黃陵礦區(qū)煤礦井下圍巖噴涌氣體致災(zāi)機(jī)理及防治措施

趙繼展 張 群 鄭凱歌 李 川 陳冬冬

1. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 2. 黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司

黃陵礦區(qū)位于陜西省境內(nèi)，是國家“八五”期間重點(diǎn)建設(shè)的千萬噸礦區(qū)。2011年以來，該礦區(qū)的黃陵一號(hào)煤礦、黃陵二號(hào)煤礦及蘆村一號(hào)井（建設(shè)煤礦）等在井下采掘過程中，多次出現(xiàn)從圍巖中噴涌出大量氣體的異?，F(xiàn)象，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)，造成礦井停采停掘。這種異?，F(xiàn)象此前在黃陵礦區(qū)煤礦井下尚未發(fā)生，在國內(nèi)外也極為罕見。為此，筆者分析總結(jié)了圍巖氣體的噴涌特征，研究了圍巖氣體的成因類型、來源、富集分布規(guī)律和致災(zāi)機(jī)理，提出了針對性防治措施。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置簡圖（圖中紅線為研究區(qū)范圍）

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

黃陵礦區(qū)位于黃隴侏羅紀(jì)煤田東部，煤炭勘查揭露地層由老至新有：上三疊統(tǒng)永坪組、瓦窯堡組；下侏羅統(tǒng)富縣組，中侏羅統(tǒng)延安組、直羅組、安定組；下白堊統(tǒng)宜君組、洛河組、環(huán)河華池組；新近系上新統(tǒng)；第四系中、上更新統(tǒng)，第四系全新統(tǒng)等地層。中侏羅統(tǒng)延安組為井田內(nèi)含煤地層，共含煤4層，其中2號(hào)煤層為主采煤層，厚度介于3～4 m。構(gòu)造上，黃陵礦區(qū)地處華北板塊鄂爾多斯盆地伊陜斜坡慶陽單斜東南角，南與渭北隆起毗鄰，東與晉西撓褶帶接壤，總體構(gòu)造格架為褶皺包絡(luò)面向北西緩傾斜的單斜構(gòu)造（圖1），傾角介于2°～4°，其上有起伏不大的寬緩褶皺，軸向以北北東向?yàn)橹鳌：旱貙幼呦虮睎|，傾向北西，傾角1°～5°。構(gòu)造變形微弱，構(gòu)造形跡簡單，以包絡(luò)面內(nèi)部次級(jí)平緩褶皺為主，小型斷層次之，大中型斷層不發(fā)育。

2 圍巖氣體噴涌情況

2.1 煤礦井下圍巖氣體噴涌情況

礦區(qū)內(nèi)煤礦井下多次發(fā)生圍巖大量氣體噴涌現(xiàn)象，尤以黃陵二號(hào)煤礦的4次噴涌最為典型：①2011年7月3日23時(shí)15分，405綜采工作面運(yùn)輸機(jī)頭至機(jī)尾煤層底板出現(xiàn)大量氣體異常涌出，并且伴隨有噴出聲音，24 h累計(jì)涌出氣量約6.4×104m3；②2012年5月14日21時(shí)，413輔運(yùn)巷掘進(jìn)工作面在掘進(jìn)過程中發(fā)生頂板氣體涌出，持續(xù)6 d，累計(jì)涌出氣量約0.7×104m3；③2012年10月12日22時(shí)15分，201膠帶巷掘進(jìn)工作面發(fā)生底板氣體異常涌出，7 d累計(jì)涌出氣量約0.85×104m3；④2012年10月16日，201輔運(yùn)巷掘進(jìn)工作面發(fā)生底板氣體異常涌出，1個(gè)月累計(jì)涌出氣量約21×104m3。

圍巖氣體涌出具有以下特點(diǎn)：①突發(fā)性和隱蔽性（異常涌出前無明顯的征兆）；②涌出集中（24 h涌出6.4×104m3）和涌出量大（最大涌出量為21×104m3）；③與煤及瓦斯突出不同，沒有煤參與、沒有明顯的動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象；④主要來源于頂板和底板圍巖；⑤涌出氣體主要成分為甲烷。

2.2 地面鉆孔圍巖氣體噴涌情況

調(diào)查礦區(qū)內(nèi)的煤炭勘查鉆孔，發(fā)現(xiàn)有油氣顯現(xiàn)的鉆孔近150個(gè)，其中，12個(gè)鉆孔出現(xiàn)大量氣體噴出或逸出，氣體噴出的高度一般可達(dá)10 m，最高超過30 m，F(xiàn)28號(hào)鉆孔的現(xiàn)場估計(jì)噴氣量為1×104m3/d。礦區(qū)內(nèi)有井檢孔（斜井、立井的井筒檢查孔）因大量涌氣導(dǎo)致施工終止，涌氣層位為直羅組砂巖頂部灰白色中粗粒砂巖（圖2-a）。另一鉆孔在2號(hào)煤層以下出現(xiàn)大量涌氣，致使鉆孔井口四周5 m范圍內(nèi)地面全是油水混合物（圖2-b）。

3 圍巖噴涌氣體成因

3.1 氣體成因類型

采集了202個(gè)頂、底板圍巖氣體及煤層氣樣，送中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所，采用《質(zhì)譜分析方法通則》（GB/T 6041—2002）進(jìn)行氣體穩(wěn)定碳同位素測定，測定結(jié)果見表1。測定氣樣的δ13C1均小于－30‰，且為 δ13C1＜ δ13C2＜ δ13C3正序排列，同時(shí) δ13CCO2也均小于－10‰。按碳同位素組成判別無機(jī)烷烴氣標(biāo)準(zhǔn)[1]及二氧化碳碳同位素判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)[2]，頂、底板和煤層的氣樣均為典型的有機(jī)成因類別氣。

圖2 井檢孔涌氣地層及涌氣現(xiàn)場圖

圖3 δ13C1～δD含量判識(shí)圖版

依據(jù)有機(jī)成因氣劃分標(biāo)準(zhǔn)[1]，底板氣樣δ13C2最大為－29.01‰，全部小于－28.80‰，δ13C3最大為－25.55‰，全部小于－25.50‰，油型氣的特征明顯；頂板氣樣δ13C2最大為－28.60‰，大于－28.80‰，且均小于－25.10‰，δ13C3最大為－25.30‰，大于－25.50‰，且均小于－23.20‰，整體呈現(xiàn)油型氣特征；而煤層氣樣δ13C2和δ13C3值均處于煤層氣與油型氣界限內(nèi)，呈煤層氣占多的混合氣特征。以δ13C2＝－29.00‰作為腐泥型和腐殖型天然氣碳同位素值的界限[3-4]，則頂、底板氣樣顯然為腐泥型天然氣油型氣，而煤層氣樣δ13C2最小為－27.40‰，大于－29.00‰，煤層氣特征明顯。

進(jìn)一步區(qū)分氣樣類型，采用Schoell[5]提出的氣體δ13C1與δD關(guān)系鑒別圖版，以研究區(qū)氣樣測試結(jié)果作圖（圖3），可以看到底板氣樣主要為原油伴生熱解氣（油型氣），含極少量混合氣；頂板氣樣主要為原油伴生氣（油型氣）和混合氣（油型及生物氣）；煤層氣則主要為陸源生物氣、混合氣（油型和生物氣）及少量的原油伴生氣。

3.2 圍巖噴涌氣體生氣源巖

3.2.1 圍巖氣樣烴源巖特征

根據(jù)宋巖等[6]對天然氣成因類型及其鑒別研究可知，頂、底板圍巖的原油伴生型油型氣是典型的腐泥型母質(zhì)烴源巖在成熟階段通過熱解作用產(chǎn)生。煤層氣體主體煤型生物氣是腐殖型母質(zhì)烴源巖在未熟—低成熟階段形成。

3.2.2 侏羅系烴源巖

采集礦區(qū)侏羅系烴源巖送至中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所測試有機(jī)碳含量和鏡質(zhì)組反射率，從測試結(jié)果看（圖4），有機(jī)碳含量多低于1.5%，對照煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]（表2），整體處于差—非常差，檢測值稍高部分（延安組延三段和延二段）達(dá)到中等，而其對應(yīng)鏡質(zhì)組反射率僅在6%左右，屬低有機(jī)質(zhì)成熟度。整體看有機(jī)質(zhì)成熟度，頂板介于0.62%～0.72%，平均為0.66%，底板介于0.49%～0.78%，平均為0.67%，均處于低成熟階段，生油氣效率低。侏羅系煤層為腐殖型烴源巖，不具備生油氣條件。因此，研究區(qū)侏羅系物質(zhì)賦存基礎(chǔ)和烴源巖成熟度均未達(dá)到大量生油氣的條件。

3.2.3 熱演化史

礦區(qū)所在鄂爾多斯盆地是我國陸上超大型含油氣沉積盆地之一[8-12]，經(jīng)歷了多個(gè)典型沉積體系，具備多種資源的沉積環(huán)境[13-14]，盆地內(nèi)煤油氣共存[15-17]。國內(nèi)學(xué)者[18-19]研究了盆地油氣成因類型及來源，但較少針對中生代巖層天然氣。盆地構(gòu)造熱演化史是研究烴源巖成熟度、煤油氣生成、運(yùn)移等的重要手段，可采用多種方法反演，其中以鏡質(zhì)體反射率法最為常用[20-22]。利用Barker和Pawlewicz[23]提出的回歸公式計(jì)算模型，由各層位實(shí)測Ro數(shù)據(jù)，獲得各時(shí)代的Tmax值。運(yùn)用Basin-Model盆地模擬軟件，優(yōu)選Lopatin模型，結(jié)合EASY%Ro法進(jìn)行研究區(qū)構(gòu)造熱史模擬分析（圖5）。

通過模擬分析可知，該區(qū)三疊系延長組沉積時(shí)期為盆地湖泊沉積發(fā)育的鼎盛時(shí)期，發(fā)育一套厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高的腐泥型主力烴源巖。在晚三疊紀(jì)末—早侏羅紀(jì)，研究區(qū)整體不均勻抬升，導(dǎo)致湖盆發(fā)生大面積泥炭沼澤化，形成上三疊統(tǒng)瓦窯堡組—侏羅系煤系地層，發(fā)育腐殖型母質(zhì)烴源巖。晚侏羅紀(jì)—早白堊紀(jì)初期之后，在燕山運(yùn)動(dòng)作用下，發(fā)生地層持續(xù)沉降產(chǎn)生的埋深熱和巖漿巖侵入的構(gòu)造熱事件，地層溫度高達(dá)約175 ℃，三疊紀(jì)延長組烴源巖成熟度大幅度升高，在早白堊紀(jì)中期（距今97 Ma）達(dá)到生烴產(chǎn)氣高峰。

圖4 煤層及頂?shù)装迥囗搸r有機(jī)碳含量和鏡質(zhì)體反射率圖

表2 煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

圖5 構(gòu)造熱演化特征模擬圖

3.2.4 生氣源巖判識(shí)

熱演化史模擬結(jié)果顯示，鄂爾多斯盆地延長組屬大型內(nèi)陸湖盆沉積，形成了一套腐泥型（腐泥—偏腐殖混合型）具高產(chǎn)烴能力的延長組長4+5—長9段烴源巖。楊華等[24]認(rèn)為長7段有機(jī)碳含量介于2.45%～5.81%，生烴強(qiáng)度大，且其有機(jī)質(zhì)成熟度大部分達(dá)到成熟—高成熟早期（Ro介于0.9%～1.3%）。長7段烴源巖沉積中心為華池—正寧—黃陵一帶，研究區(qū)正處于該烴源巖沉積中心位置，生烴強(qiáng)度達(dá)400×104t/km2。初步判識(shí)研究區(qū)圍巖油型氣來源于長7等段。

段毅等[25]研究認(rèn)為，侏羅系原油與三疊系烴源巖的地球化學(xué)特征相似，而與侏羅系煤系地層烴源巖相差甚遠(yuǎn)，判定其油源巖同為長4+5—長8段半深湖—深湖相腐泥型暗色泥頁巖。這個(gè)結(jié)論從油源巖的角度印證了研究區(qū)圍巖油型氣生氣源巖是長7等段的判識(shí)結(jié)果。

3.3 運(yùn)移通道

鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅5大構(gòu)造旋回疊加與改造，晚侏羅系的燕山運(yùn)動(dòng)中期，盆地發(fā)生了600 km以上長度的逆沖、逆掩斷層的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)。趙文智等[26]通過研究指出，盆地在大型構(gòu)造作用下，促使鄂爾多斯盆地向東移動(dòng)，受盆地北側(cè)陰山—燕山褶皺帶阻隔，形成了北東向的基底斷裂，發(fā)生逆時(shí)針剪張活動(dòng)，并在基底斷裂附近發(fā)育大規(guī)模垂直裂縫油氣運(yùn)移通道，導(dǎo)致三疊系油氣沿北東向基底斷裂向侏羅系煤層頂?shù)装鍑鷰r運(yùn)移。

綜合上述分析結(jié)果，可以判定研究區(qū)圍巖噴涌氣體是長7等段烴源巖通過熱解作用產(chǎn)生的原油伴生型油型氣，由燕山運(yùn)動(dòng)形成的大規(guī)模垂直裂縫運(yùn)移而來。

4 圍巖油型氣的致災(zāi)機(jī)理及防治措施

4.1 圍巖油型氣的儲(chǔ)集分布特點(diǎn)

圍巖的油型氣由三疊系烴源巖產(chǎn)生并經(jīng)漫長地質(zhì)年代運(yùn)移而來，主要儲(chǔ)集于砂巖層中，而礦區(qū)延安組屬于湖沼相沉積，整體粒度較細(xì)，泥巖、粉砂巖分布廣泛，且礦區(qū)構(gòu)造變形微弱，以包絡(luò)面內(nèi)部次級(jí)平緩褶皺為主，小型斷層次之，大中型斷層不發(fā)育，整體上形成了較好的封蓋環(huán)境。通過礦區(qū)井下和地面補(bǔ)勘鉆孔探測，以及煤炭勘查鉆孔測井、錄井資料分析（其分布見圖6-a），確認(rèn)了礦區(qū)內(nèi)直羅組一段砂巖、延二段七里鎮(zhèn)砂巖、富縣組下部砂巖、瓦窯堡組頂部砂巖等4個(gè)連續(xù)性較好的砂巖含氣層（圖6-b）。通過測定，延二段七里鎮(zhèn)砂巖、富縣組下部砂巖和瓦窯堡組頂部砂巖孔隙度均小于5%，滲透率平均值為0.059 mD、0.048 mD和0.048 mD，屬無價(jià)值致密儲(chǔ)集層。

依據(jù)勘查揭露地層數(shù)據(jù)，繪制了黃陵二號(hào)煤礦含氣砂巖層厚度分布圖，以2號(hào)煤層上部鄰近的延二段七里鎮(zhèn)砂巖為例（圖7），可以看到砂巖層厚度分布不均，呈區(qū)帶式展布，結(jié)合井下圍巖噴涌氣體發(fā)生地點(diǎn)及構(gòu)造分布，在背斜的軸部、背向斜的轉(zhuǎn)折端、砂巖上傾尖滅端（砂巖透鏡體）氣顯示現(xiàn)象明顯高于其他部位，受構(gòu)造和巖性控制明顯。

圖7 黃陵二號(hào)煤礦延二段七里鎮(zhèn)砂巖厚度分布圖

4.2 圍巖油型氣致災(zāi)機(jī)理

圍巖砂巖層油型氣的儲(chǔ)集構(gòu)成了一個(gè)潛在威脅，在采掘活動(dòng)過程中，一旦采動(dòng)裂隙貫穿隔層，與儲(chǔ)集油型氣的砂巖層導(dǎo)通，則砂巖層中儲(chǔ)集的油型氣就迅速噴涌入采掘空間，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的危害。

依據(jù)錢鳴高等[27]、劉天泉[28]采動(dòng)巖體破壞的研究成果，頂板“冒落帶”“裂隙帶”和底板“脹裂帶”“微裂隙帶”均可導(dǎo)水導(dǎo)氣，其范圍內(nèi)有含油型氣砂巖層或有與含油型氣砂巖層導(dǎo)通的原生構(gòu)造裂隙存在，工作面回采過程中就會(huì)誘發(fā)圍巖油型氣涌出（圖8），同理掘進(jìn)過程中巷道卸壓裂隙導(dǎo)通圍巖油型氣含氣層也將導(dǎo)致油型氣涌入掘進(jìn)空間（圖9）。

采動(dòng)裂隙探測和數(shù)值模擬顯示，頂板采動(dòng)裂隙發(fā)育高度為60 m、底板為40 m，礦區(qū)內(nèi)延二段七里鎮(zhèn)砂巖和富縣組下部砂巖與2號(hào)煤層的間距全部小于采動(dòng)裂隙導(dǎo)通范圍，而直羅組一段砂巖和瓦窯堡組頂部砂巖與2號(hào)煤層的間距在部分區(qū)域小于采動(dòng)裂隙導(dǎo)通范圍，因此采動(dòng)必然導(dǎo)通油型氣儲(chǔ)集層。

圖8 回采誘發(fā)圍巖油型氣涌出示意圖

圖9 掘進(jìn)誘發(fā)圍巖油型氣涌出示意圖

4.3 防治措施

從圍巖油型氣的致災(zāi)分析可知，消除圍巖砂巖層儲(chǔ)集的油型氣是防治工作的根本。由此提出了利用定向鉆探施工技術(shù)在采掘活動(dòng)前針對頂板延二段七里鎮(zhèn)砂巖層和底板富縣組下部砂巖層進(jìn)行探抽，合理控制鉆孔施工層位和軌跡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在采掘過程中攔截抽采卸壓導(dǎo)通鄰近頂?shù)装迳皫r層的油型氣、采后抽采受采動(dòng)卸壓影響涌入采空區(qū)的油型氣。從而形成了空間上分頂板、底板，時(shí)間上分采前探抽、采中卸壓攔截抽采、采后采空區(qū)抽采的綜合立體抽采模式，在黃陵二號(hào)煤礦圍巖油型氣防治實(shí)踐中取得了比較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

1）黃陵礦區(qū)煤礦井下圍巖氣體噴涌具有突發(fā)性、隱蔽性、涌出集中和涌出量大等特點(diǎn)，涌出氣體主要成分為甲烷，氣體主要來源于圍巖。

2）通過碳?xì)渫凰販y值判識(shí)，頂?shù)装鍑鷰r氣體為典型低等生物腐泥型母質(zhì)烴源巖在成熟階段通過熱解作用產(chǎn)生的原油伴生型油型氣，煤層氣則主要為陸源生物氣及混合氣（油型與陸源生物氣）。

3）烴源巖分析對比及構(gòu)造熱演化史模擬結(jié)果揭示，研究區(qū)侏羅系圍巖油型氣來源于延長組長7等段腐泥型主力烴源巖，鄂爾多斯盆地的基底斷裂及周圍的大規(guī)模垂直裂縫為油型氣提供了運(yùn)移通道，侏羅系煤層頂?shù)装迳皫r是油型氣的主要儲(chǔ)集層位，且受構(gòu)造和巖性控制。

4）針對圍巖油型氣以游離態(tài)儲(chǔ)集在砂巖中、由采動(dòng)裂隙導(dǎo)通涌出的特點(diǎn)，提出并建立了沿含氣砂巖層施工鉆孔，分源綜合立體抽采的油型氣防治模式。