煤炭在我国一次能源消费结构中将长期占据主体地位。瓦斯灾害仍是当前制约我国煤矿安全、科学、绿色发展的主要因素。采掘活动前,需对瓦斯地质赋存状态进行全面探测分析,通过对工作面的瓦斯涌出灾害源进行定量识别,指导并实现精准治理。现实生产中,瓦斯治理工程需要量化的分源数据指导,包括穿层钻孔一次穿透多煤层预抽效果评判、不明来源瓦斯异常涌出的应急处置、保护层工作面对被保护层卸压保护效果评估等。为了解决这些问题,需要系统采集主采煤系地层各煤层解吸瓦斯,科学测试稳定碳氢同位素数据,运用严密的数理分析进行综合分析研究,实现采掘工作面瓦斯的量化分源和科学治理。为准确量化和动态反映多源瓦斯涌出来源结构特征,本文以沁水盆地南缘石炭二叠系山西-太原组主采煤系地层典型地质剖面为研究对象,在系统掌握瓦斯地质特征的基础上,对主采煤系地层有机碳及其解吸气稳定碳同位素进行测试分析,建立了煤层有机碳及其解吸瓦斯的关联模型,分析得出煤层沉积环境和煤层气成藏类型,获取了分煤层解吸气稳定碳氢同位素值的分布范围和特征值,绘制主采煤系地层解吸气稳定碳氢同位素分布图版。将质量守恒定理和多源线性算法结合,建立基于稳定碳氢同位素和多源线性算法的瓦斯分源计算模型,将研究成果应用于研究区主采工作面采空区瓦斯来源分析,首次揭示了采空区混合瓦斯来源动态演化规律和各层瓦斯涌出来源的体积结构特征,通过平行试验和正交试验完成模型误差来源分析,验证研究结果的科学性和可靠性。研究表明,寺河矿主采煤系地层呈现显著的海相和海陆交互相成煤环境和沉积特征,主采煤系地层中,煤层的有机碳同位素对其解吸瓦斯中元素碳同位素具有明显的同源贡献作用。研究发现主采3号煤层及其邻近层整体成煤环境、后期成岩作用基本一致,解吸瓦斯成因机制也基本相同,属于单型热成因气。各煤层解吸气组分和稳定碳氢同位素值存在差异,总体表现为碳氢同位素随埋深增大逐渐变重的特点。主采煤层工作面采空区沿走向邻近层瓦斯涌出动态变化过程呈现显著的分阶段特征,具体可以分为:本煤层涌入主体阶段、近邻近层涌入过渡阶段、动态平衡稳定阶段。随工作面动态推进,采空区内3号煤瓦斯涌出占比逐渐下降,最终稳定在20~25%,近距离煤层呈现先升后降并趋稳的特征,最终稳定在20~25%,远距离煤层9号和15号煤层解吸瓦斯在滞后工作面110m逐渐上升后趋稳,9号煤解吸瓦斯最终占比20~25%,15号煤解吸瓦斯最终占比30~35%。与传统分源预测结论相比,稳定碳氢同位素可以量化区分采掘过程中,本煤层和邻近层瓦斯涌出的体积比例,相比分源预测结果更有利于指导瓦斯治理工程设计。通过20个样本的系统误差分析结果表明,同一混合气样平行试验分析的相对标准偏差为0.16~5.22%,集气方法对二氧化碳碳同位素的误差影响较大,相对标准偏差30.1%,对于需要采用二氧化碳碳同位素值进行计算的四元和五元分析法,必须采用注射器法集气。储运环节分析了顶空瓶和铝塑气样袋两种存储容器,运用正交试验完成了时间间隔为5天和20天的误差分析,结果表明,从采样开始到测试间隔20天以上,铝塑气样袋的绝对偏差可达1.98‰,相对标准偏差率为4.76%,因此20天的采样测试时间间隔应采用顶空瓶储运以避免误差影响。研究成果为矿井采掘过程中瓦斯灾害的精准防治提供了科学依据,对异常瓦斯涌出来源的风险源辨识,制定应急技术措施也具有指导意义。图[44]表[34]参[167]