煤层浅埋区域铁路隧道瓦斯探测分析

2010-08-06闫常赫

铁道勘察 2010年4期

闫常赫

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

山西中南部铁路通道是国家铁路网规划的重点项目,地处华北地区南部,西起晋中南地区,东至山东日照港口,形成了“西煤东运”的能源运输动脉,先后穿越吕梁山、太岳山、太行山及沂蒙山,沿线地质条件复杂。其中太岳山区域,走向近南北,山势陡峭,高程2 000～2 500 m,地质条件主要为二叠系下统石盒子组含煤线,二叠系下统山西组、石炭系上统太原组含煤地层,具良好的生气条件。且该区域断层及褶皱较发育,部分位置岩体破碎,易于瓦斯储存。开展瓦斯探测的工作对铁路线路方案制定、隧道施工安全和今后的运营安全影响较大。

1 太岳山隧道区域主要地质条件分析

太岳山走向近南北,西翼以霍山大断裂与盆地相接,山势陡峻；东翼为单面山,山势低缓。太岳山顶高程2 000～2 500 m,相对高差1 000～1 500 m。岩性主要为中生界三叠系刘家沟组紫红色、淡紫红色中—厚层状细—中粒钙质、钙铁质胶结长石石英砂岩；上古生界二叠系石千峰组底层为一套干旱气候的广阔湖相沉积,厚100 m左右,多数地区除底部砂岩呈黄绿色活部分黄绿色外其余为紫红色；上统石盒子组杂砂岩、长石石英砂岩及黄绿色、紫红色砂质页岩交互组成；下统上石盒子组长石杂砂岩、长石石英杂砂岩、砂质页岩等各种岩性交互组成；二叠系下统下石盒子组具紫红色斑团黄绿色页岩,下部为灰白色、黄绿色厚层状砂岩灰色页岩,山西组黄绿色和灰色页岩；上古生界石炭系上统太原组灰白色中粗粒砂岩,炭质页岩,局部泥质灰岩。

其中二叠系下统石盒子组含煤线,二叠系下统山西组、石炭系上统太原组均为含煤地层,具良好的生气条件。太岳山隧道进口段和洞身段穿越含煤线地层,在路肩下36～110 m下伏含煤地层。据古县、安泽煤矿瓦斯鉴定资料,瓦斯绝对涌出量0.31～4.68 m3/min,瓦斯相对涌出量2.19～8.36 m3/t。CK387～CK398,CK387～CK398为太岳山坳缘翘起带,岩层陡倾,断层发育,岩体破碎,瓦斯易于富集,CK387～CK420为宽缓的郭道-安泽近南北向复式背斜,瓦斯易于储存。

2 施工工艺流程

太岳山隧道TYYSZ-2深孔,地处太岳山(安泽县境内),位于初测线路左侧20.7 m,地面高程1 074.2 m,设计钻孔深度300 m。该处为断层f岳12的断层影响带,推测断层带物质主要为压碎岩,为瓦斯富集区域。考虑经济因素,充分发挥一孔多用的功效,本孔钻探的主要目的是查明岩性特征、断层位置、基岩含水量,并进行工程综合测井(包括电阻率、自然伽玛、岩石密度、井径、井温、声波及地震测),同时进行瓦斯探测等分析,根据钻探目的制定了成孔流程图,成孔及实验过程如图1所示。

图1 成孔及实验过程流程

3 气测录设备及其原理

3.1 红外气测录设备工作原理

红外气体分析是利用被测气体对红外光的特征吸收而实现气体分析。它基于待分析组分的浓度不同,吸收的辐射能不同。剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同,动片薄膜两边所受的压力不同,从而产生一个电容检测器的电信号。当对应某一气体特征吸收波长的光波通过被测气体时,其强度将明显减弱,强度衰减程度与该气体体积分数有关。根据对透射光强度的测试,可确定被测气体的体积分数,其基本原理及结构如图2所示。

图2 红外感应气测原理图示

3.2 气测录设备工作流程

SLXL-3小型录井仪整机由五部分组成,即气体分析单元、计算机系统、防爆接口箱、传感器和信号传输线。其中气体分析单元为该仪器的核心部分,完成烃类气体的净化处理、干燥吸入和百分浓度含量的检测及数据处理和显示,同时为防爆接口箱提供 +5 V和 +24 V工作电源。计算机系统完成烃类气体浓度信号和传感器信号的采集、存储和远程传输。防爆接口箱是传感器信号的采集、处理和数据传输中间单元。仪器的工作流程如图3所示。

图3 工作流程

在实际工作中,脱气机尽可能靠近钻孔,如图4所示,以在钻孔流上来的泥浆中提取气体样本,经处理后气体通过气泵导入气体分析单元,经信号转变之后传入计算机系统,如图5所示。

图4 气体采集器

图5 气体分析设备

4 勘察结果分析

4.1 岩芯状况分析

该钻孔位于断层f岳12的断层影响带上,岩性主要为Q3al+pl黄土和上石盒子组三段(P2S3)和二段(P2S2)的砂岩夹泥岩或泥质页岩,其中泥岩占总岩芯长度的30%。受断裂带影响,多数砂岩岩芯较破碎(如图6所示),泥岩及泥质页岩取芯时相对完整,但风化很快(如图7所示)。其中砂岩主要为青灰色、灰白色、浅黄色,中粗粒结构,少部分为细粒结构,以长石、石英为主,多数较破碎,垂直及斜交裂隙发育,未充填。砂岩中破碎占总数的30%,较破碎的占50%,较完整的占20%。泥岩和泥质页岩主要为深灰色、紫红色,泥质结构,薄层状构造,部分略带砂感,斜交裂隙发育,部分表面光滑。

图6 破碎的砂岩

图7 风化的泥岩

4.2 瓦斯含量和岩性特征的关系

不同特征的岩层中瓦斯含量不同,测试的岩层含气量对应关系如图8所示,从图8中可以看出,较完整的岩层里面瓦斯浓度较低,较破碎的岩层中易于瓦斯储存。泥岩中瓦斯浓度较低,砂岩中瓦斯浓度偏高,岩层破碎、裂隙发育的砂岩中有利于瓦斯气体的贮存。破碎的岩体厚度越大越有利于瓦斯气体的存储,破碎岩体偏薄时,不利于瓦斯浓度的提高。在改探测孔中,总体瓦斯成分以重烃为主,较厚的破碎砂岩中较利于轻烃的存储,此时轻烃成为瓦斯气体的主要成分。较厚的破碎泥岩中较利于重烃浓度的提高,重烃容易贮存在破碎的泥岩之中。

图8 岩性特征含气量对应

4.3 烃含量随深度变化规律

在气测录过程中,气测设备会随着钻孔深度的不断加深,每米分析一次气体中的瓦斯含量,轻烃、重烃和全烃的浓度随钻孔深度的变化如图9所示。从图9中可以看出,重烃含量随钻孔深度的变化不大,只是在局部变化明显,主要集中在厚度较大的破碎带中。轻烃在多数位置含量较低,只是在局部含量较大,成为瓦斯的主要成分,主要集中在厚度较大且破碎的中粗粒结构的砂岩中,其最小含量为0,最大含量约为0.15%。总瓦斯浓度随轻烃含量的变化明显,随重烃含量的变化不是很明显。

4.4 含气段异常状况分析

从气测录井来看,该井气测显示共5层,如表1所示。该气测录孔深度共300 m,从基岩处开始对瓦斯浓度进行监测,总共气测录采集深度276 m。含气层总厚度为9 m,均位于粗粒结构、中粒结构且比较破碎的砂岩中,占总监测深度的3.3%,最大瓦斯浓度为0.164%,位于钻孔的225～227 m深度处,该处主要为破碎的中粒结构砂岩。