侯垣麒 劉 偉 張軍強(qiáng) 劉天奇

(蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司)

甲烷是一種簡(jiǎn)單的有機(jī)物，為含碳量最小的烴，在自然界分布廣泛，是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分，也叫瓦斯。它一般形成于地質(zhì)歷史時(shí)期中有機(jī)質(zhì)(如煤層中分散的II型和III型有機(jī)質(zhì))，在熱動(dòng)力條件下轉(zhuǎn)化生成氣態(tài)物質(zhì)，當(dāng)濃度為5%～16%，氧氣不低于12%時(shí)，遇到火源后，會(huì)發(fā)生爆炸；當(dāng)濃度達(dá)到40%左右，氧氣降至10%時(shí)，人會(huì)呼吸困難，出現(xiàn)昏迷，甚至窒息。

甲烷是瓦斯的主要成分，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的瓦斯?jié)舛瘸拗禐?%。在龍?zhí)裂罔F礦措施井巷道進(jìn)行甲烷氣體檢測(cè)時(shí)，在其某一段檢測(cè)出一定濃度含量的甲烷氣體，測(cè)試最大濃度值為0.3%，為超限臨界值的30%，暫時(shí)不會(huì)對(duì)礦井生產(chǎn)構(gòu)成安全威脅。但隨著礦井的掘進(jìn)和開(kāi)采，甲烷濃度會(huì)產(chǎn)生一定變化，因而，弄清甲烷形成機(jī)理對(duì)于采取相應(yīng)防范措施，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦區(qū)概況

龍?zhí)裂罔F礦區(qū)域大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坳、沿江拱斷褶帶之安慶凹斷褶束，寧蕪繁兩個(gè)中生代火山盆地接壤部位西緣。除第四系覆蓋層外，該區(qū)出露的地層為中生界三疊系中統(tǒng)徐家山組和黃馬青組，這兩套地層呈整合接觸關(guān)系[1]。由于三疊系巖層中有機(jī)質(zhì)分布的成層性及不均勻性，導(dǎo)致甲烷氣體在空間上賦存。

區(qū)內(nèi)主要為一背斜構(gòu)造，系裕湯復(fù)背斜次一級(jí)金龍背斜，核部地層為三疊系中統(tǒng)徐家山組，兩翼為黃馬青組。背斜軸部位于礦區(qū)南部，隨下部巖漿巖頂面的隆起和凹陷，地層產(chǎn)狀有相應(yīng)變化。礦體主要產(chǎn)于背斜的北西翼[1]。

2 礦區(qū)甲烷形成機(jī)理

2.1 甲烷氣體形成過(guò)程

根據(jù)該地區(qū)三疊系以來(lái)的地質(zhì)演化史，甲烷氣體形成可劃分成以下四個(gè)階段(見(jiàn)圖1)：

第一階段：有機(jī)質(zhì)形成階段。在三疊紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期，由前海相向陸相演化過(guò)程中沉積了碳酸鹽、泥巖等含有機(jī)物質(zhì)的巖層，是產(chǎn)甲烷氣體的生源巖。

第二階段：含有機(jī)質(zhì)巖層的構(gòu)造破壞階段。主要是三疊系地層受到印支運(yùn)動(dòng)破壞與改造，不僅破壞了原有沉積巖的層狀結(jié)構(gòu)，使之發(fā)生褶皺變形與抬升，同時(shí)也在巖層內(nèi)部產(chǎn)生不同尺度的構(gòu)造斷裂，從而為后期甲烷氣體的賦存提供儲(chǔ)存場(chǎng)所。

第三階段：含有機(jī)質(zhì)巖層風(fēng)化剝蝕階段。印支運(yùn)動(dòng)改造后的巖體經(jīng)過(guò)侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)兩個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期，而此時(shí)該地區(qū)處于一個(gè)較高的臺(tái)地，經(jīng)歷長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕作用后，對(duì)早期形成的構(gòu)造裂隙進(jìn)行改造，裂隙不斷擴(kuò)大。同時(shí)古地下水水流作用對(duì)裂隙產(chǎn)生一定的溶蝕作用，也將進(jìn)一步擴(kuò)大裂隙。

第四階段，甲烷氣體形成及賦存階段，即燕山期的火成巖侵入階段。主要是來(lái)自深部地幔的高溫高壓巖漿對(duì)含有機(jī)物質(zhì)的巖層產(chǎn)生熱解作用，產(chǎn)生甲烷氣體，然后賦存于階段二、三所產(chǎn)生三疊系地層的裂隙中。同時(shí)巖漿在侵入過(guò)程中發(fā)生成巖作用，此過(guò)程自身也產(chǎn)生不同大小成巖裂隙，也可能成為甲烷儲(chǔ)存場(chǎng)所[2-3]。

圖1 甲烷氣體形成四個(gè)階段示意

2.2 礦區(qū)甲烷賦存條件

由以上分析可知，三疊系成巖后，印支運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙和火成巖侵入過(guò)程中所產(chǎn)生的成巖裂隙均為甲烷氣體的運(yùn)移儲(chǔ)存提供了有利的空間和場(chǎng)所。由于三疊系巖層中有機(jī)質(zhì)分布的成層性及不均勻性，導(dǎo)致甲烷氣體在空間上賦存的不均勻性，其中，裂隙的分布是甲烷氣體在空間上分布的主要控制因素。而裂隙的分布又與其構(gòu)造性質(zhì)存在密切的關(guān)系。對(duì)礦區(qū)向斜及背斜而言，其轉(zhuǎn)折端是裂隙發(fā)育最有利的部位。若它與外界保持開(kāi)放的聯(lián)系，往往導(dǎo)致甲烷氣體的急劇釋放而難以保存；若構(gòu)造裂隙發(fā)育在較為封閉的地質(zhì)環(huán)境，則甲烷氣體較容易富集保存。

該研究區(qū)處于我國(guó)下?lián)P子板塊火成巖侵入接觸帶，礦區(qū)整體以抬升與張裂作用為主，尤其是后期的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)地質(zhì)時(shí)期的長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕作用，多數(shù)地段甲烷氣體因此發(fā)生釋放，而僅在局部地段因構(gòu)造封閉并處于還原環(huán)境下使得甲烷氣體得以保存。

3 措施井甲烷釋放機(jī)理

3.1 甲烷源

龍?zhí)裂罔F礦措施井甲烷是地質(zhì)歷史時(shí)期的三疊系含碳有機(jī)質(zhì)的源巖，經(jīng)過(guò)四個(gè)地質(zhì)歷史階段，在高溫高壓作用下，與各種水汽成分在較為封閉的環(huán)境下形成，并受其形成的物質(zhì)基礎(chǔ)(內(nèi)因)和外部條件控制(外因)。該地段甲烷形成后絕大部分通過(guò)不同的構(gòu)造裂隙通道進(jìn)行天然釋放，僅有少部分賦存于較為封閉的原環(huán)境下，后期可能與地下水一起賦存，形成水-氣共存狀態(tài)，成為措施井的甲烷源。

3.2 通 道

措施井內(nèi)賦存的甲烷氣體后期發(fā)生運(yùn)移的通道與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿侵入作用密切相關(guān)，一者是印支構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了不同大小的構(gòu)造裂隙；二者是侵入過(guò)程中產(chǎn)生的成巖裂隙，尤其是后期基巖的風(fēng)化剝蝕作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了巖體裂隙的發(fā)育強(qiáng)度。這些裂隙不僅是地下水的儲(chǔ)存空間和徑流通道，也為甲烷氣體提供了儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道。

3.3 甲烷氣體釋放的誘發(fā)因素

措施井巷道內(nèi)釋放甲烷氣體，僅有上述兩個(gè)條件是不夠的。巷道內(nèi)裂隙出水才是甲烷氣體釋放的主要?jiǎng)恿?。井下調(diào)查表明，甲烷濃度較大的位置往往是出水點(diǎn)較集中的地段。這與受到前期礦井突水淹井影響有關(guān)，即礦井淹井造成地下水位大幅度上升，淹沒(méi)至較為封閉的裂隙(甲烷賦存點(diǎn))，形成水-氣共存狀態(tài)，甲烷氣體在后期超前探水與疏干排水等工程實(shí)施過(guò)程中，隨地下水一同流出，從而出現(xiàn)甲烷氣體釋放的現(xiàn)象。

4 甲烷防治對(duì)策

通過(guò)對(duì)龍?zhí)裂罔F礦出現(xiàn)甲烷氣體的地質(zhì)歷史背景、形成階段、成因機(jī)理以及誘發(fā)因素等分析，表明措施井出現(xiàn)甲烷氣體是該地區(qū)地質(zhì)作用及開(kāi)采條件決定的。針對(duì)上述情況，為保障礦山安全生產(chǎn)，采取了如下措施：

(1)加強(qiáng)地質(zhì)條件調(diào)查與預(yù)測(cè)，即在分析區(qū)域和礦井宏觀水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道和工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行超前探測(cè)，分析構(gòu)造地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)甲烷氣體存在的可能性，防止甲烷氣體在局部地段的突然逸出。

(2)杜絕掘進(jìn)巷道和工作面甲烷氣體的積聚。完善掘進(jìn)巷道的通風(fēng)系統(tǒng)，盡快形成永久通風(fēng)，并加強(qiáng)巷道和工作面的有效通風(fēng)，及時(shí)排除井下出現(xiàn)的甲烷氣體及硫化氫氣體，避免甲烷氣體在局部地段的聚集，保證安全生產(chǎn)。

(3)對(duì)現(xiàn)有開(kāi)工的井下巷道，采用甲烷監(jiān)測(cè)儀器定期對(duì)巷道進(jìn)行甲烷氣體濃度監(jiān)測(cè)，尤其是出水點(diǎn)位置，確定甲烷氣體出現(xiàn)位置，分析其來(lái)源。

(4)在井巷施工過(guò)程中，測(cè)定甲烷氣體的同時(shí)，定期采集水樣，分析水源與甲烷氣體濃度之間的關(guān)系，進(jìn)一步確定甲烷具體來(lái)源方向和位置。

(5)針對(duì)存在甲烷的巷道，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體分布及濃度情況，制定礦山甲烷氣體監(jiān)測(cè)程序和方法以及相應(yīng)的防治措施。

(6)加強(qiáng)巷道裂隙出水點(diǎn)的水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與甲烷氣體同步觀測(cè)，分析二者之間的關(guān)系，進(jìn)一步尋找其在空間上的變化規(guī)律，并制定相應(yīng)的防范對(duì)策。

(7)加強(qiáng)對(duì)礦工井下安全生產(chǎn)教育，若發(fā)現(xiàn)井下甲烷濃度增加或有異味現(xiàn)象，立即匯報(bào)，并按照制定的規(guī)范及防范措施，及時(shí)進(jìn)行處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)龍?zhí)裂罔F礦的水文地質(zhì)條件，結(jié)合我國(guó)下?lián)P子板塊沿江地帶三疊系以來(lái)的地質(zhì)演化過(guò)程，以及礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中甲烷的觀測(cè)情況，經(jīng)系統(tǒng)分析，得出以下結(jié)論：

(1)措施井巷道中出現(xiàn)的甲烷氣體為該地區(qū)三疊系以來(lái)地質(zhì)歷史演化過(guò)程中所形成，后期因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而大量釋放，僅在局部范圍內(nèi)賦存于不同巖體的裂隙中，后通過(guò)裂隙水流動(dòng)作用而攜帶出來(lái)。

(2)依據(jù)目前措施井下監(jiān)測(cè)結(jié)果，現(xiàn)有生產(chǎn)條件下出現(xiàn)的甲烷氣體，相對(duì)于瓦斯臨界值，其濃度處于較低值。

(3)巷道中地下水測(cè)試結(jié)果表明，與甲烷氣體相伴生的硫化物氣體，佐證了甲烷氣體是地質(zhì)歷史時(shí)期的形成產(chǎn)物，含碳有機(jī)質(zhì)在巖漿侵入條件下經(jīng)高溫高壓熱解后形成甲烷氣體，并賦存于一個(gè)較為封閉的還原環(huán)境中。

(4)措施井巷道中甲烷氣體分布具有時(shí)空動(dòng)態(tài)變化性，具有“水-氣”共生特點(diǎn)，就當(dāng)前井下巷道中的甲烷濃度而言，不會(huì)影響礦井巷道施工，但應(yīng)做好通風(fēng)措施，避免引起局部甲烷濃度增大，進(jìn)而對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成影響。

(5)依據(jù)甲烷氣體來(lái)源及氣體運(yùn)移裂隙通道的形成機(jī)理，由于甲烷賦存的非均勻性，在未來(lái)其他巷道掘進(jìn)時(shí)，可能遇到類似的甲烷氣體釋放現(xiàn)象，因此需進(jìn)一步加強(qiáng)甲烷氣體出現(xiàn)地點(diǎn)和濃度變化的觀測(cè)，及時(shí)改善通風(fēng)條件，有針對(duì)性地制定安全防范措施。

[1] 陶月贊.和縣龍?zhí)裂罔F礦礦區(qū)水文地質(zhì)勘探報(bào)告[R].蕪湖：蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司，2008.

[2] 李三忠，李安龍，范德江，等.安徽巢北地區(qū)的中生代構(gòu)造變形及其大地構(gòu)造背景[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009(2)：209-219.

[3] 楊兆彪，秦 勇，高 弟.黔西比德-三塘盆地煤層群含氣系統(tǒng)類型及其形成機(jī)理[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):216-220.