昌景黄铁路隧道瓦斯地质特征与危险性评价

巩书华，张良平，蔡宁波，申建平

(1.湖南省煤炭地质勘查院，长沙 410014； 2.湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心，长沙 410014)

随着国家交通基础工程快速发展，隧道工程也越来越多。尽管在公路、铁路隧道选线时尽可能避免穿越高瓦斯发育地层，可往往改道建设会相应增大投入，而不得不采取隧道穿越，也不可避免地增加了工程建设的风险[1-3]。隧道中瓦斯灾害主要表现为中毒、窒息、燃烧、爆炸、煤与瓦斯突出五种情况，其中以瓦斯爆炸最易发生且危害性大，国内外均曾发生过严重的隧道瓦斯爆炸事故，造成巨大人员伤亡[4-5]。以往对隧道穿越高瓦斯地层的研究工作多集中在煤田煤系地层与油气田储集层，对于非常规含气层的关注度较少。本文以拟建昌景黄铁路隧道穿越寒武系炭质泥岩与石煤层为例，讨论分析复杂构造区高演化程度含气层对于隧道施工危险性影响，为同类型隧道施工提供借鉴。

1 地质背景与工程概况

研究区位于扬子板块东缘、祁门-歙县大断裂北侧，剥蚀残留在前震旦纪基底之上的兰田复式向斜内。该向斜轴向近 EW—NW，长大于22 km，宽大于 12 km，向斜核部次级褶皱发育，拟建铁路位于兰田复式向斜南部(图1)。区内断层可分为走向明显差异的三组：NE向左旋走滑正断层、近EW向南北对称的滑覆正断层、NNW向走滑断层。区内物探资料显示，隧道未通过主要断层，仅下双坑断层(F2)在西递隧道东侧通过。区内主要出露震旦系、寒武系及第四系，在西北侧发育受北东向构造控制的黟县岩体，其呈椭球形岩株状产出，侵入时代为晚三叠世燕山期。

图1 铁路隧道区地质略图

新建昌景黄铁路东起安徽省黄山市，西至江西省南昌市，在该区共施工有5条隧道，分别是西武岭隧道、长演岭隧道、西递隧道、霭山隧道以及石碧山隧道。

2 隧道瓦斯地质特征

2.1 含瓦斯地层特征

根据以往资料与实际调查分析，认为研究区含瓦斯地层主要为下寒武统荷塘组(1h)与中寒武统杨柳岗组(2y)。其中荷塘组是本区主要的烃源岩，该组下部岩性为灰黑色薄层—中厚层状硅质泥岩、含硅炭质泥岩、炭质泥岩，常见灰色薄层灰质白云岩或含灰质白云岩透镜体，含钒、铀、磷结核；中部为石煤与含硅质炭质泥岩互层及炭质页/泥岩，局部夹磷结核；石煤主要产于其中(图2)；上部为黑色炭质泥岩、含硅质泥岩、含炭灰岩、硅质岩，风化后常呈灰白色，含海绵骨针，局部夹石煤一层。该组炭质泥岩有机碳含量平均值为4.5%，整体上为好的含气页岩，高值区位于东至—石台—黟县一带，TOC平均含量为 6.40%，是含气页岩发育的有利区[6-8]。

a.荷塘组中部石煤矿体(大源石煤矿)； b.荷塘组中部石煤层内磷结核透镜体

杨柳岗组下部岩性为黑色硅炭质泥岩夹深灰色中—厚层条带状灰质白云岩，其中的黑色岩系为主要的烃源岩；上部为灰黑色泥质灰岩，顶部为白云质灰岩。

2.2 周边石煤矿开采现状

石煤是贮藏在古老地层中的一种可燃物质，它是在浅海环境条件下由藻类、菌类等低级生物形成的，属于生物化学沉积成因的高灰分腐泥煤类，为高灰、中—高磷、高硫、低热值燃料[9-10]。通过对研究区内石煤开采矿山的调研分析，认为蓝田向斜内荷塘组石煤发育较好，总厚度为50～70m，有悠久的开采利用历史，开采方式为露头开采，石煤矿属高灰、中—高磷、高硫、低热值燃料，伴生钒矿(表1)。杨柳岗组炭质泥岩内暂未发现有开发利用史，并通过当地国土部门求证，隧道周边范围内无杨柳岗组石煤矿开采。

表1 研究区石煤矿所采石煤主要工业分析数据

2.3 隧道瓦斯突出危险性评价

本次在研究区铁路穿过的5条隧道分别钻孔取炭质泥岩岩心样，采用HFJ-5型瓦斯解吸速度测定仪进行了现场气体解吸速度测定，同时测试瓦斯浓度并对所采气样送实验室分析气体成分；对目的层采用黏土封孔测压法，测试钻孔进行瓦斯压力测定。测试结果显示，研究区五条隧道钻孔内测得瓦斯浓度与压力均为零，且气体组分以氮气与氧气为主，仅含微量甲烷与一氧化碳有害气体(表2)。

表2 研究区各隧道测试瓦斯浓度、压力与气体组分分析

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》判定瓦斯突出必须同时满足下列四个指标：①瓦斯压力p≥0.74MPa；②瓦斯放散初速度ΔP≥10；③煤的坚固性系数f≤0.5；④煤的破坏类型为Ⅲ类及以上[11]。本次工作在研究区内选取钻孔所采石煤岩心与周边石煤矿样品测得瓦斯放散初速度与坚固性系数(表3)，与规范标准相比，均达不到瓦斯突出要求，故认为区内五条隧道均无瓦斯突出危险性。

表3 研究区石煤样危险性评价测试结果

2.4 其他危险性评价

虽然研究区石煤层测得瓦斯浓度低，但作为高炭质含量岩层，在适当的条件下也可发生类似于煤的自燃现象。国内多个地区均有石煤矿自燃报道，如浙江省临安市塔山高硫石煤矿在当地形成了有名的“火焰山”[12-13]、浙江省衢州市玳堰矿区石煤自燃引起爆炸事故，造成人员伤亡与房屋破坏[14]；贵州天柱早寒武世黑色石煤岩系自燃现象破坏周边生态环境[15]；沪昆高铁长昆段屯坡隧道寒武系杷榔组与牛蹄塘组石煤弃碴自燃。因此，对于隧道施工及后期运营考虑，石煤的自燃都是值得关注的危险性因素。

通过对区内石煤样自燃倾向性色谱吸氧测定法分析(表4)，认为石碧山、霭山隧道穿越石煤层属Ⅱ类(自燃)，西递、长演岭、西武岭隧道穿越岩层属Ⅲ类(不易自燃)等级， 且区内隧道均不具有煤尘爆炸性风险。一般情况下煤层自燃发火期时间周期较长，多以月来统计。考虑隧道施工工艺特点，在揭露石煤或炭质泥岩后，多在几天内完成喷射混凝土护壁工作，且揭露的石煤或炭质泥岩已运至隧道外碴场，故在石碧山与霭山隧道内石煤层自燃的可能性也极低。但石煤具有高硫、高黄铁矿含量，若弃渣场处理不当，也有发生自燃的可能。因此需注意对弃渣妥善处理，同时对弃渣场应密切监测。

表4 研究区煤尘爆炸性与自燃倾向性测试结果

3 讨论

3.1 隧道瓦斯含量低原因分析

区内石碧山、霭山、西递、长演岭、西武岭隧道穿越寒武系荷塘组(∈1h)及杨柳岗组(∈2y)为高有机碳含量石煤层，具备较好生气物质条件。而本次钻孔瓦斯浓度测定、瓦斯压力测定、岩心瓦斯(CH4)现场解吸测试等结果都为0，钻孔内气体成分(CH4+CO+CO2)含量最高仅0.19%，且CH4含量极微，多小于0.01%。本文认为区内瓦斯含量较低的原因主要有以下几个方面：

1)研究区构造保存条件差，有利于瓦斯的散逸。受华南加里东事件影响，皖浙赣地区挤压隆升，以西南端嶂公山地区隆升幅度最大，其他三边产生由中心往外侧的伸展滑脱及褶皱、断裂作用，在隆起区的北部兰田地区形成兰田残留向斜构造，并形成一系列近EW向对称的滑覆正断层，自此构造事件后，兰田向斜一直处于上升接受剥蚀状态，隧道穿过的荷塘组、杨柳岗组区段上覆无任何盖层，直接接受剥蚀，瓦斯难以保存。

2)瓦斯垂直分带性使浅部地层甲烷含量较低。石煤层内生成的瓦斯经煤层、围岩裂隙和断层向地表运动，地表的空气、生物化学及化学作用生成的气体由地表向深部运动，形成瓦斯垂直分带[16](图3)，且隧道埋深均较浅，处于瓦斯风氧化带内，故CH4含量极低(表5)。

表5 测试孔瓦斯组分汇总

图3 瓦斯垂直分带性示意图

3)地下水的活动有利于瓦斯的逸散。地下水与瓦斯均为流体，其运移和赋存均与烃源岩的孔缝通道有关。地下水的运移一方面可驱动孔隙、裂隙中瓦斯的运移，另一方面又带动了溶解于水中的瓦斯一起流动。此外，由于水吸附在石煤层孔隙和裂隙表面，也减弱了其对瓦斯的吸附能力。因此，区内多个隧道钻孔均出现涌水情况(图4)，也是导致钻孔揭露瓦斯含量较低的重要原因。

a. Jz-Ⅲ1703-35090孔内涌水； b. Jz-Ⅲ1703-35450孔内涌水

4)区内寒武系炭质泥岩与石煤层热演化史长、成熟度过高，已不利于生烃。由于调查区所处皖南地区受多期次构造活动的影响，特别是北侧紧邻的燕山期黟县花岗闪长岩体影响，其热演化程度Ro值过大(>5%)，进入过成熟阶段[6](图5)，使其处于低效-无效生烃窗口阶段，这是导致现在石煤层内瓦斯含量低的主要内因。

图5 皖南地区下寒武统荷塘组Ro平面等值线图(据文献[6]修改)

3.2 隧道瓦斯危害综合评价与建议

拟建昌景黄铁路穿越五条隧道揭露的寒武系荷塘组与杨柳岗组炭质泥岩与石煤层所含瓦斯含量均较低，在施工过程中采取加强通风、加强瓦斯检测、严格执行“一炮三检”(是指装药前、爆破前、爆破后要认真检查爆破地点及附近的瓦斯，瓦斯超过1%，不准爆破)等安全管理措施的前提下，未来隧道建设施工中瓦斯的危害是可控的。此外，按照《煤矿安全规程》规定，岩巷掘进工作面最低风速为V=0.15m/s，拟建隧道开挖最大断面按S=154m2计算，则未来隧道最小需求供风量为：Q=V×S×60=0.15×154×60=1 386m3/min。

4 结论

1)拟建昌景黄铁路穿越石碧山、霭山、西递、长演岭与西武岭隧道揭露寒武系荷塘组与杨柳岗组炭质泥岩与石煤层，且该套地层有机碳含量较高，石煤层属高灰、中—高磷、高硫、低热值燃料，具备良好生烃物质基础。

2)区内隧道瓦斯浓度与压力测试结果均较低，气体组分以氮气与氧气为主，无瓦斯突出危险性与石煤尘爆炸性，隧道建设施工中瓦斯的危害是可控的。

3)西递、长演岭、西武岭隧道揭露石煤层不易自燃，石碧山、霭山揭露石煤层属Ⅱ类自燃等级，由于自燃周期较长且隧道施工护壁工作及时， 且揭露的石煤或炭质泥岩已运至隧道外碴场，故隧道内石煤层自燃的可能性极低，仅需注意对弃渣妥善处理并密切监测。

4)区内隧道瓦斯含量较低的原因主要是含气层保存条件差、瓦斯赋存的垂直分带性影响、地下水活动加速瓦斯逸散以及烃源岩热演化程度过高，已不利于瓦斯生成。