黄陵矿区煤矿井下围岩喷涌气体致灾机理及防治措施

赵继展 张 群 郑凯歌 李 川 陈冬冬

1. 中煤科工集团西安研究院有限公司 2. 黄陵矿业集团有限责任公司

黄陵矿区位于陕西省境内，是国家“八五”期间重点建设的千万吨矿区。2011年以来，该矿区的黄陵一号煤矿、黄陵二号煤矿及芦村一号井（建设煤矿）等在井下采掘过程中，多次出现从围岩中喷涌出大量气体的异常现象，严重威胁煤矿的安全生产，造成矿井停采停掘。这种异常现象此前在黄陵矿区煤矿井下尚未发生，在国内外也极为罕见。为此，笔者分析总结了围岩气体的喷涌特征，研究了围岩气体的成因类型、来源、富集分布规律和致灾机理，提出了针对性防治措施。

图1 研究区构造位置简图（图中红线为研究区范围）

1 矿区地质概况

黄陵矿区位于黄陇侏罗纪煤田东部，煤炭勘查揭露地层由老至新有：上三叠统永坪组、瓦窑堡组；下侏罗统富县组，中侏罗统延安组、直罗组、安定组；下白垩统宜君组、洛河组、环河华池组；新近系上新统；第四系中、上更新统，第四系全新统等地层。中侏罗统延安组为井田内含煤地层，共含煤4层，其中2号煤层为主采煤层，厚度介于3～4 m。构造上，黄陵矿区地处华北板块鄂尔多斯盆地伊陕斜坡庆阳单斜东南角，南与渭北隆起毗邻，东与晋西挠褶带接壤，总体构造格架为褶皱包络面向北西缓倾斜的单斜构造（图1），倾角介于2°～4°，其上有起伏不大的宽缓褶皱，轴向以北北东向为主。含煤地层走向北东，倾向北西，倾角1°～5°。构造变形微弱，构造形迹简单，以包络面内部次级平缓褶皱为主，小型断层次之，大中型断层不发育。

2 围岩气体喷涌情况

2.1 煤矿井下围岩气体喷涌情况

矿区内煤矿井下多次发生围岩大量气体喷涌现象，尤以黄陵二号煤矿的4次喷涌最为典型：①2011年7月3日23时15分，405综采工作面运输机头至机尾煤层底板出现大量气体异常涌出，并且伴随有喷出声音，24 h累计涌出气量约6.4×104m3；②2012年5月14日21时，413辅运巷掘进工作面在掘进过程中发生顶板气体涌出，持续6 d，累计涌出气量约0.7×104m3；③2012年10月12日22时15分，201胶带巷掘进工作面发生底板气体异常涌出，7 d累计涌出气量约0.85×104m3；④2012年10月16日，201辅运巷掘进工作面发生底板气体异常涌出，1个月累计涌出气量约21×104m3。

围岩气体涌出具有以下特点：①突发性和隐蔽性（异常涌出前无明显的征兆）；②涌出集中（24 h涌出6.4×104m3）和涌出量大（最大涌出量为21×104m3）；③与煤及瓦斯突出不同，没有煤参与、没有明显的动力显现现象；④主要来源于顶板和底板围岩；⑤涌出气体主要成分为甲烷。

2.2 地面钻孔围岩气体喷涌情况

调查矿区内的煤炭勘查钻孔，发现有油气显现的钻孔近150个，其中，12个钻孔出现大量气体喷出或逸出，气体喷出的高度一般可达10 m，最高超过30 m，F28号钻孔的现场估计喷气量为1×104m3/d。矿区内有井检孔（斜井、立井的井筒检查孔）因大量涌气导致施工终止，涌气层位为直罗组砂岩顶部灰白色中粗粒砂岩（图2-a）。另一钻孔在2号煤层以下出现大量涌气，致使钻孔井口四周5 m范围内地面全是油水混合物（图2-b）。

3 围岩喷涌气体成因

3.1 气体成因类型

采集了202个顶、底板围岩气体及煤层气样，送中国科学院兰州地质研究所，采用《质谱分析方法通则》（GB/T 6041—2002）进行气体稳定碳同位素测定，测定结果见表1。测定气样的δ13C1均小于－30‰，且为 δ13C1＜ δ13C2＜ δ13C3正序排列，同时 δ13CCO2也均小于－10‰。按碳同位素组成判别无机烷烃气标准[1]及二氧化碳碳同位素判识标准[2]，顶、底板和煤层的气样均为典型的有机成因类别气。

图2 井检孔涌气地层及涌气现场图

图3 δ13C1～δD含量判识图版

依据有机成因气划分标准[1]，底板气样δ13C2最大为－29.01‰，全部小于－28.80‰，δ13C3最大为－25.55‰，全部小于－25.50‰，油型气的特征明显；顶板气样δ13C2最大为－28.60‰，大于－28.80‰，且均小于－25.10‰，δ13C3最大为－25.30‰，大于－25.50‰，且均小于－23.20‰，整体呈现油型气特征；而煤层气样δ13C2和δ13C3值均处于煤层气与油型气界限内，呈煤层气占多的混合气特征。以δ13C2＝－29.00‰作为腐泥型和腐殖型天然气碳同位素值的界限[3-4]，则顶、底板气样显然为腐泥型天然气油型气，而煤层气样δ13C2最小为－27.40‰，大于－29.00‰，煤层气特征明显。

进一步区分气样类型，采用Schoell[5]提出的气体δ13C1与δD关系鉴别图版，以研究区气样测试结果作图（图3），可以看到底板气样主要为原油伴生热解气（油型气），含极少量混合气；顶板气样主要为原油伴生气（油型气）和混合气（油型及生物气）；煤层气则主要为陆源生物气、混合气（油型和生物气）及少量的原油伴生气。

3.2 围岩喷涌气体生气源岩

3.2.1 围岩气样烃源岩特征

根据宋岩等[6]对天然气成因类型及其鉴别研究可知，顶、底板围岩的原油伴生型油型气是典型的腐泥型母质烃源岩在成熟阶段通过热解作用产生。煤层气体主体煤型生物气是腐殖型母质烃源岩在未熟—低成熟阶段形成。

3.2.2 侏罗系烃源岩

采集矿区侏罗系烃源岩送至中国科学院兰州地质研究所测试有机碳含量和镜质组反射率，从测试结果看（图4），有机碳含量多低于1.5%，对照煤系烃源岩有机质丰度评价标准[7]（表2），整体处于差—非常差，检测值稍高部分（延安组延三段和延二段）达到中等，而其对应镜质组反射率仅在6%左右，属低有机质成熟度。整体看有机质成熟度，顶板介于0.62%～0.72%，平均为0.66%，底板介于0.49%～0.78%，平均为0.67%，均处于低成熟阶段，生油气效率低。侏罗系煤层为腐殖型烃源岩，不具备生油气条件。因此，研究区侏罗系物质赋存基础和烃源岩成熟度均未达到大量生油气的条件。

3.2.3 热演化史

矿区所在鄂尔多斯盆地是我国陆上超大型含油气沉积盆地之一[8-12]，经历了多个典型沉积体系，具备多种资源的沉积环境[13-14]，盆地内煤油气共存[15-17]。国内学者[18-19]研究了盆地油气成因类型及来源，但较少针对中生代岩层天然气。盆地构造热演化史是研究烃源岩成熟度、煤油气生成、运移等的重要手段，可采用多种方法反演，其中以镜质体反射率法最为常用[20-22]。利用Barker和Pawlewicz[23]提出的回归公式计算模型，由各层位实测Ro数据，获得各时代的Tmax值。运用Basin-Model盆地模拟软件，优选Lopatin模型，结合EASY%Ro法进行研究区构造热史模拟分析（图5）。

通过模拟分析可知，该区三叠系延长组沉积时期为盆地湖泊沉积发育的鼎盛时期，发育一套厚度大、有机质丰度高的腐泥型主力烃源岩。在晚三叠纪末—早侏罗纪，研究区整体不均匀抬升，导致湖盆发生大面积泥炭沼泽化，形成上三叠统瓦窑堡组—侏罗系煤系地层，发育腐殖型母质烃源岩。晚侏罗纪—早白垩纪初期之后，在燕山运动作用下，发生地层持续沉降产生的埋深热和岩浆岩侵入的构造热事件，地层温度高达约175 ℃，三叠纪延长组烃源岩成熟度大幅度升高，在早白垩纪中期（距今97 Ma）达到生烃产气高峰。

图4 煤层及顶底板泥页岩有机碳含量和镜质体反射率图

表2 煤系烃源岩有机质丰度评价标准表

图5 构造热演化特征模拟图

3.2.4 生气源岩判识

热演化史模拟结果显示，鄂尔多斯盆地延长组属大型内陆湖盆沉积，形成了一套腐泥型（腐泥—偏腐殖混合型）具高产烃能力的延长组长4+5—长9段烃源岩。杨华等[24]认为长7段有机碳含量介于2.45%～5.81%，生烃强度大，且其有机质成熟度大部分达到成熟—高成熟早期（Ro介于0.9%～1.3%）。长7段烃源岩沉积中心为华池—正宁—黄陵一带，研究区正处于该烃源岩沉积中心位置，生烃强度达400×104t/km2。初步判识研究区围岩油型气来源于长7等段。

段毅等[25]研究认为，侏罗系原油与三叠系烃源岩的地球化学特征相似，而与侏罗系煤系地层烃源岩相差甚远，判定其油源岩同为长4+5—长8段半深湖—深湖相腐泥型暗色泥页岩。这个结论从油源岩的角度印证了研究区围岩油型气生气源岩是长7等段的判识结果。

3.3 运移通道

鄂尔多斯盆地经历了加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅5大构造旋回叠加与改造，晚侏罗系的燕山运动中期，盆地发生了600 km以上长度的逆冲、逆掩断层的强烈构造活动。赵文智等[26]通过研究指出，盆地在大型构造作用下，促使鄂尔多斯盆地向东移动，受盆地北侧阴山—燕山褶皱带阻隔，形成了北东向的基底断裂，发生逆时针剪张活动，并在基底断裂附近发育大规模垂直裂缝油气运移通道，导致三叠系油气沿北东向基底断裂向侏罗系煤层顶底板围岩运移。

综合上述分析结果，可以判定研究区围岩喷涌气体是长7等段烃源岩通过热解作用产生的原油伴生型油型气，由燕山运动形成的大规模垂直裂缝运移而来。

4 围岩油型气的致灾机理及防治措施

4.1 围岩油型气的储集分布特点

围岩的油型气由三叠系烃源岩产生并经漫长地质年代运移而来，主要储集于砂岩层中，而矿区延安组属于湖沼相沉积，整体粒度较细，泥岩、粉砂岩分布广泛，且矿区构造变形微弱，以包络面内部次级平缓褶皱为主，小型断层次之，大中型断层不发育，整体上形成了较好的封盖环境。通过矿区井下和地面补勘钻孔探测，以及煤炭勘查钻孔测井、录井资料分析（其分布见图6-a），确认了矿区内直罗组一段砂岩、延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩、瓦窑堡组顶部砂岩等4个连续性较好的砂岩含气层（图6-b）。通过测定，延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩孔隙度均小于5%，渗透率平均值为0.059 mD、0.048 mD和0.048 mD，属无价值致密储集层。

依据勘查揭露地层数据，绘制了黄陵二号煤矿含气砂岩层厚度分布图，以2号煤层上部邻近的延二段七里镇砂岩为例（图7），可以看到砂岩层厚度分布不均，呈区带式展布，结合井下围岩喷涌气体发生地点及构造分布，在背斜的轴部、背向斜的转折端、砂岩上倾尖灭端（砂岩透镜体）气显示现象明显高于其他部位，受构造和岩性控制明显。

图7 黄陵二号煤矿延二段七里镇砂岩厚度分布图

4.2 围岩油型气致灾机理

围岩砂岩层油型气的储集构成了一个潜在威胁，在采掘活动过程中，一旦采动裂隙贯穿隔层，与储集油型气的砂岩层导通，则砂岩层中储集的油型气就迅速喷涌入采掘空间，给矿井安全生产带来极大的危害。

依据钱鸣高等[27]、刘天泉[28]采动岩体破坏的研究成果，顶板“冒落带”“裂隙带”和底板“胀裂带”“微裂隙带”均可导水导气，其范围内有含油型气砂岩层或有与含油型气砂岩层导通的原生构造裂隙存在，工作面回采过程中就会诱发围岩油型气涌出（图8），同理掘进过程中巷道卸压裂隙导通围岩油型气含气层也将导致油型气涌入掘进空间（图9）。

采动裂隙探测和数值模拟显示，顶板采动裂隙发育高度为60 m、底板为40 m，矿区内延二段七里镇砂岩和富县组下部砂岩与2号煤层的间距全部小于采动裂隙导通范围，而直罗组一段砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩与2号煤层的间距在部分区域小于采动裂隙导通范围，因此采动必然导通油型气储集层。

图8 回采诱发围岩油型气涌出示意图

图9 掘进诱发围岩油型气涌出示意图

4.3 防治措施

从围岩油型气的致灾分析可知，消除围岩砂岩层储集的油型气是防治工作的根本。由此提出了利用定向钻探施工技术在采掘活动前针对顶板延二段七里镇砂岩层和底板富县组下部砂岩层进行探抽，合理控制钻孔施工层位和轨迹，同时实现在采掘过程中拦截抽采卸压导通邻近顶底板砂岩层的油型气、采后抽采受采动卸压影响涌入采空区的油型气。从而形成了空间上分顶板、底板，时间上分采前探抽、采中卸压拦截抽采、采后采空区抽采的综合立体抽采模式，在黄陵二号煤矿围岩油型气防治实践中取得了比较好的应用效果。

5 结论

1）黄陵矿区煤矿井下围岩气体喷涌具有突发性、隐蔽性、涌出集中和涌出量大等特点，涌出气体主要成分为甲烷，气体主要来源于围岩。

2）通过碳氢同位素测值判识，顶底板围岩气体为典型低等生物腐泥型母质烃源岩在成熟阶段通过热解作用产生的原油伴生型油型气，煤层气则主要为陆源生物气及混合气（油型与陆源生物气）。

3）烃源岩分析对比及构造热演化史模拟结果揭示，研究区侏罗系围岩油型气来源于延长组长7等段腐泥型主力烃源岩，鄂尔多斯盆地的基底断裂及周围的大规模垂直裂缝为油型气提供了运移通道，侏罗系煤层顶底板砂岩是油型气的主要储集层位，且受构造和岩性控制。

4）针对围岩油型气以游离态储集在砂岩中、由采动裂隙导通涌出的特点，提出并建立了沿含气砂岩层施工钻孔，分源综合立体抽采的油型气防治模式。