昌景黃鐵路隧道瓦斯地質(zhì)特征與危險(xiǎn)性評價(jià)

鞏書華，張良平，蔡寧波，申建平

(1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，長沙 410014； 2.湖南省地質(zhì)新能源勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心，長沙 410014)

隨著國家交通基礎(chǔ)工程快速發(fā)展，隧道工程也越來越多。盡管在公路、鐵路隧道選線時(shí)盡可能避免穿越高瓦斯發(fā)育地層，可往往改道建設(shè)會(huì)相應(yīng)增大投入，而不得不采取隧道穿越，也不可避免地增加了工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。隧道中瓦斯災(zāi)害主要表現(xiàn)為中毒、窒息、燃燒、爆炸、煤與瓦斯突出五種情況，其中以瓦斯爆炸最易發(fā)生且危害性大，國內(nèi)外均曾發(fā)生過嚴(yán)重的隧道瓦斯爆炸事故，造成巨大人員傷亡[4-5]。以往對隧道穿越高瓦斯地層的研究工作多集中在煤田煤系地層與油氣田儲(chǔ)集層，對于非常規(guī)含氣層的關(guān)注度較少。本文以擬建昌景黃鐵路隧道穿越寒武系炭質(zhì)泥巖與石煤層為例，討論分析復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化程度含氣層對于隧道施工危險(xiǎn)性影響，為同類型隧道施工提供借鑒。

1 地質(zhì)背景與工程概況

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊東緣、祁門-歙縣大斷裂北側(cè)，剝蝕殘留在前震旦紀(jì)基底之上的蘭田復(fù)式向斜內(nèi)。該向斜軸向近 EW—NW，長大于22 km，寬大于 12 km，向斜核部次級褶皺發(fā)育，擬建鐵路位于蘭田復(fù)式向斜南部(圖1)。區(qū)內(nèi)斷層可分為走向明顯差異的三組：NE向左旋走滑正斷層、近EW向南北對稱的滑覆正斷層、NNW向走滑斷層。區(qū)內(nèi)物探資料顯示，隧道未通過主要斷層，僅下雙坑斷層(F2)在西遞隧道東側(cè)通過。區(qū)內(nèi)主要出露震旦系、寒武系及第四系，在西北側(cè)發(fā)育受北東向構(gòu)造控制的黟縣巖體，其呈橢球形巖株?duì)町a(chǎn)出，侵入時(shí)代為晚三疊世燕山期。

圖1 鐵路隧道區(qū)地質(zhì)略圖

新建昌景黃鐵路東起安徽省黃山市，西至江西省南昌市，在該區(qū)共施工有5條隧道，分別是西武嶺隧道、長演嶺隧道、西遞隧道、靄山隧道以及石碧山隧道。

2 隧道瓦斯地質(zhì)特征

2.1 含瓦斯地層特征

根據(jù)以往資料與實(shí)際調(diào)查分析，認(rèn)為研究區(qū)含瓦斯地層主要為下寒武統(tǒng)荷塘組(1h)與中寒武統(tǒng)楊柳崗組(2y)。其中荷塘組是本區(qū)主要的烴源巖，該組下部巖性為灰黑色薄層—中厚層狀硅質(zhì)泥巖、含硅炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，常見灰色薄層灰質(zhì)白云巖或含灰質(zhì)白云巖透鏡體，含釩、鈾、磷結(jié)核；中部為石煤與含硅質(zhì)炭質(zhì)泥巖互層及炭質(zhì)頁/泥巖，局部夾磷結(jié)核；石煤主要產(chǎn)于其中(圖2)；上部為黑色炭質(zhì)泥巖、含硅質(zhì)泥巖、含炭灰?guī)r、硅質(zhì)巖，風(fēng)化后常呈灰白色，含海綿骨針，局部夾石煤一層。該組炭質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量平均值為4.5%，整體上為好的含氣頁巖，高值區(qū)位于東至—石臺(tái)—黟縣一帶，TOC平均含量為 6.40%，是含氣頁巖發(fā)育的有利區(qū)[6-8]。

a.荷塘組中部石煤礦體(大源石煤礦)； b.荷塘組中部石煤層內(nèi)磷結(jié)核透鏡體

楊柳崗組下部巖性為黑色硅炭質(zhì)泥巖夾深灰色中—厚層條帶狀灰質(zhì)白云巖，其中的黑色巖系為主要的烴源巖；上部為灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r，頂部為白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2 周邊石煤礦開采現(xiàn)狀

石煤是貯藏在古老地層中的一種可燃物質(zhì)，它是在淺海環(huán)境條件下由藻類、菌類等低級生物形成的，屬于生物化學(xué)沉積成因的高灰分腐泥煤類，為高灰、中—高磷、高硫、低熱值燃料[9-10]。通過對研究區(qū)內(nèi)石煤開采礦山的調(diào)研分析，認(rèn)為藍(lán)田向斜內(nèi)荷塘組石煤發(fā)育較好，總厚度為50～70m，有悠久的開采利用歷史，開采方式為露頭開采，石煤礦屬高灰、中—高磷、高硫、低熱值燃料，伴生釩礦(表1)。楊柳崗組炭質(zhì)泥巖內(nèi)暫未發(fā)現(xiàn)有開發(fā)利用史，并通過當(dāng)?shù)貒敛块T求證，隧道周邊范圍內(nèi)無楊柳崗組石煤礦開采。

表1 研究區(qū)石煤礦所采石煤主要工業(yè)分析數(shù)據(jù)

2.3 隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性評價(jià)

本次在研究區(qū)鐵路穿過的5條隧道分別鉆孔取炭質(zhì)泥巖巖心樣，采用HFJ-5型瓦斯解吸速度測定儀進(jìn)行了現(xiàn)場氣體解吸速度測定，同時(shí)測試瓦斯?jié)舛炔λ蓺鈽铀蛯?shí)驗(yàn)室分析氣體成分；對目的層采用黏土封孔測壓法，測試鉆孔進(jìn)行瓦斯壓力測定。測試結(jié)果顯示，研究區(qū)五條隧道鉆孔內(nèi)測得瓦斯?jié)舛扰c壓力均為零，且氣體組分以氮?dú)馀c氧氣為主，僅含微量甲烷與一氧化碳有害氣體(表2)。

表2 研究區(qū)各隧道測試瓦斯?jié)舛?、壓力與氣體組分分析

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》判定瓦斯突出必須同時(shí)滿足下列四個(gè)指標(biāo)：①瓦斯壓力p≥0.74MPa；②瓦斯放散初速度ΔP≥10；③煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5；④煤的破壞類型為Ⅲ類及以上[11]。本次工作在研究區(qū)內(nèi)選取鉆孔所采石煤巖心與周邊石煤礦樣品測得瓦斯放散初速度與堅(jiān)固性系數(shù)(表3)，與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相比，均達(dá)不到瓦斯突出要求，故認(rèn)為區(qū)內(nèi)五條隧道均無瓦斯突出危險(xiǎn)性。

表3 研究區(qū)石煤樣危險(xiǎn)性評價(jià)測試結(jié)果

2.4 其他危險(xiǎn)性評價(jià)

雖然研究區(qū)石煤層測得瓦斯?jié)舛鹊?，但作為高炭質(zhì)含量巖層，在適當(dāng)?shù)臈l件下也可發(fā)生類似于煤的自燃現(xiàn)象。國內(nèi)多個(gè)地區(qū)均有石煤礦自燃報(bào)道，如浙江省臨安市塔山高硫石煤礦在當(dāng)?shù)匦纬闪擞忻摹盎鹧嫔健盵12-13]、浙江省衢州市玳堰礦區(qū)石煤自燃引起爆炸事故，造成人員傷亡與房屋破壞[14]；貴州天柱早寒武世黑色石煤巖系自燃現(xiàn)象破壞周邊生態(tài)環(huán)境[15]；滬昆高鐵長昆段屯坡隧道寒武系杷榔組與牛蹄塘組石煤棄碴自燃。因此，對于隧道施工及后期運(yùn)營考慮，石煤的自燃都是值得關(guān)注的危險(xiǎn)性因素。

通過對區(qū)內(nèi)石煤樣自燃傾向性色譜吸氧測定法分析(表4)，認(rèn)為石碧山、靄山隧道穿越石煤層屬Ⅱ類(自燃)，西遞、長演嶺、西武嶺隧道穿越巖層屬Ⅲ類(不易自燃)等級， 且區(qū)內(nèi)隧道均不具有煤塵爆炸性風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下煤層自燃發(fā)火期時(shí)間周期較長，多以月來統(tǒng)計(jì)?？紤]隧道施工工藝特點(diǎn)，在揭露石煤或炭質(zhì)泥巖后，多在幾天內(nèi)完成噴射混凝土護(hù)壁工作，且揭露的石煤或炭質(zhì)泥巖已運(yùn)至隧道外碴場，故在石碧山與靄山隧道內(nèi)石煤層自燃的可能性也極低。但石煤具有高硫、高黃鐵礦含量，若棄渣場處理不當(dāng)，也有發(fā)生自燃的可能。因此需注意對棄渣妥善處理，同時(shí)對棄渣場應(yīng)密切監(jiān)測。

表4 研究區(qū)煤塵爆炸性與自燃傾向性測試結(jié)果

3 討論

3.1 隧道瓦斯含量低原因分析

區(qū)內(nèi)石碧山、靄山、西遞、長演嶺、西武嶺隧道穿越寒武系荷塘組(∈1h)及楊柳崗組(∈2y)為高有機(jī)碳含量石煤層，具備較好生氣物質(zhì)條件。而本次鉆孔瓦斯?jié)舛葴y定、瓦斯壓力測定、巖心瓦斯(CH4)現(xiàn)場解吸測試等結(jié)果都為0，鉆孔內(nèi)氣體成分(CH4+CO+CO2)含量最高僅0.19%，且CH4含量極微，多小于0.01%。本文認(rèn)為區(qū)內(nèi)瓦斯含量較低的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1)研究區(qū)構(gòu)造保存條件差，有利于瓦斯的散逸。受華南加里東事件影響，皖浙贛地區(qū)擠壓隆升，以西南端嶂公山地區(qū)隆升幅度最大，其他三邊產(chǎn)生由中心往外側(cè)的伸展滑脫及褶皺、斷裂作用，在隆起區(qū)的北部蘭田地區(qū)形成蘭田殘留向斜構(gòu)造，并形成一系列近EW向?qū)ΨQ的滑覆正斷層，自此構(gòu)造事件后，蘭田向斜一直處于上升接受剝蝕狀態(tài)，隧道穿過的荷塘組、楊柳崗組區(qū)段上覆無任何蓋層，直接接受剝蝕，瓦斯難以保存。

2)瓦斯垂直分帶性使淺部地層甲烷含量較低。石煤層內(nèi)生成的瓦斯經(jīng)煤層、圍巖裂隙和斷層向地表運(yùn)動(dòng)，地表的空氣、生物化學(xué)及化學(xué)作用生成的氣體由地表向深部運(yùn)動(dòng)，形成瓦斯垂直分帶[16](圖3)，且隧道埋深均較淺，處于瓦斯風(fēng)氧化帶內(nèi)，故CH4含量極低(表5)。

表5 測試孔瓦斯組分匯總

圖3 瓦斯垂直分帶性示意圖

3)地下水的活動(dòng)有利于瓦斯的逸散。地下水與瓦斯均為流體，其運(yùn)移和賦存均與烴源巖的孔縫通道有關(guān)。地下水的運(yùn)移一方面可驅(qū)動(dòng)孔隙、裂隙中瓦斯的運(yùn)移，另一方面又帶動(dòng)了溶解于水中的瓦斯一起流動(dòng)。此外，由于水吸附在石煤層孔隙和裂隙表面，也減弱了其對瓦斯的吸附能力。因此，區(qū)內(nèi)多個(gè)隧道鉆孔均出現(xiàn)涌水情況(圖4)，也是導(dǎo)致鉆孔揭露瓦斯含量較低的重要原因。

a. Jz-Ⅲ1703-35090孔內(nèi)涌水； b. Jz-Ⅲ1703-35450孔內(nèi)涌水

4)區(qū)內(nèi)寒武系炭質(zhì)泥巖與石煤層熱演化史長、成熟度過高，已不利于生烴。由于調(diào)查區(qū)所處皖南地區(qū)受多期次構(gòu)造活動(dòng)的影響，特別是北側(cè)緊鄰的燕山期黟縣花崗閃長巖體影響，其熱演化程度Ro值過大(>5%)，進(jìn)入過成熟階段[6](圖5)，使其處于低效-無效生烴窗口階段，這是導(dǎo)致現(xiàn)在石煤層內(nèi)瓦斯含量低的主要內(nèi)因。

圖5 皖南地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組Ro平面等值線圖(據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)

3.2 隧道瓦斯危害綜合評價(jià)與建議

擬建昌景黃鐵路穿越五條隧道揭露的寒武系荷塘組與楊柳崗組炭質(zhì)泥巖與石煤層所含瓦斯含量均較低，在施工過程中采取加強(qiáng)通風(fēng)、加強(qiáng)瓦斯檢測、嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”(是指裝藥前、爆破前、爆破后要認(rèn)真檢查爆破地點(diǎn)及附近的瓦斯，瓦斯超過1%，不準(zhǔn)爆破)等安全管理措施的前提下，未來隧道建設(shè)施工中瓦斯的危害是可控的。此外，按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，巖巷掘進(jìn)工作面最低風(fēng)速為V=0.15m/s，擬建隧道開挖最大斷面按S=154m2計(jì)算，則未來隧道最小需求供風(fēng)量為：Q=V×S×60=0.15×154×60=1 386m3/min。

4 結(jié)論

1)擬建昌景黃鐵路穿越石碧山、靄山、西遞、長演嶺與西武嶺隧道揭露寒武系荷塘組與楊柳崗組炭質(zhì)泥巖與石煤層，且該套地層有機(jī)碳含量較高，石煤層屬高灰、中—高磷、高硫、低熱值燃料，具備良好生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

2)區(qū)內(nèi)隧道瓦斯?jié)舛扰c壓力測試結(jié)果均較低，氣體組分以氮?dú)馀c氧氣為主，無瓦斯突出危險(xiǎn)性與石煤塵爆炸性，隧道建設(shè)施工中瓦斯的危害是可控的。

3)西遞、長演嶺、西武嶺隧道揭露石煤層不易自燃，石碧山、靄山揭露石煤層屬Ⅱ類自燃等級，由于自燃周期較長且隧道施工護(hù)壁工作及時(shí)， 且揭露的石煤或炭質(zhì)泥巖已運(yùn)至隧道外碴場，故隧道內(nèi)石煤層自燃的可能性極低，僅需注意對棄渣妥善處理并密切監(jiān)測。

4)區(qū)內(nèi)隧道瓦斯含量較低的原因主要是含氣層保存條件差、瓦斯賦存的垂直分帶性影響、地下水活動(dòng)加速瓦斯逸散以及烴源巖熱演化程度過高，已不利于瓦斯生成。