某鐵礦甲烷形成機理及防治對策

侯垣麒 劉 偉 張軍強 劉天奇

(蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司)

甲烷是一種簡單的有機物，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)歷史時期中有機質(zhì)(如煤層中分散的II型和III型有機質(zhì))，在熱動力條件下轉(zhuǎn)化生成氣態(tài)物質(zhì)，當(dāng)濃度為5%～16%，氧氣不低于12%時，遇到火源后，會發(fā)生爆炸；當(dāng)濃度達(dá)到40%左右，氧氣降至10%時，人會呼吸困難，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)行甲烷氣體檢測時，在其某一段檢測出一定濃度含量的甲烷氣體，測試最大濃度值為0.3%，為超限臨界值的30%，暫時不會對礦井生產(chǎn)構(gòu)成安全威脅。但隨著礦井的掘進(jìn)和開采，甲烷濃度會產(chǎn)生一定變化，因而，弄清甲烷形成機理對于采取相應(yīng)防范措施，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 礦區(qū)概況

龍?zhí)裂罔F礦區(qū)域大地構(gòu)造位置屬揚子準(zhǔn)地臺下?lián)P子臺坳、沿江拱斷褶帶之安慶凹斷褶束，寧蕪繁兩個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)甲烷形成機理

2.1 甲烷氣體形成過程

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

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

第二階段：含有機質(zhì)巖層的構(gòu)造破壞階段。主要是三疊系地層受到印支運動破壞與改造，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存場所。

第三階段：含有機質(zhì)巖層風(fēng)化剝蝕階段。印支運動改造后的巖體經(jīng)過侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)兩個地質(zhì)歷史時期，而此時該地區(qū)處于一個較高的臺地，經(jīng)歷長期的風(fēng)化剝蝕作用后，對早期形成的構(gòu)造裂隙進(jìn)行改造，裂隙不斷擴大。同時古地下水水流作用對裂隙產(chǎn)生一定的溶蝕作用，也將進(jìn)一步擴大裂隙。

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。主要是來自深部地幔的高溫高壓巖漿對含有機物質(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。同時巖漿在侵入過程中發(fā)生成巖作用，此過程自身也產(chǎn)生不同大小成巖裂隙，也可能成為甲烷儲存場所[2-3]。

圖1 甲烷氣體形成四個階段示意

2.2 礦區(qū)甲烷賦存條件

由以上分析可知，三疊系成巖后，印支運動所產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙和火成巖侵入過程中所產(chǎn)生的成巖裂隙均為甲烷氣體的運移儲存提供了有利的空間和場所。由于三疊系巖層中有機質(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)時期的長期風(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 措施井甲烷釋放機理

3.1 甲烷源

龍?zhí)裂罔F礦措施井甲烷是地質(zhì)歷史時期的三疊系含碳有機質(zhì)的源巖，經(jīng)過四個地質(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)生運移的通道與區(qū)域構(gòu)造運動及巖漿侵入作用密切相關(guān)，一者是印支構(gòu)造運動產(chǎn)生了不同大小的構(gòu)造裂隙；二者是侵入過程中產(chǎn)生的成巖裂隙，尤其是后期基巖的風(fēng)化剝蝕作用，進(jìn)一步加強了巖體裂隙的發(fā)育強度。這些裂隙不僅是地下水的儲存空間和徑流通道，也為甲烷氣體提供了儲存空間和運移通道。

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動力。井下調(diào)查表明，甲烷濃度較大的位置往往是出水點較集中的地段。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，淹沒至較為封閉的裂隙(甲烷賦存點)，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施過程中，隨地下水一同流出，從而出現(xiàn)甲烷氣體釋放的現(xiàn)象。

4 甲烷防治對策

通過對龍?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)作用及開采條件決定的。針對上述情況，為保障礦山安全生產(chǎn)，采取了如下措施：

(1)加強地質(zhì)條件調(diào)查與預(yù)測，即在分析區(qū)域和礦井宏觀水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對巷道和工作面的地質(zhì)條件進(jìn)行超前探測，分析構(gòu)造地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，預(yù)測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)，并加強巷道和工作面的有效通風(fēng)，及時排除井下出現(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)對現(xiàn)有開工的井下巷道，采用甲烷監(jiān)測儀器定期對巷道進(jìn)行甲烷氣體濃度監(jiān)測，尤其是出水點位置，確定甲烷氣體出現(xiàn)位置，分析其來源。

(4)在井巷施工過程中，測定甲烷氣體的同時，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源方向和位置。

(5)針對存在甲烷的巷道，要實時監(jiān)測氣體分布及濃度情況，制定礦山甲烷氣體監(jiān)測程序和方法以及相應(yīng)的防治措施。

(6)加強巷道裂隙出水點的水量動態(tài)監(jiān)測與甲烷氣體同步觀測，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)的防范對策。

(7)加強對礦工井下安全生產(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，并按照制定的規(guī)范及防范措施，及時進(jìn)行處理。

5 結(jié) 語

依據(jù)龍?zhí)裂罔F礦的水文地質(zhì)條件，結(jié)合我國下?lián)P子板塊沿江地帶三疊系以來的地質(zhì)演化過程，以及礦井實際生產(chǎn)過程中甲烷的觀測情況，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)三疊系以來地質(zhì)歷史演化過程中所形成，后期因構(gòu)造運動而大量釋放，僅在局部范圍內(nèi)賦存于不同巖體的裂隙中，后通過裂隙水流動作用而攜帶出來。

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

(3)巷道中地下水測試結(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)歷史時期的形成產(chǎn)物，含碳有機質(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空動態(tài)變化性，具有“水-氣”共生特點，就當(dāng)前井下巷道中的甲烷濃度而言，不會影響礦井巷道施工，但應(yīng)做好通風(fēng)措施，避免引起局部甲烷濃度增大，進(jìn)而對安全生產(chǎn)構(gòu)成影響。

(5)依據(jù)甲烷氣體來源及氣體運移裂隙通道的形成機理，由于甲烷賦存的非均勻性，在未來其他巷道掘進(jìn)時，可能遇到類似的甲烷氣體釋放現(xiàn)象，因此需進(jìn)一步加強甲烷氣體出現(xiàn)地點和濃度變化的觀測，及時改善通風(fēng)條件，有針對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，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)類型及其形成機理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011(2):216-220.