煤層淺埋區(qū)域鐵路隧道瓦斯探測(cè)分析

閆常赫

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

山西中南部鐵路通道是國(guó)家鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目,地處華北地區(qū)南部,西起晉中南地區(qū),東至山東日照港口,形成了“西煤東運(yùn)”的能源運(yùn)輸動(dòng)脈,先后穿越呂梁山、太岳山、太行山及沂蒙山,沿線地質(zhì)條件復(fù)雜。其中太岳山區(qū)域,走向近南北,山勢(shì)陡峭,高程2 000～2 500 m,地質(zhì)條件主要為二疊系下統(tǒng)石盒子組含煤線,二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組含煤地層,具良好的生氣條件。且該區(qū)域斷層及褶皺較發(fā)育,部分位置巖體破碎,易于瓦斯儲(chǔ)存。開(kāi)展瓦斯探測(cè)的工作對(duì)鐵路線路方案制定、隧道施工安全和今后的運(yùn)營(yíng)安全影響較大。

1 太岳山隧道區(qū)域主要地質(zhì)條件分析

太岳山走向近南北,西翼以霍山大斷裂與盆地相接,山勢(shì)陡峻；東翼為單面山,山勢(shì)低緩。太岳山頂高程2 000～2 500 m,相對(duì)高差1 000～1 500 m。巖性主要為中生界三疊系劉家溝組紫紅色、淡紫紅色中—厚層狀細(xì)—中粒鈣質(zhì)、鈣鐵質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)石石英砂巖；上古生界二疊系石千峰組底層為一套干旱氣候的廣闊湖相沉積,厚100 m左右,多數(shù)地區(qū)除底部砂巖呈黃綠色活部分黃綠色外其余為紫紅色；上統(tǒng)石盒子組雜砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖及黃綠色、紫紅色砂質(zhì)頁(yè)巖交互組成；下統(tǒng)上石盒子組長(zhǎng)石雜砂巖、長(zhǎng)石石英雜砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖等各種巖性交互組成；二疊系下統(tǒng)下石盒子組具紫紅色斑團(tuán)黃綠色頁(yè)巖,下部為灰白色、黃綠色厚層狀砂巖灰色頁(yè)巖,山西組黃綠色和灰色頁(yè)巖；上古生界石炭系上統(tǒng)太原組灰白色中粗粒砂巖,炭質(zhì)頁(yè)巖,局部泥質(zhì)灰?guī)r。

其中二疊系下統(tǒng)石盒子組含煤線,二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組均為含煤地層,具良好的生氣條件。太岳山隧道進(jìn)口段和洞身段穿越含煤線地層,在路肩下36～110 m下伏含煤地層。據(jù)古縣、安澤煤礦瓦斯鑒定資料,瓦斯絕對(duì)涌出量0.31～4.68 m3/min,瓦斯相對(duì)涌出量2.19～8.36 m3/t。CK387～CK398,CK387～CK398為太岳山坳緣翹起帶,巖層陡傾,斷層發(fā)育,巖體破碎,瓦斯易于富集,CK387～CK420為寬緩的郭道-安澤近南北向復(fù)式背斜,瓦斯易于儲(chǔ)存。

2 施工工藝流程

太岳山隧道TYYSZ-2深孔,地處太岳山(安澤縣境內(nèi)),位于初測(cè)線路左側(cè)20.7 m,地面高程1 074.2 m,設(shè)計(jì)鉆孔深度300 m。該處為斷層f岳12的斷層影響帶,推測(cè)斷層帶物質(zhì)主要為壓碎巖,為瓦斯富集區(qū)域?？紤]經(jīng)濟(jì)因素,充分發(fā)揮一孔多用的功效,本孔鉆探的主要目的是查明巖性特征、斷層位置、基巖含水量,并進(jìn)行工程綜合測(cè)井(包括電阻率、自然伽瑪、巖石密度、井徑、井溫、聲波及地震測(cè)),同時(shí)進(jìn)行瓦斯探測(cè)等分析,根據(jù)鉆探目的制定了成孔流程圖,成孔及實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 成孔及實(shí)驗(yàn)過(guò)程流程

3 氣測(cè)錄設(shè)備及其原理

3.1 紅外氣測(cè)錄設(shè)備工作原理

紅外氣體分析是利用被測(cè)氣體對(duì)紅外光的特征吸收而實(shí)現(xiàn)氣體分析。它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同。剩下的輻射能使得檢測(cè)器里的溫度升高不同,動(dòng)片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產(chǎn)生一個(gè)電容檢測(cè)器的電信號(hào)。當(dāng)對(duì)應(yīng)某一氣體特征吸收波長(zhǎng)的光波通過(guò)被測(cè)氣體時(shí),其強(qiáng)度將明顯減弱,強(qiáng)度衰減程度與該氣體體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。根據(jù)對(duì)透射光強(qiáng)度的測(cè)試,可確定被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù),其基本原理及結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紅外感應(yīng)氣測(cè)原理圖示

3.2 氣測(cè)錄設(shè)備工作流程

SLXL-3小型錄井儀整機(jī)由五部分組成,即氣體分析單元、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、防爆接口箱、傳感器和信號(hào)傳輸線。其中氣體分析單元為該儀器的核心部分,完成烴類(lèi)氣體的凈化處理、干燥吸入和百分濃度含量的檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理和顯示,同時(shí)為防爆接口箱提供 +5 V和 +24 V工作電源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成烴類(lèi)氣體濃度信號(hào)和傳感器信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。防爆接口箱是傳感器信號(hào)的采集、處理和數(shù)據(jù)傳輸中間單元。儀器的工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程

在實(shí)際工作中,脫氣機(jī)盡可能靠近鉆孔,如圖4所示,以在鉆孔流上來(lái)的泥漿中提取氣體樣本,經(jīng)處理后氣體通過(guò)氣泵導(dǎo)入氣體分析單元,經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)變之后傳入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),如圖5所示。

圖4 氣體采集器

圖5 氣體分析設(shè)備

4 勘察結(jié)果分析

4.1 巖芯狀況分析

該鉆孔位于斷層f岳12的斷層影響帶上,巖性主要為Q3al+pl黃土和上石盒子組三段(P2S3)和二段(P2S2)的砂巖夾泥巖或泥質(zhì)頁(yè)巖,其中泥巖占總巖芯長(zhǎng)度的30%。受斷裂帶影響,多數(shù)砂巖巖芯較破碎(如圖6所示),泥巖及泥質(zhì)頁(yè)巖取芯時(shí)相對(duì)完整,但風(fēng)化很快(如圖7所示)。其中砂巖主要為青灰色、灰白色、淺黃色,中粗粒結(jié)構(gòu),少部分為細(xì)粒結(jié)構(gòu),以長(zhǎng)石、石英為主,多數(shù)較破碎,垂直及斜交裂隙發(fā)育,未充填。砂巖中破碎占總數(shù)的30%,較破碎的占50%,較完整的占20%。泥巖和泥質(zhì)頁(yè)巖主要為深灰色、紫紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄層狀構(gòu)造,部分略帶砂感,斜交裂隙發(fā)育,部分表面光滑。

圖6 破碎的砂巖

圖7 風(fēng)化的泥巖

4.2 瓦斯含量和巖性特征的關(guān)系

不同特征的巖層中瓦斯含量不同,測(cè)試的巖層含氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示,從圖8中可以看出,較完整的巖層里面瓦斯?jié)舛容^低,較破碎的巖層中易于瓦斯儲(chǔ)存。泥巖中瓦斯?jié)舛容^低,砂巖中瓦斯?jié)舛绕?巖層破碎、裂隙發(fā)育的砂巖中有利于瓦斯氣體的貯存。破碎的巖體厚度越大越有利于瓦斯氣體的存儲(chǔ),破碎巖體偏薄時(shí),不利于瓦斯?jié)舛鹊奶岣摺Ｔ诟奶綔y(cè)孔中,總體瓦斯成分以重?zé)N為主,較厚的破碎砂巖中較利于輕烴的存儲(chǔ),此時(shí)輕烴成為瓦斯氣體的主要成分。較厚的破碎泥巖中較利于重?zé)N濃度的提高,重?zé)N容易貯存在破碎的泥巖之中。

圖8 巖性特征含氣量對(duì)應(yīng)

4.3 烴含量隨深度變化規(guī)律

在氣測(cè)錄過(guò)程中,氣測(cè)設(shè)備會(huì)隨著鉆孔深度的不斷加深,每米分析一次氣體中的瓦斯含量,輕烴、重?zé)N和全烴的濃度隨鉆孔深度的變化如圖9所示。從圖9中可以看出,重?zé)N含量隨鉆孔深度的變化不大,只是在局部變化明顯,主要集中在厚度較大的破碎帶中。輕烴在多數(shù)位置含量較低,只是在局部含量較大,成為瓦斯的主要成分,主要集中在厚度較大且破碎的中粗粒結(jié)構(gòu)的砂巖中,其最小含量為0,最大含量約為0.15%?？偼咚?jié)舛入S輕烴含量的變化明顯,隨重?zé)N含量的變化不是很明顯。

4.4 含氣段異常狀況分析

從氣測(cè)錄井來(lái)看,該井氣測(cè)顯示共5層,如表1所示。該氣測(cè)錄孔深度共300 m,從基巖處開(kāi)始對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè),總共氣測(cè)錄采集深度276 m。含氣層總厚度為9 m,均位于粗粒結(jié)構(gòu)、中粒結(jié)構(gòu)且比較破碎的砂巖中,占總監(jiān)測(cè)深度的3.3%,最大瓦斯?jié)舛葹?.164%,位于鉆孔的225～227 m深度處,該處主要為破碎的中粒結(jié)構(gòu)砂巖。

圖9 輕烴、重?zé)N、全烴含量隨深度變化

5 誤差分析

考慮到勘察的經(jīng)濟(jì)因素,該孔結(jié)合了巖芯鉆孔、綜合測(cè)井、氣測(cè)錄井和抽水試驗(yàn)于一體,對(duì)該線路經(jīng)過(guò)的f岳12斷層影響帶的地質(zhì)條件進(jìn)行了勘察分析,取得了理想的勘察成果。但是由于該孔不是專(zhuān)門(mén)的氣測(cè)錄孔,對(duì)氣測(cè)錄的效果有一定的影響。主要表現(xiàn)在：

(1)為準(zhǔn)確探明該區(qū)域的巖層特征,為保證有較高的巖芯采取率,對(duì)單次進(jìn)尺有一定的要求,而頻繁的提鉆使得內(nèi)外氣體不斷交換,導(dǎo)致所檢測(cè)到的瓦斯氣體濃度偏低。

(2)該氣測(cè)錄孔是在泥漿中抽取一定量的氣體進(jìn)行瓦斯含量分析,泥漿在從鉆孔底部上升到頂部需要一定的時(shí)間,盡管進(jìn)行了時(shí)間遲到修正,但難免修正不太準(zhǔn)確,導(dǎo)致巖芯狀態(tài)和氣測(cè)錄結(jié)果的對(duì)應(yīng)上有一定的偏差。

(3)該氣測(cè)錄措施采用的是間接測(cè)試,并非直接檢測(cè)巖層裂隙中的氣體,泥漿對(duì)氣體的吸收量和泥漿對(duì)瓦斯氣體的吸收率直接影響了測(cè)試結(jié)果,使得所檢測(cè)的瓦斯氣體濃度偏低。

表1 異常瓦斯含氣段分析

6 結(jié)論

以山西中南部鐵路太岳山隧道勘察項(xiàng)目為依托,在分析了該區(qū)域地質(zhì)條件的前提下,采用紅外氣體分析儀對(duì)其瓦斯含量進(jìn)行探測(cè)分析,分析了巖層特性及瓦斯含量及主要成份的對(duì)應(yīng)關(guān)系,解釋了含氣量隨鉆孔深度不斷變化的規(guī)律,并針對(duì)整個(gè)勘察過(guò)程,分析了可能存在的誤差影響因素。主要得出如下結(jié)論：

(1)較破碎的砂質(zhì)巖層易于瓦斯氣體的貯存,且隨著破碎帶厚度的增加,越利于瓦斯氣體的聚集,完整的砂巖和泥巖區(qū)域不易于瓦斯氣體的儲(chǔ)存。

(2)經(jīng)探測(cè)分析,該氣測(cè)錄孔有3個(gè)含氣層和2個(gè)可疑含氣層,總含氣層厚度9 m,占總監(jiān)測(cè)深度的3.3%,最大瓦斯?jié)舛葹?.16%,對(duì)隧道方案制定、設(shè)計(jì)、施工有一定的影響。

該孔為一孔多用,對(duì)瓦斯氣體檢測(cè)較為理想,但由于瓦斯有流動(dòng)運(yùn)移特性,隨各因素的影響較大,其在地層中的分布不均一,因此單一鉆孔勘測(cè)不足以說(shuō)明問(wèn)題,需要在詳細(xì)查明的地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)。為保證勘測(cè)方案合理和施工及運(yùn)營(yíng)的安全,需要深度探測(cè)瓦斯含量及其變化規(guī)律,并在施工過(guò)程中做好安全保障工作。

[1]張 衛(wèi),王 印,周發(fā)舉,等.SLXL-3型紅外氣體檢測(cè)錄井儀[J].錄井工程,2006(12)

[2]佘明軍,賈世亮,韓學(xué)巖,等.紅外光氣測(cè)錄井技術(shù)應(yīng)用研究[J].錄井工程,2007(6)

[3]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)地路院.太岳山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán),2009

[4]張 雷,尹王保,董 磊,等.基于紅外光譜吸收原理的紅外瓦斯傳感器的實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2006(8)

[5]山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.山西省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社,1989

[6]張 帆,張立萍.紅外吸收光譜法在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用[J].唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005(3)