煤层气分源识别方法与流程

本发明属于煤矿勘探开发技术领域，尤其涉及一种煤层气分源识别方法。

背景技术：

煤层气又称矿井瓦斯，其主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷、二氧化碳和氮气等气体。地下开采时，矿井瓦斯由煤层或岩层内涌出，污染矿内空气，发生燃烧或爆炸，是矿井灾害之一。因此对于矿井瓦斯涌出量进行预测显得尤为重要。

目前矿井瓦斯涌出量可通过矿山统计法预测，矿山统计法是根据已开采过的矿井、采区或工作面的相对瓦斯涌出量与开采深度的统计规律，对未开采区域的相对瓦斯涌出量进行预测的一种预测方法。也就是说，传统的煤层气预测方法需根据已有开采经验进行煤层气的来预测。

然而，基于上述传统的煤层气预测方法是根据已有开采经验对煤层气进行预测，其预测的准确度较低，无法确定其真实来源及占比，使得开采过程中存在较大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明提供一种煤层气分源识别方法，以准确确定煤层气的真实来源和占比，避免了煤层开采时存在的安全隐患。

一种煤层气分源识别方法，包括：

确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值；

确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值；所述多个煤层包括：所述采空区所在的煤层和邻近煤层；

根据所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值、所述多个煤层的解吸气体的气体组分含量和所述每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定所述混合气体中来自各煤层的气体占比。

进一步的，所述确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值，包括：

通过气相色谱仪对所述混合气体进行检测，确定所述混合气体包括的组分气体；

通过气体同位素质谱仪对所述混合气体进行检测，得到所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值。

进一步的，所述确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，包括：

通过气相色谱仪对所述多个煤层的解吸气体进行检测，确定所述多个煤层的解吸气体的气体组分含量；

通过气体同位素质谱仪对所述多个煤层的解吸气体进行检测，得到所述每个煤层中至少一个组分气体的同位素值。

进一步的，所述确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值之前，所述方法还包括：

对所述每个煤层的煤样进行解吸，得到所述每个煤层的解吸气体。

进一步的，所述混合气体的气体组分包括如下至少两种气体：ch4、c2h6、co2、n2；

所述煤层解吸气体的气体组分包括如下至少一种气体：ch4、c2h6、co2、n2。

进一步的，所述同位素值包括碳同位素值，或，氢同位素值。

进一步的，所述根据所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值、所述多个煤层的解吸气体的气体组分含量和所述每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定所述混合气体中来自各煤层的气体占比，包括：

根据所述混合气体中至少一个组分气体的同位素值、所述多个煤层的解吸气体的气体组分含量和所述每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，采用如下公式(1)确定所述混合气体中来自各煤层的气体占比；

其中，a、b、c、d、e…为所述混合气体中来自各煤层的气体占比，且a+b+c+d+e+…＝1；xa、xb、xc、xd、xe…为所述多个煤层中各煤层的解吸气体中一个组分气体的含量；δmix为所述混合气体中所述一个组分气体的同位素值；δa、δb、δc、δd、δe…为所述多个煤层中各煤层的解吸气体中所述一个组分气体的同位素值。

本发明提供的煤层气分源识别方法，包括：确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和该混合气体中至少一个组分气体的同位素值；确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值；该多个煤层包括：该采空区所在的煤层和邻近煤层；根据该混合气体中至少一个组分气体的同位素值、该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定该混合气体中来自各煤层的气体占比。该方法可准确确定出煤层气的真实来源和占比，避免了煤层开采时存在的安全隐患。

附图说明

图1为本发明提供的煤层气分源识别方法的流程图；

图2为本发明提供的密闭墙内区域的混合气体的采集装置的结构示意图；

图3为本发明提供的煤样解吸装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-球胆；

2-唧气筒；

3-抽采管；

4-连接胶管；

5-量筒；

6-第一水槽；

7-螺旋夹；

8-吸气球；

9-第一弹簧夹；

10-排水管；

11-第二弹簧夹；

12-排气管；

13-密封罐；

14-取气导管；

15-集气瓶；

16-第二水槽。

具体实施方式

本发明提供一种煤层气分源识别方法，图1为本发明提供的煤层气分源识别方法的流程图。如图1所示，该方法可包括如下步骤：

s101、确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和该混合气体中至少一个组分气体的同位素值。

具体的，该混合气体为多源混合煤层气，该混合气体位于煤层采空区内。其中，该煤层采空区，可以是煤矿作业过程中，地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔。煤层采空区可包括以下类型：密闭墙内区域、综采工作面上隅角区域、回风巷和尾巷区域等。

如下结合多个实例分别进行说明。

以密闭墙内区域的混合气体为例，本发明可通过如下提供的气体采集装置采集该混合气体。图2为本发明提供的密闭墙内区域的混合气体的采集装置的结构示意图。

如图2所示，该混合气体的采集装置可包括：球胆1、唧气筒2、抽采管3、连接胶管4。其中抽采管3通过连接胶管4与唧气筒2连接，球胆1与唧气筒2连通，抽采管3用于穿过密闭墙内区域进行采样，唧气筒2用于为抽采管3提供吸力，球胆1则用于容纳采集到的混合气体。

该密闭墙内混合气体的采集步骤可包括：(1)将抽采管3置于密闭墙内区域的观测管中，密封抽采管3与观测管的缝隙。

(2)唧气筒2可通过连接胶管4为抽采管3提供吸力，使得抽采管3将密闭墙内区域的混合气体通过连接胶管4吸入球胆1中进行封存。

其中，该密闭墙为滞后横贯临时密闭墙。

对综采工作面上隅角区域内的混合气体进行采集时，将可收缩的抽采管3放置在支架后1.5～2m处，此时，唧气筒2可通过连接胶管4为抽采管3提供吸力，使得抽采管3将密闭墙内区域的混合气体通过连接胶管4吸入球胆1中进行封存。

对回风巷和尾巷内的混合气体进行采集时，可直接通过球胆1采集该混合气体。

通过上述操作得到的球胆中的气体即采空区混合气体。

该s101中可以通过气相色谱仪对该混合气体进行测量，得到该混合气体包括的组分气体，同时，可以通过气体同位素质谱仪对该混合气体进行测量得到该混合气体中至少一个组分气体的同位素值。

s102、确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值；该多个煤层包括：该采空区所在的煤层和邻近煤层。

具体的，该每个煤层的解吸气体可以是通过对每个煤层的煤样进行解吸得到的。

其中，该煤样需分区采集，煤样采集时，需遵循以下原则：

同一区域内采样点需均匀分布，垂直方向上可均匀采集不同的煤层，水平方向上，针对每个煤层，可选择剖面清晰的煤层带，在煤层带上布置正方形网线，在网线的交点上各取一小块样品，最后集中为一个煤样。

对已暴露区域的煤层进行采样时，应选择最新暴露的区域，用手镐或铲，剥去表层或风化层面，剥离层厚大于或等于预设值，该预设值例如可以是300mm，取出接近原煤性质的煤样。

对未暴露煤层进行采样时，应采用钻机穿层钻孔进行取样，钻取的煤芯直径大于或等于预设值，该预设值例如可以是70mm；钻机需垂直岩层层理钻取岩芯。

其中，以未暴露煤层为例，具体采样方法可包括：(1)钻机钻孔至距煤层2m后，开始压风排渣；(2)继续钻至距煤层0.5m后，更换钻机的取芯钻头；(3)对煤层进行取样，取芯钻头打穿煤层0.5m后退钻取芯。

通过上述取样方法取出的煤样，可对其密封存储，继而对密封的煤样进行解吸，继而得到煤层解吸气体。对煤样进行密封可以是将其装进密封罐，并迅速盖紧密封罐。

该s102中可以通过气相色谱仪对该多个煤层的解吸气体进行测量，得到该多个煤层的解吸气体的气体组分含量；同时，可以通过气体同位素质谱仪对该多个煤层的解吸气体进行测量得到该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值。

s103、根据该混合气体中至少一个组分气体的同位素值、该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定该混合气体中来自各煤层的气体占比。

本发明提供的煤层气分源识别方法，包括：确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和该混合气体中至少一个组分气体的同位素值；确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值；该多个煤层包括：该采空区所在的煤层和邻近煤层；根据该混合气体中至少一个组分气体的同位素值、该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定该混合气体中来自各煤层的气体占比，从而准确确定煤层气的真实来源和占比，避免了煤层开采时存在的安全隐患。

可选的，如上所示的s101中确定待识别的煤层采空区的混合气体包括的组分气体和该混合气体中至少一个组分气体的同位素值，包括：

通过气相色谱仪对该混合气体进行检测，确定该混合气体包括的组分气体；

通过气体同位素质谱仪对该混合气体进行检测，得到该混合气体中至少一个组分气体的同位素值。

该方法中，可以由气体同位素质谱仪采用电感耦合等离子体质谱法，得到该混合气体中至少一个组分气体的同位素值。

可选的，如上所示的s102中确定该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，包括：

通过气相色谱仪对该多个煤层的解吸气体进行检测，确定该多个煤层的解吸气体的气体组分含量；

通过气体同位素质谱仪对该多个煤层的解吸气体进行检测，得到该每个煤层中至少一个组分气体的同位素值。

该方法中，可以由气体同位素质谱仪采用电感耦合等离子体质谱法对该多个煤层的解吸气体进行检测，从而得到该每个煤层中至少一个组分气体的同位素值。

具体的，气体组分含量可通过气相色谱仪确定，该气相色谱仪型号例如可以是agilent6890，该气相色谱仪中的色谱柱型号例如可以是plotq((30m*0.32mmi.d.,20um)。

使用时，只需使用气体进样针提取1ml气样，送入该气相色谱仪进行样品分析。其中该气相色谱仪的升温程序为：先设定起始温度50℃，恒温4分钟，再以15℃每分钟升温到180℃，恒温5分钟。流速：1.5ml/min；分流比：10:1。

例如，对该混合气体进行检测的过程中，可以使用气体进样针从该混合气体中提取1ml气样，送入该气相色谱仪进行样品分析，继而得到该混合气体包括的组分气体。

对该每个煤层的解吸气体进行检测的过程中，可以使用气体进样针从该每个煤层的解吸气体中提取1ml气样，送入该气相色谱仪进行样品分析，继而得到该每个煤层的解吸气体的气体组分含量。

气体的同位素值可采用电感耦合等离子体质谱法，通过气体同位素质谱仪确定，该气体同位素质谱仪型号例如可以是thermodeltav，该气体同位素质谱仪中的色谱柱型号例如可以是plotq((30m*0.32mmi.d.,20um)。

使用时，使用气体进样针取样50～500ml不等，送入该气体同位素质谱仪进行样品分析。其中该气体同位素质谱仪的升温程序为：先设定起始温度50℃，恒温4分钟，再以15℃每分钟升温到180℃，恒温5分钟。流速：1ml/min；分流比：10:1。

例如，对该混合气体进行检测的过程中，可以使用气体进样针从该混合气体中提取100ml气样，送入该气体同位素质谱仪进行样品分析，继而得到该混合气体中一个组分气体的同位素值。

对该每个煤层的解吸气体进行检测的过程中，可以使用气体进样针从该每个煤层的解吸气体中提取100ml气样，送入该气体同位素质谱仪进行样品分析，继而得到该每个煤层的解吸气体中一个组分气体的同位素值。

可选的，如上所示的s102中，确定多个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值之前，该方法还包括：

对该每个煤层的煤样进行解吸，得到该每个煤层的解吸气体。

具体的，可通过煤样解吸装置对该采空区所在的煤层和该邻近煤层的煤样进行解吸，从而得到该每个煤层的解吸气体。

本发明可通过如下提供的煤样解吸装置对该每个煤层的煤样进行解吸。图3为本发明提供的煤样解吸装置的结构示意图。如图3所示，该煤样解吸装置至少包括：量筒5、第一水槽6、螺旋夹7、吸气球8、第一弹簧夹9、排水管10、第二弹簧夹11、排气管12、密封罐13、取气导管14、集气瓶15、第二水槽16。

其中，量筒5内充满水并置于第一水槽6中，第一水槽6为密封结构，第一水槽6底部设置有排水管10，排水管10上设置有第二弹簧夹11。

量筒5接近第一水槽6的一端通过排气管12与密封罐13连通，量筒5可用于通过排水集气法收集密封罐13内煤样解吸出的煤层气。

量筒5远离第一水槽6的另一端通过取气导管14与倒置于第二水槽16内的集气瓶15连通。集气瓶15内部充满水，可用于通过排水集气法收集量筒5内的煤层解吸气体。

排气管12上设置有第一弹簧夹9，用于控制排气管的开关。

取气导管14上设置有螺旋夹7和吸气球8，螺旋夹7用于控制取气导管的连通和关闭，吸气球8可用于排出取气导管14内的空气。

对该采空区所在的煤层和该邻近煤层的煤样通过排水集气法进行解吸和收集，包括：

(1)关闭螺旋夹7，打开第一弹簧夹9，使得放置煤样的密封罐13通过排气管12与量筒5连通，煤样中解吸出的气体则通过排气管12进入量筒5内。同时打开第二弹簧夹11，第一水槽6内的水通过排水管11排出，从而使得第一水槽6和量筒5内的压强保持不变。

(2)待量筒5内的液面稳定后，用吸气球8排气、吸气，将吸气球8和取气导管14内的空气排出。

(3)将充满水的集气瓶15倒置于第二水槽16内，将取气导管14远离量筒5的另一端置于集气瓶15内。

(4)打开螺旋夹7，使得量筒5通过取气导管14与集气瓶15连通，排水取样，将量筒5内的解吸气体收集至集气瓶16中。

通过上述操作收集到的气体即该每个煤层的解吸气体。

可选的，该混合气体的气体组分包括如下至少两种气体：ch4、c2h6、co2、n2；

该煤层解吸气体的气体组分包括如下至少一种气体：ch4、c2h6、co2、n2。

可选的，该同位素值包括碳同位素值，或，氢同位素值。

具体的，煤层气的气体组分主要包括：ch4、c2h6、co2、n2等，测该混合气体和该每个煤层的解吸气体时，需进行同位素示踪，本发明利用天然碳氢同位素作为示踪元素，无需人为投放示踪物质，识别时间短，更高效。

例如，碳同位素可包括¹²c、¹³c、¹⁴c等多种形式，本发明例如可以是通过¹³c或¹⁴c进行同位素示踪。

氢同位素可包括氕(简写为h)、氘(简写为d)、氚(简写为t)等多种形式，本发明例如可以是通过d或t进行同位素示踪。

可选的，如上所示的s103中，该根据该混合气体中至少一个组分气体的同位素值、该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，确定该混合气体中来自各煤层的气体占比，包括：

根据该混合气体中至少一个组分气体的同位素值、该多个煤层的解吸气体的气体组分含量和该每个煤层的解吸气体中至少一个组分气体的同位素值，采用如下公式(1)确定该混合气体中来自各煤层的气体占比：

其中，a、b、c、d、e…为该混合气体中来自各煤层的气体占比，且a+b+c+d+e+…＝1；xa、xb、xc、xd、xe…为该多个煤层中各煤层的解吸气体中一个组分气体的含量；δmix为该混合气体中该一个组分气体的同位素值；δa、δb、δc、δd、δe…为该多个煤层中各煤层的解吸气体中该一个组分气体的同位素值。

具体的，以二源混合煤层气中ch4的碳同位素值为例，假设第一煤层的解吸气体中ch4的碳同位素值为δa，同时假设单位体积的混合气体中来自第一煤层的解吸气体中ch4的体积为va；假设第二煤层的解吸气体中ch4的碳同位素值为δb，以及单位体积的混合气体来自第二煤层的解吸气体中ch4的体积为vb。将两组ch4混合，混合气体中ch4的碳同位素值为δmix。

则二源混合气体的碳同位素值的计算公式为：

δmix、δa、δb均可通过气体同位素质谱仪测出。va、vb为未知值。

此时，对于单位体积的混合气体，有：va＝a·xa，vb＝b·xb。代入公式(2)中，可得：

其中，a、b分别为该混合气体中来自第一煤层的气体和来自第二煤层气体的占比，且，a+b＝1，a、b均为未知值。

xa为来自第一煤层的解吸气体中ch4的含量，xb为来自第二煤层气体中ch4的含量。xa、xb可通过气相色谱仪测出。

此时，可得到如下所示的二元一次方程组：

公式(4)又可称为二源煤层气分源识别模型。

其中，xa为来自第一煤层的解吸气体中ch4的含量，xb为来自第二煤层气体中ch4的含量，xa、xb可通过气相色谱仪测出；δa为第一煤层的解吸气体中ch4的碳同位素值，δb为第二煤层的解吸气体中ch4的碳同位素值，δmix为第一煤层和第二煤层的混合气体中的ch4的碳同位素值，δmix、δa、δ可通过气体同位素质谱仪测出。

将检测到的xa、xb、δmix、δa、δ值代入公式(4)中，即可得出a、b的值。

由此，对于多源煤层气，针对其中的一个组分气体，可有：

其中，va＝a·xa，vb＝b·xb，vc＝c·xc，vd＝d·xd，ve＝e·xe。代入公式(5)中，即得到公式(1)：

其中，xa、xb、xc、xd、xe…为该多个煤层中各煤层的解吸气体中一个组分气体的含量，xa、xb、xc、xd、xe…的值可通过气相色谱仪测出；δmix为该混合气体中该一个组分气体的同位素值；δa、δb、δc、δd、δe…为该多个煤层中各煤层的解吸气体中该一个组分气体的同位素值；δmix、δa、δb、δc、δd、δe…的值可通过气体同位素质谱仪测出。

将检测得到的xa、xb、xc、xd、xe…δmix、δa、δb、δc、δd、δe…代入公式(1)中，得到一个多元一次方程，对应的，以其他组分气体为例，还可得到类似于上述一个多元一次方程的其他多个多元一次方程。

a+b+c+d+e+…＝1可作为一个多元一次方程，与上述多个多元一次方程联立，可得到多元一次方程组。

通过求解该多元一次方程组，即可得出a、b、c、d、e…的值。

例如，对于n源混合煤层气，只需测出混合气体中n-1个组分气体的同位素值，以及n个煤层的解吸气体的气体组分含量和每个煤层的解吸气体中n-1个组分气体的同位素值，分别代入公式(1)中，可得到n-1个多元一次方程；同时，该n个煤层的解吸气体在该混合气体中的占比相加为1可作为第n个方程，将该第n个方程与上述该n-1个多元一次方程联立，即可得出混合气体中该n个煤层气体的占比。

公式(6)又可称为多源煤层气分源识别模型，通过该多源混合气体的气体分源识别模型，即可确定多源混合气体的来源和占比。

其中，联立多元一次方程组，可采用matlab(matrixlaboratory，简称matlab)分析软件进行求解，更加快速、高效。

本实施例提供的煤层气分源识别方法，充分利用了煤层气气体组分、同位素值的特征，通过建立多源煤层气分源识别模型，可得出与气体组分个数相应的多个方程，构成多元一次方程组，联立该多元一次方程组，可准确确定煤层气的真实来源和占比，由此可准确确定煤层气的主要来源，从而煤层开采时可有效规避风险，同时该多元一次方程组可采用matlab分析软件进行求解，识别效率更高，结果更准确。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。