黄晖¹，蒋法文¹，韩必武¹，张平松²
(1.淮南矿业(集团)有限责任公司地质研究院，安徽淮南 232001；
2.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)
 

摘 要：淮南潘谢矿区A组煤层开拓过程中，在巷道掘进施工钻孔中揭露灰岩发生瓦斯异常喷出现象，其瞬间涌出量大使得巷道掘进地质条件复杂。为查清喷出气体状况，采用地球物理与化学综合勘探方法对气体来源、储气空腔及导气通道等内容进行探查与判断。根据钻孔喷出气体成分及同位素测定，判断灰岩层中集气与A组煤气体不同源，即灰岩层段具有生贮气能力；物探查明在二灰和三灰岩层之间存在多处瓦斯贮气空腔或潜在的贮气空腔，在平面上大致沿轨道上山方位呈串珠状展布，且在三灰岩层中局部岩溶裂隙发育；连通试验表明1煤层底板各岩层之间连通性较好，且主要是通过煤层底板灰岩相连通，其岩溶及裂隙较发育。综合探查分析获取的成果得到后期施工钻孔证实。
关键字：异常气体喷出；灰岩钻孔；A组煤层；淮南矿区
    潘谢矿区A组煤层储量丰富，赋存稳定，煤质好，目前已有潘二、潘北、张集等矿井实施开拓任务。由于开采的地质、水文地质条件复杂，断层构造多，水平向地应力大，海相岩层遇水膨胀，深部岩层裂隙发育，底板存在灰岩溶洞或溶隙，尤其是近距离的底板灰岩含水层水压高、局部富含瓦斯，对A组煤安全开采构成了巨大威胁，其煤层开拓具有多灾源的地质条件。潘二矿南一采区A组煤准备巷道为全区首个开拓A组煤施工区，该采区为潘集背斜北翼，煤岩层走向为NWW向，倾角10°～13°，A组煤层为两层：分别为A1煤层，厚为3.12～3.43m；A3煤层，厚4.85～5.86m。两煤层间夹矸0.95～1.05m。A1煤层底板下约15m处起往下发育有120m厚的石灰岩、砂岩及砂质泥岩地层。其中灰岩划分为13层，总厚约50m。一灰～五灰底部局部含煤线，厚0.1～1.1m不等，三灰富水性较其他组的灰岩强。在采区轨道上山GD1钻场施工中发生灰岩段瓦斯气体喷孔现象，该钻场先后施工2个放水钻孔，1号、2号两孔终孔平距约18m(图1)。其中先施工的2号孔终孔长度为122m，出水量为0.12m³/h，并有微量瓦斯涌出；而1号钻孔施工至35m处出水，水量约0.9m³/h。当1号孔钻进至97.5m深度时，孔中发生严重的瓦斯喷出现象，其中钻孔出水量相对较小，水温40°左右。而瓦斯喷出量较大，达6700m³。后续现场测试时表现为孔口呈间歇性喷水、喷瓦斯气体，水和瓦斯量相对较小。
    缺乏对A组煤地层地质条件的揭露认识，喷孔气体带来的危害巨大，为查清灰岩放水钻孔瓦斯喷出原因，通过气样采集与测试分析、现场物探探查及连通试验等综合地球物理与化学方法进行研究，查明了喷孔气体来源、储气空腔及导气通道等具体内容，分析A组煤层底板岩层的赋气规律、煤与岩层中气体的连通性等关键问题，为A组煤层安全开拓提供方法技术的保障。
1  综合探查方法技术
1.1  基于地球化学方法喷出气体成分与气源的确定
    田地质学中，不同煤层及其瓦斯气体，形成的腐植类或腐泥类物质类型不同，其中的C3和C4种类不同，从而形成的CH₄成分中C同位素的分馏效果不一样。同时在不同环境长期作用下，其分馏作用程度和酶的活性都有较大差异，因此通过对其中CH4中的δ¹³C/¹²C值测试可用来区别不同的CH₄成分来源，结合瓦斯气体的成分测定，可以直接对不同气体的来源进行判断分析。
1.2 基于地震和电磁综合方法储气空间的探查
    地下不同岩层其弹性和电性参数具有一定差别，同一岩层，由于其结构特征发生变化，使得波阻抗和电阻率值也会发生改变。A组煤层作为突出煤层，其与顶、底板岩层物性条件具有明显的差异，因此，具备进行地震波和电磁法勘探的地球物理基础。针对南一采区A组煤层赋存基本特征，通过现场实测，获得底板岩层的基本物性条件。利用巷道和钻孔电法，以及反射地震波法，对轨道上山及已有的1号，2号，3号钻孔条件实施综合探查，根据岩层电阻率差异及反射波组特征综合分析1号钻孔周边的地质条件，对灰岩岩溶裂隙发育状况以及气体赋存条件进行有效判断。现场布置和利用空间平面分布如图1所示，其中粗线为探查布置的勘测线。

1.3 基于连通试验岩层中导气通道的探查
    层介质裂隙等沟通状况可以通过连通试验进行相应的测试。现场朝向1煤底板打钻施工钻孔，测定钻孔的瓦斯流量、瓦斯成分及瓦斯涌出方式等内容。通过在不同钻孔中释放SF6气体，检测1煤底板流体通道的连通性，根据监测出气体的情况分析通道发育情况，对1煤层底板的灰岩通道进行模拟与再现。 

    对现场样品采集，共完成7件气样和煤样的测试。将对比的A组煤气样和钻孔喷出不明气体样进行混合编号，对CH₄，CO₂，N₂，O₂等气体成分，以及氢的有无进行了测试。碳同位素比值主要测试为δ¹³C/δ¹²C的值。整个测试过程是由中国科学技术大学技术人员完成，表1为气体成分测试结果统计。
    表明，根据瓦斯气体成分基本上可将混合样品分为两组，其中CH₄含量大于70%，主要有样品3，4和7三个样品，另外4个样品均在45%～53%，变化不大。考虑到采样方法一样，可以说明，气体成分的差异是由于样品来源的环境不同所造成。3，4和7三个样品氧气含量均小于2.3%，CO₂含量小于5.3%，其他样品含量氧气含量均大于6.2%，CO₂含量大于16.4%，样品含量差2～5倍。同样，据同位素比值可将测试样品分为3组，即1，2，5和6号样品为一组，比值基本在25～30，3和4号样为一组，其比值在45～50，7号样比值相比较高达60以上。表2为测试同位素比值结果。

    上述测试指标可知，同一个来源或相似来源、存在环境相近的瓦斯样品为1，2，5和6号4个样品，另一组为3，4和7号3个样品。其中前一组样品取自异常气体源的1号和3号穿灰岩钻孔，而另外3个样品取自A组煤层气体孔。最终判断灰岩孔喷出气体与A组煤层瓦斯不是同一种气体，即不同源，可能为灰岩底部薄煤层生成。
2.2 储气空腔判断
    南一采区A组煤轨道上山和1号，2号放水钻孔等现场条件，分别采集三维电法及反射地震波数据，所控制的平面范围为轨道上山巷道中心线两边各30m，垂向深度为50m左右。图2分别为轨道上山左帮底板地震波剖面和直流电法剖面图，其中地震波剖面中(图2(a))出现3处波组不连续区域，电阻率剖面中(图2(b))出现3处高、低阻异常，两者异常位置对应较为吻合，此为异常区准确位置的判定依据。图3为根据地震波反射波组连续性及振幅、频率特征的异同，以及电阻率高、低阻差异所圈定的空间，解释4个异常区域，编号分别为异常1～4。其中，异常1区为低阻特征，与1号钻孔钻探过程中出水位置相一致，即低阻区解释为岩层富水区；异常2，3和4区为高阻特征，且异常2区即为钻孔喷瓦斯位置。相比较而言，异常2区较异常3，4区的高阻阻值低，分析是喷气后受水动力条件影响结果。这里对于高阻异常区分析为无水空腔可能性大，可能聚积一定的气体。即高阻异常区域可能为岩层中的岩溶裂隙及其空腔，富集气体；而异常3区即为1号钻孔在透孔后继续钻进至125m处发生吸水放气现象的位置。

    南一采区A组煤轨道上山和1号，2号放水钻孔等现场条件，分别采集三维电法及反射地震波数据，所控制的平面范围为轨道上山巷道中心线两边各30m，垂向深度为50m左右。图2分别为轨道上山左帮底板地震波剖面和直流电法剖面图，其中地震波剖面中(图2(a))出现3处波组不连续区域，电阻率剖面中(图2(b))出现3处高、低阻异常，两者异常位置对应较为吻合，此为异常区准确位置的判定依据。图3为根据地震波反射波组连续性及振幅、频率特征的异同，以及电阻率高、低阻差异所圈定的空间，解释4个异常区域，编号分别为异常1～4。其中，异常1区为低阻特征，与1号钻孔钻探过程中出水位置相一致，即低阻区解释为岩层富水区；异常2，3和4区为高阻特征，且异常2区即为钻孔喷瓦斯位置。相比较而言，异常2区较异常3，4区的高阻阻值低，分析是喷气后受水动力条件影响结果。这里对于高阻异常区分析为无水空腔可能性大，可能聚积一定的气体。即高阻异常区域可能为岩层中的岩溶裂隙及其空腔，富集气体；而异常3区即为1号钻孔在透孔后继续钻进至125m处发生吸水放气现象的位置。
    来说，探测控制区域中异常1低阻区，判断为含水空隙；异常2高阻区，判断为瓦斯贮气空腔；异常3和4高阻区，判断为潜在的贮气空腔。高阻异常区主要在二灰和三灰岩层之间，在平面上大致沿轨道上山方位呈珠状展布，垂深为巷道底板下15～20m(图3)，对这些位置设计了相应的验证钻孔。探测区域内三灰岩层中局部岩溶裂隙发育，具有小溶洞发育的可能性，为瓦斯贮存提供了空间。且裂隙之间具有一定的连通性，使得地下水、气交互极为便利。后期施工的5，6，7号验证钻孔在圈定异常位置均打到瓦斯异常和含水异常区。

    在轨道巷顶、底板岩煤层中施工不同的导气考查孔，先后进行3次SF6释放与接收试验，根据所获数据综合分析认为：A组1煤层与底板的1号放水孔之间区域，岩层导通性较差。在打至灰岩的4号考查孔放SF6气样，1号放水孔收集的气样中SF6的浓度最大值大于15×10-9，并经历由“小到大再到小”的过程，表明1煤煤层底板的灰岩中连通性较好，并可能存在多处岩溶与裂隙。灰岩连通之间就近连通，气体扩散通道主要是灰岩间联络通道，而非断层构造。在施工穿灰岩的1号放水孔，2号、3号、4号考查孔过程中，孔内都出现较高浓度瓦斯，且各个钻孔揭穿灰岩的方位不同，这说明1煤煤层底板灰岩都具有贮气空间，进一步表明1煤煤层底板的灰岩岩溶裂隙发育充分。
3 结论
   (1)由潘二矿瓦斯地质条件分析，认为煤系地层的沉积环境是影响1煤底板灰岩瓦斯赋存的主要地质因素之一。喷孔气体成分及同位素测定结果表明，1号钻孔喷出气体与A组煤气体不同源，可能为揭穿灰岩的底部薄煤层生成。灰岩层岩溶裂隙发育，其上部为透水透气性差的砂泥岩地层，导致生成的瓦斯气体在地下水压力下不断向岩溶裂隙或溶洞积聚，形成封闭水气包或气体空腔。
    (2)探测区中A组煤岩底板二灰和三灰岩层间存在多处瓦斯贮气空腔或潜在的贮气空腔，在平面上大致沿轨道上山方位呈串珠状展布。三灰岩层中局部岩溶裂隙发育，具有发育成小溶洞的可能性。说明A组煤层底板灰岩岩溶及裂隙较发育。
    (3)1煤煤层与底板灰岩之间连通性较差，甚至不连通。推断1煤中赋存的瓦斯不是其底板灰岩中瓦斯的主要来源；1煤底板各岩层之间具有一定的连通性，且主要是通过底板灰岩相连通。
    (4)综合运用多种测试分析技术，查清南一采区1号钻孔瓦斯喷孔原因，并对A组煤层的沉积环境及瓦斯赋存特征进行讨论，为潘谢矿区A组煤开采实践提供研究基础，具有重要的指导作用。