龙泉山红层区瓦斯隧道灾害特征分析

　　摘要:依据拟建成简快速路项目龙泉山隧道勘测成果及搜集相关红层区瓦斯隧道资料，通过对气源成因模型、瓦斯测试成果对比分析以及施工监测成果的分析，表明红层瓦斯主要来源于深部的烃源岩，经过漫长的地质时期，通过构造、裂隙运移至浅层孔隙、裂隙较发育的砂岩层中储集，形成一个个瓦斯气囊，当隧道穿越瓦斯气囊时就形成了瓦斯隧道。

　　关键词:红层,瓦斯隧道,气源,瓦斯气囊,灾害特征,龙泉山

　　随着我国经济发展，综合国力提高，高速公路、高速铁路的建设也得到了长足的发展，从东部、中部的平原、微丘区，向西部的中低山、高山、高原区迅速发展。隧道工程的比例、规模、复杂程度也越来越大，而瓦斯隧道则成为了项目的关键和控制性工程，给设计、施工、运营都带来了一定的安全风险。瓦斯是各种有毒有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)[1-2]。

　　含有瓦斯的地层为瓦斯地层，瓦斯地层主要有两类，一是煤系瓦斯地层，二是非煤系瓦斯地层(主要为油页岩及含天然气、石油地层)[2]。本文结合已有项目红层区构造地层特征、瓦斯气源运移存储特征、试验测试成果、后续施工监测成果等多方面分析，总结非煤系地层四川红层区瓦斯隧道灾害特征，为后期类似工况提供一种思路。

　　1龙泉山红层区气源特征

　　红层是一种外观以红色为主色调的陆相碎屑岩沉积地层[3]，龙泉山红层主要是侏罗系、白垩系地层，岩性以红色、紫红色、砖红色砂岩、粉砂岩、泥岩、砾岩为主，四川红层主要分布在四川盆地、盆地边缘以及攀枝花、西昌地区，总面积约16.5万km2。

　　四川盆地是我国最大的含油气盆地，截至2008年底，国土资源部矿产储量委员会公布四川盆地已发现125个天然气田，累计探明天然气地质储量17225.02亿m3[4]。而侏罗系、白垩系红层不是烃源岩，又不具有生烃能力。自1950年代以来，国内对四川盆地的天然气资源进行了大规模的勘探和研究工作，研究表明四川盆地的主要气源层位于深部的震旦系、石炭系、二叠系、三叠系四套9个主要产气层[5]。

　　早期的地层由于未发生构造运动，瓦斯在红层盖层之下呈弥漫状分布，后期随着构造运动的产生，储集层中的瓦斯通过断层或者裂隙自下而上的运移至孔隙率相对较大的砂岩层或者裂隙发育带中，由于压力的变化瓦斯在该类地层中自由运移。随着漫长的气藏环境的化学变化和多次构造运动的变化，局部断层和裂缝封闭性质发生变化，原有的运移通道上部形成了新的盖层，从而形成了新的储集体，这些储集体就是瓦斯气囊。

　　2红层区瓦斯气化学成分及物理特征

　　瓦斯隧道的主要危害就是爆炸，为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质成分及爆炸的界限。针对龙泉山红层区瓦斯气体成分，拟建龙泉山隧道进行了室外和室内取样实验分析。通过对周边气田及隧道工程气体成分分析可以知道，工区内瓦斯气体成分变化较大，深层气田以甲烷和其他可燃气体为主，浅表层瓦斯气成分变化较大，以甲烷、氮气、氧气为主，CO2含量非常少，H2S、CO几乎没有。隧道施工过程中瓦斯爆炸的条件是:一定浓度的瓦斯、一定浓度的氧气以及高温火源同时存在。

　　3红层区隧道瓦斯涌出量估算方法及判别标准

　　对于瓦斯隧道涌出量现行铁路、公路规范均给出了瓦斯涌出量的计算公式，但公式均为煤系地层瓦斯隧道涌出量的计算公式。对于非煤系地层的瓦斯，由于其赋存无规律与煤系地层有较大的差异，因此不宜按现行铁路、公路规范中的计算公式计算瓦斯涌出量。

　　目前非煤系地层瓦斯涌出量主要有3种计算方法，一是依靠通风时的瓦斯浓度大致估算瓦斯涌出量[6];二是通过隧道工作面超前钻孔模拟隧道开挖情况计算瓦斯涌出量[7];三是苏培东教授依据石油部门油气储量的计算公式结合已有工程实例建立天然气溢出量计算模型[8]。前两种计算方法多用于隧道施工开挖后的工况进行瓦斯涌出量的计算，在勘察设计阶段无法运用，因此本文仅列第三种算法，且该种方法在红层区多个项目中已运用并且在施工阶段得到了相应的验证[9]。

　　现行规范给出的瓦斯隧道分类和判别标准均为煤系地层的瓦斯隧道，结合龙泉山红层地区实际地质特征，部分已建和拟建工程初步形成了该区浅层天然气高瓦斯隧道的判别标准:①隧道控制性测试钻孔天然气最大浓度大于1.5%，且隧道主要测试钻孔有天然气显示;②即使隧道控制性测试钻孔天然气最大浓度小于1.5%，但隧道所处构造部位为天然气聚集区或运移、逸出的有利指向区;③隧道直接穿越油气生烃层或储集层;④在龙泉山背斜段的隧道长度大于1000m。

　　基于以上公式和判别标准，对新建成简快速路龙泉山隧道(长5005m)施工图勘察阶段3个隧道深孔均进行了天然气测试工作，3个钻孔均显示有可燃气体存在，但是差别较大，含气性最明显的ZK3号孔，这也说明了红层天然气差异变化大，不确定性的特征。ZK3号孔终孔后24h、48h、72h、96h开展气体浓度测试，测试可燃气体浓度为300ppm、300ppm、150000ppm和25000ppm;一氧化碳浓度为0ppm、0ppm、1000ppm、55ppm。估算隧道瓦斯可能含气量141141m3，计算的天然气涌出量应为2.69m3/min。拟建龙泉山隧道高瓦斯段落三段3569m，占比71.38%，其余为低瓦斯段落。

　　4结论

　　龙泉山红层区地质条件较复杂，龙泉山箱状背斜是一个大的储气构造。通过新建成简快速路龙泉山隧道现场勘察，并结合周边成渝高速、成渝客专、地铁18号线等已有工程资料分析，很明确龙泉山地区红层瓦斯隧道气源特征为，深部生烃岩类形成天然气体，经过构造、裂隙通道运移至上部砂岩储集层中，由于泥岩的封盖和周边构造环境的变化从而形成一个个气囊。瓦斯的主要化学成分以甲烷为主，瓦斯成分各段变化较大，瓦斯的分布、各向异性变化较大很难预测确定。红层高瓦斯判别标准除了规范规定的瓦斯气体浓度指标外，还应考虑构造部位为天然气聚集区或运移、逸出的有利指向区，生烃层、储集层等有利瓦斯气富集段落为高瓦斯区。

　　参考文献:

　　[1]白继承，罗自品，张祉道，等.铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京:中国铁道出版社，2012:2-4.

　　[2]母进伟，许湘华，郭军，等.贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南[Z].北京:人民交通出版社，2014:2-4.

　　[3]黄绍槟，程强，胡厚田.四川红层分布及工程环境特征研究[J].公路，2005(5):81-85.

　　[4]马永生，蔡勋育，赵培荣，等.四川盆地大中型气田分布特征与勘探方向[J].石油学报，2010，31(3):347-354.

　　相关论文投稿刊物：《石油学报》(双月刊)创刊于1980年，是中国石油学会主办，国内外公开发行的石油及天然气科学技术方面的综合性学术期刊。

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