龍泉山紅層區瓦斯隧道災害特征分析

　　摘要:依據擬建成簡快速路項目龍泉山隧道勘測成果及搜集相關紅層區瓦斯隧道資料，通過對氣源成因模型、瓦斯測試成果對比分析以及施工監測成果的分析，表明紅層瓦斯主要來源于深部的烴源巖，經過漫長的地質時期，通過構造、裂隙運移至淺層孔隙、裂隙較發育的砂巖層中儲集，形成一個個瓦斯氣囊，當隧道穿越瓦斯氣囊時就形成了瓦斯隧道。

　　關鍵詞:紅層,瓦斯隧道,氣源,瓦斯氣囊,災害特征,龍泉山

　　隨著我國經濟發展，綜合國力提高，高速公路、高速鐵路的建設也得到了長足的發展，從東部、中部的平原、微丘區，向西部的中低山、高山、高原區迅速發展。隧道工程的比例、規模、復雜程度也越來越大，而瓦斯隧道則成為了項目的關鍵和控制性工程，給設計、施工、運營都帶來了一定的安全風險。瓦斯是各種有毒有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷(CH4)[1-2]。

　　含有瓦斯的地層為瓦斯地層，瓦斯地層主要有兩類，一是煤系瓦斯地層，二是非煤系瓦斯地層(主要為油頁巖及含天然氣、石油地層)[2]。本文結合已有項目紅層區構造地層特征、瓦斯氣源運移存儲特征、試驗測試成果、后續施工監測成果等多方面分析，總結非煤系地層四川紅層區瓦斯隧道災害特征，為后期類似工況提供一種思路。

　　1龍泉山紅層區氣源特征

　　紅層是一種外觀以紅色為主色調的陸相碎屑巖沉積地層[3]，龍泉山紅層主要是侏羅系、白堊系地層，巖性以紅色、紫紅色、磚紅色砂巖、粉砂巖、泥巖、礫巖為主，四川紅層主要分布在四川盆地、盆地邊緣以及攀枝花、西昌地區，總面積約16.5萬km2。

　　四川盆地是我國最大的含油氣盆地，截至2008年底，國土資源部礦產儲量委員會公布四川盆地已發現125個天然氣田，累計探明天然氣地質儲量17225.02億m3[4]。而侏羅系、白堊系紅層不是烴源巖，又不具有生烴能力。自1950年代以來，國內對四川盆地的天然氣資源進行了大規模的勘探和研究工作，研究表明四川盆地的主要氣源層位于深部的震旦系、石炭系、二疊系、三疊系四套9個主要產氣層[5]。

　　早期的地層由于未發生構造運動，瓦斯在紅層蓋層之下呈彌漫狀分布，后期隨著構造運動的產生，儲集層中的瓦斯通過斷層或者裂隙自下而上的運移至孔隙率相對較大的砂巖層或者裂隙發育帶中，由于壓力的變化瓦斯在該類地層中自由運移。隨著漫長的氣藏環境的化學變化和多次構造運動的變化，局部斷層和裂縫封閉性質發生變化，原有的運移通道上部形成了新的蓋層，從而形成了新的儲集體，這些儲集體就是瓦斯氣囊。

　　2紅層區瓦斯氣化學成分及物理特征

　　瓦斯隧道的主要危害就是爆炸，為了更好的防止瓦斯爆炸，就要很好的了解瓦斯爆炸的主要物質成分及爆炸的界限。針對龍泉山紅層區瓦斯氣體成分，擬建龍泉山隧道進行了室外和室內取樣實驗分析。通過對周邊氣田及隧道工程氣體成分分析可以知道，工區內瓦斯氣體成分變化較大，深層氣田以甲烷和其他可燃氣體為主，淺表層瓦斯氣成分變化較大，以甲烷、氮氣、氧氣為主，CO2含量非常少，H2S、CO幾乎沒有。隧道施工過程中瓦斯爆炸的條件是:一定濃度的瓦斯、一定濃度的氧氣以及高溫火源同時存在。

　　3紅層區隧道瓦斯涌出量估算方法及判別標準

　　對于瓦斯隧道涌出量現行鐵路、公路規范均給出了瓦斯涌出量的計算公式，但公式均為煤系地層瓦斯隧道涌出量的計算公式。對于非煤系地層的瓦斯，由于其賦存無規律與煤系地層有較大的差異，因此不宜按現行鐵路、公路規范中的計算公式計算瓦斯涌出量。

　　目前非煤系地層瓦斯涌出量主要有3種計算方法，一是依靠通風時的瓦斯濃度大致估算瓦斯涌出量[6];二是通過隧道工作面超前鉆孔模擬隧道開挖情況計算瓦斯涌出量[7];三是蘇培東教授依據石油部門油氣儲量的計算公式結合已有工程實例建立天然氣溢出量計算模型[8]。前兩種計算方法多用于隧道施工開挖后的工況進行瓦斯涌出量的計算，在勘察設計階段無法運用，因此本文僅列第三種算法，且該種方法在紅層區多個項目中已運用并且在施工階段得到了相應的驗證[9]。

　　現行規范給出的瓦斯隧道分類和判別標準均為煤系地層的瓦斯隧道，結合龍泉山紅層地區實際地質特征，部分已建和擬建工程初步形成了該區淺層天然氣高瓦斯隧道的判別標準:①隧道控制性測試鉆孔天然氣最大濃度大于1.5%，且隧道主要測試鉆孔有天然氣顯示;②即使隧道控制性測試鉆孔天然氣最大濃度小于1.5%，但隧道所處構造部位為天然氣聚集區或運移、逸出的有利指向區;③隧道直接穿越油氣生烴層或儲集層;④在龍泉山背斜段的隧道長度大于1000m。

　　基于以上公式和判別標準，對新建成簡快速路龍泉山隧道(長5005m)施工圖勘察階段3個隧道深孔均進行了天然氣測試工作，3個鉆孔均顯示有可燃氣體存在，但是差別較大，含氣性最明顯的ZK3號孔，這也說明了紅層天然氣差異變化大，不確定性的特征。ZK3號孔終孔后24h、48h、72h、96h開展氣體濃度測試，測試可燃氣體濃度為300ppm、300ppm、150000ppm和25000ppm;一氧化碳濃度為0ppm、0ppm、1000ppm、55ppm。估算隧道瓦斯可能含氣量141141m3，計算的天然氣涌出量應為2.69m3/min。擬建龍泉山隧道高瓦斯段落三段3569m，占比71.38%，其余為低瓦斯段落。

　　4結論

　　龍泉山紅層區地質條件較復雜，龍泉山箱狀背斜是一個大的儲氣構造。通過新建成簡快速路龍泉山隧道現場勘察，并結合周邊成渝高速、成渝客專、地鐵18號線等已有工程資料分析，很明確龍泉山地區紅層瓦斯隧道氣源特征為，深部生烴巖類形成天然氣體，經過構造、裂隙通道運移至上部砂巖儲集層中，由于泥巖的封蓋和周邊構造環境的變化從而形成一個個氣囊。瓦斯的主要化學成分以甲烷為主，瓦斯成分各段變化較大，瓦斯的分布、各向異性變化較大很難預測確定。紅層高瓦斯判別標準除了規范規定的瓦斯氣體濃度指標外，還應考慮構造部位為天然氣聚集區或運移、逸出的有利指向區，生烴層、儲集層等有利瓦斯氣富集段落為高瓦斯區。

　　參考文獻:

　　[1]白繼承，羅自品，張祉道，等.鐵路瓦斯隧道技術規范[S].北京:中國鐵道出版社，2012:2-4.

　　[2]母進偉，許湘華，郭軍，等.貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南[Z].北京:人民交通出版社，2014:2-4.

　　[3]黃紹檳，程強，胡厚田.四川紅層分布及工程環境特征研究[J].公路，2005(5):81-85.

　　[4]馬永生，蔡勛育，趙培榮，等.四川盆地大中型氣田分布特征與勘探方向[J].石油學報，2010，31(3):347-354.

　　相關論文投稿刊物：《石油學報》(雙月刊)創刊于1980年，是中國石油學會主辦，國內外公開發行的石油及天然氣科學技術方面的綜合性學術期刊。

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