从长壁采矿角度理解煤层气分布：地球化学与同位素方法

《International Journal of Coal Geology》：Understanding coalbed gas distribution from longwall mining: Geochemical and isotopic approach

煤bed methane的来源、组成及同位素特征研究，结合长壁开采过程中煤样岩相、有机地球化学分析及气体成分检测，揭示通风系统对气体分布的影响，发现甲烷以热成因为主并伴随生物降解指纹，δ13C和δ2H同位素组成受吸附/解吸和扩散作用影响，并因通风稀释产生系统性变化。

　　在波兰上西里西亚煤田（USCB）的煤矿开采过程中，煤层气（Coalbed Methane, CBM）不仅对能源资源潜力至关重要，而且在环境和矿井安全策略中也扮演着关键角色。研究煤层气的来源、迁移路径及其在活跃采矿环境中的影响，对于提高煤矿安全性和评估开采过程中的气体排放风险具有重要意义。本研究结合了分子和稳定碳、氢同位素分析，以及新开采煤炭的煤岩学和地球化学特征，以深入了解活跃煤矿中煤层气的来源和分布模式。此外，研究还考虑了通风空气流对气体组成和同位素变化的影响，揭示了这些变化与矿井开采活动之间的关系。

在活跃的煤矿开采过程中，煤层气的来源与煤的成熟度、气体迁移过程以及矿井通风密切相关。本研究中，通过在煤矿的长壁工作面采集煤层气样本，并分析其分子组成和同位素特征，发现煤层气主要来源于热成因过程，同时存在生物降解的特征。在煤层中采集的气体样品显示，甲烷在气体组成中占主导地位，达到87%左右，而二氧化碳和更重的碳氢化合物（C?–C?）则贡献较少。此外，复杂气体混合物中还检测到了含硫杂环化合物（如噻吩）、含氮杂环化合物（如吡啶）、氯化化合物（如1,2-二氯乙烯）、含氧有机气体（如乙酸）、二甲基硫（DMS）以及一些含对甲基苯酚、四氢呋喃、甲醛和cumene等示踪物质。这些发现表明，煤层气不仅来源于热成因过程，还受到多种物理和化学过程的影响，包括吸附/解吸和扩散。

通过分析甲烷和二氧化碳的稳定同位素组成，研究发现甲烷的碳同位素值（δ13C）平均为-48.1 ± 0.7 ‰，氢同位素值（δ2H）平均为-192.1 ± 7.1 ‰，煤的成熟度（通过镜质体反射率测定）为0.75 ± 0.02%。这些数据表明，煤层气具有热成因特征，并且在热成因系统中存在生物降解的痕迹。研究还发现，煤层气的同位素值在煤层的裂隙中存储的自由气体中有所降低，这可能与吸附和解吸过程有关。

研究还揭示了气体组成和同位素值在长壁工作面中的空间变化，这些变化主要受到通风空气流的影响。随着空气流从主风道（进风）向尾风道（回风）流动，气体的组成和同位素值发生变化，显示了吸附和扩散等次级过程的影响。在尾风道（尾气区）中，较轻的12CH?分子更容易流失，这与实验室解吸实验中逐步粉碎煤样时观察到的甲烷解吸模式一致。相比之下，在活跃采矿区域中，δ2H-CH?的变化模式则较为系统，可能与气体混合、矿井特定条件以及开采参数有关。

在上西里西亚煤田，煤矿开采活动持续进行，同时开采深度和煤炭质量也在变化。随着煤矿开采深度的增加，煤层气的含量也随之变化。这种变化不仅与地质条件有关，还与煤的成熟度和煤岩组成密切相关。此外，矿井的通风系统设计和操作参数也显著影响煤层气的释放和分布。因此，了解煤层气的来源、组成和同位素特征，对于预测其在不同采矿条件下的分布模式和排放潜力至关重要。

研究还关注了煤层气在矿井中的迁移过程。在活跃的长壁开采过程中，甲烷的浓度受到通风空气流的影响，随着距离主风道的增加，甲烷浓度逐渐降低，这表明了通风空气流对煤层气的稀释作用。在尾风道（回风）区域，甲烷浓度较高，这可能与气体的累积有关。此外，煤层气的同位素值在长壁工作面的迁移过程中也发生了变化，显示出吸附、解吸和扩散等次级过程对甲烷同位素组成的影响。

在实验室解吸实验中，煤样被逐步粉碎，并测量其释放的气体组成和同位素特征。结果表明，随着粉碎时间的增加，甲烷的碳同位素值逐渐增加，显示出13C的富集趋势。相比之下，氢同位素值的变化则不明显，这可能与12CH?和13CH?的同位素自然丰度差异有关。此外，二氧化碳的同位素值在粉碎过程中也发生了变化，从初始的13C贫化逐渐转变为13C富集，这可能与二氧化碳的吸附和解吸特性有关。

本研究还分析了煤层气的化学组成，包括主要的甲烷、二氧化碳以及其他痕量气体（如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、硫化物、氮化物和氯化物）。在煤层气的组成中，甲烷占主导地位，而其他气体则贡献较少。这些气体的组成变化反映了煤层气的来源和迁移路径，同时也显示出生物降解和物理过程的影响。此外，研究还揭示了煤层气在不同开采阶段的组成变化，为预测和管理煤层气的排放提供了重要依据。

总体而言，本研究为煤层气的来源和分布提供了详细的科学依据，揭示了其在活跃采矿环境中的复杂性。这些发现不仅有助于提高煤矿的安全性，还能为未来煤层气的管理和利用提供科学支持。研究还强调了稳定同位素分析和实验室解吸实验在煤层气研究中的重要性，为矿井内的气体分布模型提供了新的数据支持。未来的研究可以进一步结合计算流体动力学（CFD）软件，以更精确地模拟煤层气的迁移和分布模式，从而更好地评估其对煤矿安全和环境的影响。