辽宁某重点输水隧洞油气瓦斯形成机理与风险分级研究

季 旭

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

辽宁某重点长距离输水工程，朝阳境内C1#主洞控制桩号C3+318～C2+000，在开挖至桩号C3+122.7掌子面进行爆破钻孔作业过程中，发生可燃气体涌出、并燃烧的现象。通过洞内的视频监控系统监测，掌子面可燃气体燃烧历时75天。该种情况，对隧洞开挖的安全施工及直线工期都产生了较大影响，因此，对本段进行补充地质勘察工作，分析、查明本段瓦斯隧洞的工程地质特性，提出合理的处理建议。

1 综合勘察方法及布置情况

本次勘察首先收集了大量的资料，主要是金羊盆地相关的区域资料，及区域内相关的油气资料；根据收集的区域资料，初步判断洞室内涌出的瓦斯气体为油层气，补充勘察首先进行了区域地质测绘和物探EH4测试，结合测绘和物探成果，在主洞轴线附近布置垂直钻孔(钻至孔深237.4m揭露断层破碎带，孔内伴有瓦斯气体涌出，钻探作业暂停)；在洞内掌子面火焰熄灭后，在掌子面进行水平钻探；钻探作业期间，在孔内/洞内气体各项指标取样和检测、洞内渗出油质取样和检测等相关工作。

2 工程区地质条件

2.1 地质构造

工程区主要位于辽西金岭寺—羊山盆地的中部，为辽西早中生代陆相盆地。金羊盆地位于华北地台燕山台褶带东北缘的中段，是早侏罗世-中侏罗世坳陷型盆地，盆地内堆积了侏罗纪和白垩纪火山沉积地层。区内以燕山早期构造为主，多为逆断层，规模较大，它们多集中于构造盆地边缘，控制着各期火山岩的分布。

2.2 地层岩性

金羊盆地构成基底的地层与华北地层分区一致，由下而上为：太古界变质岩系、中上元古界碎屑岩和碳酸盐岩、古生界海相碎屑岩和碳酸盐岩建造及海陆交互相含煤建造和陆相红色碎屑岩建造。主要地层自下而上分别为：侏罗系北票组、海房沟组、髫髻山组、土城子组和白垩系义县组。本段隧洞主要穿越侏罗系髫髻山组，上部土城子组缺失，直接由白垩系义县组所覆盖。

3 勘察工作成果

3.1 收集资料分析

3.1.1金羊盆地油气发育情况

金羊盆地长约300km，东西宽约39km，面积约5530km2，呈NE向展布。盆地西侧以南天门断裂为界与北票盆地相接，东侧以元古宇与古生界构造层构成的松岭隆起为界，与阜新—义县盆地相接。前人研究表明，该盆地内充填物尤其是侏罗系下统北票组所含的一套湖相泥岩具有良好的油气潜力。工程区所处金羊盆地位置如图1所示。

图1 金岭寺—羊山盆地及邻区地质概图

2002年至今，根据沈阳地质调查局在金羊盆地内不同部位布置的多口地质调查井勘察成果可知，侏罗系中统髫髻山组火山岩中见多处油气显示，侏罗系下统北票组暗色泥页岩现场解析出含甲烷气体。分析原油可能来自盆地侏罗系下统北票组烃源岩。北票组在金羊盆地分布广泛，其烃源岩可能具有较好的生油潜力，金羊盆地天然气生气量为5147.4×108m3，资源量为(7.14～240)×108m3，石油资源量为(0.165～1.26)×108t，油气资源较丰富。

3.1.2油气生、储、盖层条件

金羊盆地整体主要以泥质岩类烃源岩与煤质烃源岩为主，其中北票组分布广泛，是盆地主要烃源岩生层，为盆地油气生成提供了物质基础；根据地震解释资料和大地电磁测深资料分析，北票组埋深一般在400～1100m，最大埋深1400m，其中章吉营子—巴图营子凹陷埋深600～1000m，厚度400～700m。

金羊盆地储集层在纵向上发育5套，即北票组、海房沟组、髫髻山组、土城子组和义县组，储集类型为火山岩和碎屑岩，但有效储集层仅为北票组。储集层按粒级分类有：砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩。储集层的好与坏，主要反映在砂岩的物性上。北票组孔隙度最大为10.2%，最小0.3%，平均为3.71%。渗透率较小，属特低孔特低渗储层。

金羊盆地上部受火山喷发作用覆盖白垩系火成岩地层，地层岩性主要为安山岩、玄武岩、玄武质集块岩、火山岩角砾岩等，多为隐晶质、致密性结构。白垩系地层形成以后燕山晚期构造活动较弱，地质构造发育较差。因此，盆地上部的地层岩体整体完整性较好，对下部的沉积岩地层有较好的封闭作用，在区域内白垩系火成岩地层为相对的油气盖层[1]。

3.2 勘察测试及取样

3.2.1钻孔测试

本次不同时间段的勘察过程中，分别对地面钻孔孔口、隧洞掌子面水平钻孔中及掌子面附近3个部位进行了原位瓦斯气体检测，其中地面钻孔孔内瓦斯浓度为100%，因此，安装封闭器后，对瓦斯流量和压力进行检测，检测成果详见表1—2。

3.2.2气样测试成果

勘察期间，2018年11月15日、23日和26日在地面钻孔孔内共采集气样7件组，7组试样气体中可燃气体CH4含量都较高，达到2.90%～9.72%，除气样2浓度为2.90%，小于CH4燃爆极限外，其余气样浓度均大于CH4燃爆极限。气样成分分析详见表3。

3.2.3岩石样测试成果

洞室内钻孔岩芯样和掌子面附近岩块样，岩石含气性试验成果详见表4。试验表明，3组样中，残余气成分主要以氧气和氮气为主，占到了总气量的99.9%以上，此外还含量少量的氢气、甲烷、乙烷、丙烷和二氧化碳气体，其中甲烷含量小于0.01%。

表1 地面钻孔孔口瓦斯流量、压力检测成果表

表2 C3+122.7掌子面水平钻孔瓦斯检测成果表

地面钻孔ZK1岩芯样含气性试验成果详见表5。解析出的气体成分也主要以氧气和氮气为主，同样占到了总气量的99.9%以上，3组岩样都含有少量二氧化碳，比例占到0.51%～0.66%，3组岩样中有2组岩样含有可燃气体甲烷，甲烷含量在0.02%～0.03%。

通过上述几项岩石试验成果可知，岩石解析出的甲烷气体含量极小，部分存在的含量可能为一些裂隙间赋存的甲烷气体，由此可见，洞室部位上部的白垩系义县组地层和侏罗系髫髻山组地层不是油层气的生成地层(即为非生烃层)。

3.2.4原油试验成果

主洞掌子面附近的左侧边墙位置均揭露有黑色石油质液体渗出，将已喷护好的混凝土浸润成黑色。对渗出的油质取样，进行了室内试验，两样品的族组分分组成饱和烃含量均最高，达到70%以上，这部分是受运移作用的影响，但更主要的是反映了其烃源岩良好，有机质类型生油能力较高。试样成果见表6。

表3 气样成分分析成果表

表4 岩石解析残余气成分试验成果

表5 岩芯解析残余气成分试验成果

表6 原油试验报告

图2 EH4探测I号剖面电阻率反演剖面图

3.3 物探测试成果

本次在可燃气溢出范围的主洞线布置顺洞轴线和垂直洞轴线剖面两条，其中顺洞轴线的I号剖面150～350m之间为主要电阻率异常区，且高阻异常主要呈现自上而下的串珠状高阻异常，串珠状高阻异常推测为断裂构造F1，产状为NE44° NW∠78°-84°。沿F1两侧的高阻异常主要为节理裂隙发育且部分充填天然气或石油质物质所形成，隧洞线路影响长度约159m，桩号范围为C2+969～C3+128。I号剖面电阻率反演剖面图如图2所示。

4 隧洞瓦斯气体分析与评价

4.1 勘察成果综合分析

现场地面钻孔和水平钻孔均检测到瓦斯气体。地面钻孔检测到最大涌出流量为70L/min，压力为28kPa，若将孔口封闭器拆除，让瓦斯气体向空气中自然散逸，涌出流量和压力在短时间内减小较为明显；重新封闭后，涌出流量和压力均逐步上升。由此可见，隧洞下部的瓦斯气体仍有持续补给。

根据现场取样的试验分析来看，7组试样气体中可燃气体CH4含量都较高，除气样2浓度为2.90%，小于CH4燃爆极限外，其余气样浓度均大于CH4燃爆极限；3组岩样解析出的气体成分主要以氧气和氮气为主，其中2组岩样含有可燃气体甲烷，甲烷含量在0.02%～0.03%；隧洞内取两组油样的族组分分组成饱和烃含量均最高，达到70%以上，这部分是受运移作用的影响，主要反映了其烃源岩良好，有机质类型生油能力较高。[2]

4.2 隧洞瓦斯气体形成原因分析

通过对区域资料和综合勘察的成果可知，输水隧洞位于金羊盆地章吉营子-巴图营子凹陷区，凹陷区内北票组分布广泛，沉积厚度大，保存条件相对较好，而北票组沉积期接受了一套富含有机质的灰黑色砂岩、泥岩、页岩为主夹煤层的湖沼、滨浅湖相-半深湖相沉积，成为盆地的主要烃源岩，为盆地油气生成提供了物质基础。

隧洞开挖部位的前方恰好有F1隐伏断层带通过，断裂构造和张开性裂隙是油气运移的主要通道，瓦斯气体通过这些构造从北票组向上运移至浅部，浸染浅表部地层。工程区上部有白垩系火成岩地层形成的良好盖层，封闭了油气继续向上运移和排泄的通道，因此，在盖层以下一定深度的隐伏断裂构造和火山碎屑岩裂隙的赋存了部分油气，形成了高瓦斯富集段，隧洞开挖至该部分，形成临空面，油气顺掌子面及地面钻孔向外释放，从而对隧洞施工形成严重的危害。

4.3 隧洞瓦斯危害性评价

由于目前国内外关于浅层天然气和非煤地层瓦斯对于地下工程影响研究还处于探索阶段，所以本次计算的隧洞单位时间、单位面积内最大瓦斯气体涌出量也只是一个估算值，仅供隧洞设计与施工参考。

表7 C1#主洞上游控制段瓦斯危害定性判别表

在计算掌子面单位时间最大涌出量时，考虑了隧洞所处构造位置、隧洞穿越段岩性等，同时结合野外钻孔测试中瓦斯流量，以及钻孔孔径与隧洞断面之间的尺寸效应，综合计算得到C1#主洞上游掌子面单位时间瓦斯最大涌出量估算值为0.72m3/min。

根据瓦斯的涌出量，并结合隧道所处的油气构造位置，地层、岩性等条件，参考《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120- 2002)，综合判定C1#上游控制段为高瓦斯隧道，其中C2+400～C3+122.7为高瓦斯地层风险段，其余开挖段为低瓦斯地层风险段。瓦斯危害定性详见表7。[3]

4.4 瓦斯隧洞施工处理措施建议

(1)建议下一步施工采用“先探后掘”的方式，瓦斯地层洞段应采用超前钻探和超前探孔相结合的方式，在查明洞室前方瓦斯气体发育情况后，方可进行开挖施工，并加强超前地质预报工作。

(2)由于地质情况的复杂性，钻孔位置的局限性及测试中可能出现的偶然性，故不排除瓦斯局部富集的可能。

(3)隧洞施工过程中加强瓦斯的预测预报和监测工作，建议加强隧洞通风工作。

(4)建议重点对隐伏断层发育段、不同岩性接触蚀变段加强瓦斯气体监测。

(5)隧洞施工过程中加强高浓度二氧化碳的监测工作。

5 结论

本次在揭露瓦斯的隧洞段采取了综合勘察的手段，分别进了深层次的区域地质测绘、垂直和水平钻探、EH4物探，对不同部位的瓦斯气体进行监测，并对施工中所揭露的固、液、气分别进行了取样进行室内试验。通过对各方面的成果资料的分析，查明了隧洞瓦斯的性质、形成机理及对隧洞的影响方式和范围。

辽宁地区近年来，水利隧洞施工蓬勃发展，但揭露高瓦斯隧洞实属首例。根据本工程的经验，日后在深埋长隧洞的勘察过程中，对洞室下部深层的地层情况及隐伏断层的发育情况要做深入的研究，特别是穿越侏罗系、白垩系沉积岩地层时，要加强对是否存在油气生层、储层的研究。