板、乙烷碳—甲烷氫同位素綜合圖板、甲烷碳—甲烷氫同位素綜合圖版。

優(yōu)選地，本發(fā)明還包括以下步驟：

S6：根據(jù)S2，確定各煤層中瓦斯組分體積含量，通過(guò)同位素分源數(shù)值計(jì)算，確定采空區(qū)的涌出瓦斯來(lái)源，其計(jì)算公式如下

σ_混=(v₁×a×σ₁+ v₂×b×σ₂+ v₃×c×σ₃+v₄×d×σ₄+…+v_n×m×σ_n)/[(v₁+ v₂+ v₃+ v₄+ …+ v_n)×f]，其中，a-m分別指與S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層的某預(yù)定組分的體積含量，f指采空區(qū)的涌出瓦斯中該預(yù)定組分的體積含量，v₁—v_m分別指與S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的來(lái)源于主采煤層和含瓦斯煤層的瓦斯體積量，σ₁—σ_n分別指S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層的瓦斯中某預(yù)定組分的碳?xì)渫凰氐摩闹担?sub>混指采空區(qū)涌出瓦斯中該預(yù)定組分的碳?xì)渫凰氐摩闹怠?/p>

優(yōu)選地，所述預(yù)定組分分別為甲烷、乙烷或二氧化碳。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的實(shí)施效果如下：

本發(fā)明通過(guò)調(diào)查主采煤層、含瓦斯煤層及采空區(qū)瓦斯甲烷碳同位素、瓦斯乙烷碳同位素、二氧化碳的穩(wěn)定碳同位素及甲烷氫同位素分布特征，確定井田主采煤層、含瓦斯煤層的甲烷碳、氫同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳穩(wěn)定碳同位素的標(biāo)準(zhǔn)背景值，制作該井田主采煤層、含瓦斯煤層的甲烷碳、氫同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳穩(wěn)定碳同位素標(biāo)準(zhǔn)圖版。對(duì)比分析采空區(qū)瓦斯甲烷穩(wěn)定碳?xì)渫凰亍⒁彝樘纪凰丶岸趸嫉姆€(wěn)定碳位素與對(duì)比層位瓦斯中同類穩(wěn)定同位素差異，結(jié)合采空區(qū)、本煤層及鄰近層瓦斯組分濃度，通過(guò)同位素分源數(shù)值計(jì)算，確立采空區(qū)瓦斯來(lái)源，形成一套以同位素判別為基礎(chǔ)、結(jié)合瓦斯組分分析的綜合判別方法。該方法能夠更加精確的計(jì)算出來(lái)自不同端元的瓦斯體積比。

通過(guò)對(duì)采空區(qū)瓦斯來(lái)源進(jìn)行判別和預(yù)測(cè)，有效減少采空區(qū)瓦斯向鄰近采掘空間滲漏、減小了因采空區(qū)瓦斯向大氣逸散而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，有助于實(shí)現(xiàn)瓦斯資源綠色開(kāi)采利用，并取得可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

附圖說(shuō)明

圖1是甲烷碳同位素箱式圖

圖2是乙烷碳同位素箱式圖

圖3是二氧化碳碳同位素箱式圖

圖4是甲烷氫同位素箱式圖

圖5是甲烷碳—乙烷碳同位素綜合圖板

圖6是乙烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板

圖7是二氧化碳碳—甲烷氫同位素綜合圖板

圖8是甲烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板

圖9是乙烷碳—甲烷氫同位素綜合圖板

圖10是甲烷碳—甲烷氫同位素綜合圖板

圖11是本發(fā)明的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。

如圖1-圖11所示，本發(fā)明所述一種采空區(qū)瓦斯來(lái)源綜合判斷與預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1：確定井田的主采煤層和含瓦斯煤層，對(duì)主采煤層和含瓦斯煤層進(jìn)行采樣；

S2：通過(guò)解吸實(shí)驗(yàn)采集與S1中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層內(nèi)的瓦斯，測(cè)試解吸瓦斯氣樣的甲烷碳、氫同位素、乙烷碳同位素和二氧化碳穩(wěn)定碳同位素的δ值及瓦斯組分體積含量，所述δ值為樣品的同位素比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)樣品的同位素比值的千分差；

S3：建立多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖版，將S2中測(cè)試碳?xì)渫凰氐臄?shù)據(jù)投點(diǎn)于與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖版內(nèi)；

S4：采集采空區(qū)內(nèi)瓦斯的混合氣樣，測(cè)試混合氣樣內(nèi)甲烷穩(wěn)定碳?xì)渫凰?、乙烷碳同位素和二氧化碳穩(wěn)定碳位素的δ值及瓦斯組分體積含量，并將測(cè)試碳?xì)渫凰氐牡臄?shù)據(jù)投點(diǎn)于與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖版內(nèi)；

S5：將S4中的數(shù)據(jù)與S2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合S3，采用均值區(qū)間推定法判斷采空區(qū)瓦斯涌出的大致來(lái)源。

上述方案中，所述S2中的標(biāo)準(zhǔn)圖版包括甲烷碳同位素圖版、乙烷碳同位素圖版、二氧化碳碳同位素圖版、甲烷氫同位素圖版、甲烷碳—乙烷碳同位素綜合圖版、乙烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板、二氧化碳—甲烷氫同位素綜合圖板、甲烷碳—二氧化碳碳同位素綜合圖板、乙烷碳—甲烷氫同位素綜合圖板、甲烷碳—甲烷氫同位素綜合圖版。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)瓦斯來(lái)源的定性判別，本方案還包括以下步驟：

S6：根據(jù)S2，確定各煤層中瓦斯組分體積含量，通過(guò)同位素分源數(shù)值計(jì)算，確定采空區(qū)的涌出瓦斯來(lái)源，其計(jì)算公式如下

σ_混=(v₁×a×σ₁+ v₂×b×σ₂+ v₃×c×σ₃+v₄×d×σ₄+…+v_n×m×σ_n)/[(v₁+ v₂+ v₃+ v₄+ …+ v_n)×f]，其中，a-m分別指與S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層的某預(yù)定組分的體積含量，f指采空區(qū)的涌出瓦斯中該預(yù)定組分的體積含量，v₁—v_m分別指與S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的來(lái)源于主采煤層和含瓦斯煤層的瓦斯體積量，σ₁—σ_n分別指S2中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的主采煤層和含瓦斯煤層的瓦斯中某預(yù)定組分的碳?xì)渫凰氐摩闹?，?sub>混指采空區(qū)涌出瓦斯中該預(yù)定組分的碳?xì)渫凰氐摩闹怠?/p>

上述方案中，所述預(yù)定組分分別為甲烷、乙烷或二氧化碳。

以某礦煤層為例，圖1中，箱體的上下界分別代表數(shù)據(jù)的75%和25%分位點(diǎn)，箱體中間的空心點(diǎn)表示數(shù)據(jù)的平均值，而豎線的上下界則分別表示數(shù)據(jù)的最大和最小值，空心三角形表示1號(hào)（H1：5302尾巷8#橫川里，2016年1月14日9:40）、2號(hào)（H2：5302尾巷9#橫川里，2016年1月14日10:00）滯后橫川內(nèi)混合瓦斯碳同位素均值。圖1中，煤層解吸氣中的甲烷碳同位素值隨著深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變小），淺部3、5、7#煤的解吸氣的甲烷碳同位素值差異明顯，8-1#煤以深各煤層解吸瓦斯變化幅度較小，但依然逐漸變重。3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的混合瓦斯甲烷碳同位素值位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖2中，煤層解吸氣中的乙烷碳同位素值隨著深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?，淺部3、5、7、8-1#煤的解吸氣的乙烷碳同位素值差異明顯，8-2#煤以深各煤層解吸瓦斯變化幅度較小，但依然逐漸變重。3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的混合瓦斯乙烷碳同位素值位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖3中，煤層解吸氣中的二氧化碳碳同位素值隨著深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變小），在8-1#煤處出現(xiàn)小的拐點(diǎn)，深部煤層解吸瓦斯變化幅度較小，且區(qū)域穩(wěn)定。3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的混合瓦斯二氧化碳碳同位素值位于3、5#煤之間，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5#煤，可能含有7、8-1、8-2、9、15#煤。

圖4中，煤層解吸氣中的甲烷氫同位素值隨著深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?，淺部3、5、7#煤的解吸氣的甲烷氫同位素值差異明顯，近距離7、8-1、8-2#煤的解吸瓦斯氫同位素變化幅度較小，8-2、9、15#煤間距較大，氫同位素值變化幅度較大。3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的混合瓦斯甲烷氫同位素值位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖5中，煤層解吸氣中的甲烷（碳）-乙烷（碳）同位素皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?，3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的甲烷（碳）-乙烷（碳）兩種標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖6中，煤層解吸氣中的乙烷（碳）-二氧化碳（碳）同位素皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的乙烷（碳）標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，而其二氧化碳（碳）標(biāo)識(shí)物的含量位于3、5#煤之間，且回采煤層為3#煤，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖7中，煤層解吸氣中的二氧化碳（碳）-甲烷（氫）同位素值皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變小），3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的甲烷（氫）標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，而其二氧化碳（碳）標(biāo)識(shí)物的含量位于3、5#煤之間，且回采煤層為3#煤，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖8中，煤層解吸氣中的甲烷（碳）-二氧化碳（碳）同位素值皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?，3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的甲烷（碳）標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，而其二氧化碳（碳）標(biāo)識(shí)物的含量位于3、5#煤之間，且回采煤層為3#煤，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖9中，煤層解吸氣中的乙烷（碳）-甲烷（氫）同位素值皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變?。?，3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的乙烷（碳）-甲烷（氫）兩種標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

圖10中，煤層解吸氣中的甲烷（碳）-甲烷（氫）同位素值皆隨深度增加逐漸變重（絕對(duì)值變小），3#煤采空區(qū)1號(hào)（H1）、2號(hào)（H2）滯后橫川內(nèi)的甲烷（碳）-甲烷（氫）兩種標(biāo)識(shí)物的含量均位于5、7#煤之間，且回采煤層為3#煤，因此，其瓦斯來(lái)源一定包括：3、5、7#煤，可能含有8-1、8-2、9、15#煤。

該礦區(qū)不同煤層解吸瓦斯中穩(wěn)定碳同位素組成存在一些差異，隨著深度增加，各煤層解吸瓦斯中穩(wěn)定碳同位素逐漸變重（絕對(duì)值逐漸變小）。

根據(jù)均值區(qū)間推定法，僅可以確定3#煤回采過(guò)程中，一定有3#、5#、7#煤層的來(lái)源瓦斯，但無(wú)法確定是否含有8-1#煤以深煤層的解吸瓦斯，具體來(lái)源及含量可通過(guò)計(jì)算模型得出，即數(shù)理分析推定。

以橫川1為例，結(jié)合橫川1煤層，瓦斯組分和碳?xì)渫凰財(cái)?shù)據(jù)及3號(hào)~8-2煤層瓦斯組分含量特征及瓦斯碳?xì)渫凰靥卣鹘⒙?lián)立五元一次方程組，計(jì)算過(guò)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)

將（1）~（5）方程變形得

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)

構(gòu)建系數(shù)矩陣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]

運(yùn)用Matlab運(yùn)算，得到橫川1涌出瓦斯來(lái)源于3煤~8-2煤的比例分別為38%、37%、12%、8%和5%，即：a=0.38、b=0.37、c=0.12、d=0.08、e=0.05。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。