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

(蕪湖和成礦業發展有限公司)

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。它一般形成于地質歷史時期中有機質(如煤層中分散的II型和III型有機質)，在熱動力條件下轉化生成氣態物質，當濃度為5%～16%，氧氣不低于12%時，遇到火源后，會發生爆炸；當濃度達到40%左右，氧氣降至10%時，人會呼吸困難，出現昏迷，甚至窒息。

甲烷是瓦斯的主要成分，《煤礦安全規程》規定的瓦斯濃度超限值為1%。在龍塘沿鐵礦措施井巷道進行甲烷氣體檢測時，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構成安全威脅。但隨著礦井的掘進和開采，甲烷濃度會產生一定變化，因而，弄清甲烷形成機理對于采取相應防范措施，具有十分重要的現實意義。

1 礦區概況

龍塘沿鐵礦區域大地構造位置屬揚子準地臺下揚子臺坳、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，該區出露的地層為中生界三疊系中統徐家山組和黃馬青組，這兩套地層呈整合接觸關系[1]。由于三疊系巖層中有機質分布的成層性及不均勻性，導致甲烷氣體在空間上賦存。

區內主要為一背斜構造，系裕湯復背斜次一級金龍背斜，核部地層為三疊系中統徐家山組，兩翼為黃馬青組。背斜軸部位于礦區南部，隨下部巖漿巖頂面的隆起和凹陷，地層產狀有相應變化。礦體主要產于背斜的北西翼[1]。

2 礦區甲烷形成機理

2.1 甲烷氣體形成過程

根據該地區三疊系以來的地質演化史，甲烷氣體形成可劃分成以下四個階段(見圖1)：

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

第二階段：含有機質巖層的構造破壞階段。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構，使之發生褶皺變形與抬升，同時也在巖層內部產生不同尺度的構造斷裂，從而為后期甲烷氣體的賦存提供儲存場所。

第三階段：含有機質巖層風化剝蝕階段。印支運動改造后的巖體經過侏羅紀和白堊紀兩個地質歷史時期，而此時該地區處于一個較高的臺地，經歷長期的風化剝蝕作用后，對早期形成的構造裂隙進行改造，裂隙不斷擴大。同時古地下水水流作用對裂隙產生一定的溶蝕作用，也將進一步擴大裂隙。

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的巖層產生熱解作用，產生甲烷氣體，然后賦存于階段二、三所產生三疊系地層的裂隙中。同時巖漿在侵入過程中發生成巖作用，此過程自身也產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，印支運動所產生的構造裂隙和火成巖侵入過程中所產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分布的成層性及不均勻性，導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造性質存在密切的關系。對礦區向斜及背斜而言，其轉折端是裂隙發育最有利的部位。若它與外界保持開放的聯系，往往導致甲烷氣體的急劇釋放而難以保存；若構造裂隙發育在較為封閉的地質環境，則甲烷氣體較容易富集保存。

該研究區處于我國下揚子板塊火成巖侵入接觸帶，礦區整體以抬升與張裂作用為主，尤其是后期的侏羅紀和白堊紀地質時期的長期風化剝蝕作用，多數地段甲烷氣體因此發生釋放，而僅在局部地段因構造封閉并處于還原環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

龍塘沿鐵礦措施井甲烷是地質歷史時期的三疊系含碳有機質的源巖，經過四個地質歷史階段，在高溫高壓作用下，與各種水汽成分在較為封閉的環境下形成，并受其形成的物質基礎(內因)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造裂隙通道進行天然釋放，僅有少部分賦存于較為封閉的原環境下，后期可能與地下水一起賦存，形成水-氣共存狀態，成為措施井的甲烷源。

3.2 通 道

措施井內賦存的甲烷氣體后期發生運移的通道與區域構造運動及巖漿侵入作用密切相關，一者是印支構造運動產生了不同大小的構造裂隙；二者是侵入過程中產生的成巖裂隙，尤其是后期基巖的風化剝蝕作用，進一步加強了巖體裂隙的發育強度。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因素

措施井巷道內釋放甲烷氣體，僅有上述兩個條件是不夠的。巷道內裂隙出水才是甲烷氣體釋放的主要動力。井下調查表明，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，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，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，從而出現甲烷氣體釋放的現象。

4 甲烷防治對策

通過對龍塘沿鐵礦出現甲烷氣體的地質歷史背景、形成階段、成因機理以及誘發因素等分析，表明措施井出現甲烷氣體是該地區地質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，采取了如下措施：

(1)加強地質條件調查與預測，即在分析區域和礦井宏觀水文地質條件的基礎上，對巷道和工作面的地質條件進行超前探測，分析構造地質條件和水文地質條件，預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)杜絕掘進巷道和工作面甲烷氣體的積聚。完善掘進巷道的通風系統，盡快形成永久通風，并加強巷道和工作面的有效通風，及時排除井下出現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。

(3)對現有開工的井下巷道，采用甲烷監測儀器定期對巷道進行甲烷氣體濃度監測，尤其是出水點位置，確定甲烷氣體出現位置，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系，進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，要實時監測氣體分布及濃度情況，制定礦山甲烷氣體監測程序和方法以及相應的防治措施。

(6)加強巷道裂隙出水點的水量動態監測與甲烷氣體同步觀測，分析二者之間的關系，進一步尋找其在空間上的變化規律，并制定相應的防范對策。

(7)加強對礦工井下安全生產教育，若發現井下甲烷濃度增加或有異味現象，立即匯報，并按照制定的規范及防范措施，及時進行處理。

5 結 語

依據龍塘沿鐵礦的水文地質條件，結合我國下揚子板塊沿江地帶三疊系以來的地質演化過程，以及礦井實際生產過程中甲烷的觀測情況，經系統分析，得出以下結論：

(1)措施井巷道中出現的甲烷氣體為該地區三疊系以來地質歷史演化過程中所形成，后期因構造運動而大量釋放，僅在局部范圍內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)依據目前措施井下監測結果，現有生產條件下出現的甲烷氣體，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歷史時期的形成產物，含碳有機質在巖漿侵入條件下經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境中。

(4)措施井巷道中甲烷氣體分布具有時空動態變化性，具有“水-氣”共生特點，就當前井下巷道中的甲烷濃度而言，不會影響礦井巷道施工，但應做好通風措施，避免引起局部甲烷濃度增大，進而對安全生產構成影響。

(5)依據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時，可能遇到類似的甲烷氣體釋放現象，因此需進一步加強甲烷氣體出現地點和濃度變化的觀測，及時改善通風條件，有針對性地制定安全防范措施。

[1] 陶月贊.和縣龍塘沿鐵礦礦區水文地質勘探報告[R].蕪湖：蕪湖和成礦業發展有限公司，2008.

[2] 李三忠，李安龍，范德江，等.安徽巢北地區的中生代構造變形及其大地構造背景[J].地質學報，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類型及其形成機理[J].中國礦業大學學報，2011(2):216-220.