白正伟
(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润 064000)
摘 要：隧道施工期间采取超前钻探是补充勘察赋存有害气体特殊地质的最有效方法，常规借鉴煤炭行业的瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量等参数测定方法对于非伴煤型天然气地下工程来说不完全适用，针对非伴煤型天然气地下工程，施工阶段现场宜选择简单、易操作、耗时短的钻孔测试参数。结合兰渝铁路梅岭关隧道工程的施工实际，对非煤系地层瓦斯储存和溢出的特征进行了分析，并结合赋存天然气的岩性特点和特殊构造体特征，探索瓦斯涌出初速度等参数测试方法；针对非煤系地层隧道取样进行室内试验，通过对储层孔隙度和围岩渗透性能进行评价，是隧道开挖时瓦斯绝对涌出量预测的基础，并建立了瓦斯绝对涌出量计算模型。由于浅层天然气赋存的复杂性和工程领域研究不足，相关定量计算研究还需深入。
关键词：非煤系地层；瓦斯隧道；天然气；超前钻孔；瓦斯预报；瓦斯参数测试
我国铁路、公路等隧道工程遇到的非伴煤型天然气隧道主要集中在四川盆地。由于隧道穿越地层相对较浅，该地层并不是天然气生成地层,而是其下伏地层赋存天然气或煤层。由于古地质构造运动，深层气体沿垂直断层、裂隙上升至隧道穿越地层形成次生天然气储藏，储藏范围受地质构造影响，呈分布广、含量少、压力低等特点，不具有开采价值，但受隧道开挖扰动和应力重新分布，储存在围岩孔隙与裂隙中的游离天然气向隧洞空间内释放给施工带来安全隐患。大量工程实践证明，施工期间采取超前钻探是补充勘察赋存有害气体特殊地质的最有效方法，常规借鉴煤炭行业的瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量等参数测定方法，对于非伴煤型天然气地下工程来说不完全适用。因此，针对非伴煤型天然气地下工程，施工阶段现场宜选择简单、易操作、耗时短的钻孔测试参数，并结合赋存天然气的岩性特点和特殊构造体特征，探索天然气赋存特征，本文结合工程实例，对此领域进行探索。
1.1 工程概况
兰渝铁路梅岭关高风险瓦斯隧道位于四川盆地北东部的广元市元坝区[1]，全长8 270.9 m，为单洞双线隧道。该隧位于川东北油气区，下伏地层上三叠统须家河二段和下二叠统茅口组为富含气层，从地质构造角度分析，隧道穿越岩体受油气浸染。勘察阶段隧道深孔瓦斯(天然气)测试过程中显示，部分钻孔有瓦斯(天然气)溢出。隧道DK607+800～DK610+050、DK613+350～DK614+950为高瓦斯段落。
1.2 地质构造与油气田分布
本隧道处于川东北坳陷，川北低平褶皱带。地表构造简单，岩层平缓，由北向南龙潭场向斜，潼梓观鼻状背斜，新场向斜，九龙山背斜(气田)分布在嘉陵江东岸。西岸有走马岭向斜，河湾场背斜(气田)，射箭河背斜及梓潼大向斜。潜伏构造包括下三叠统飞四底，上二叠统底，上奥陶统底界构造。其构造褶皱强烈，断层发育，次一级构造增多，构造变的更加复杂。构造及油气田分布如图1所示。隧道穿越地段为非生烃层，其浅层天然气是沿构造裂隙从深部经长期地质作用运移上来浸染浅部地层。 鉴于此，红层瓦斯的发育程度应与所处的地质古构造背景(潜伏构造)、浅层地质构造有紧密关系。
1.3 天然气储渗空间特征
隧道穿越的地层赋存的天然气主要以游离态赋存在侏罗系莲花口组紫红色泥质砂岩和下白垩系统
图1 梅岭关隧道地质构造与油气田分布示意图
的剑阁组浅红色厚层砂岩，剑门关组浅红色砂岩和砖红色砂岩的裂隙与孔隙中，以自由气态甲烷分子存在。天然气涌出主要受裂隙发育程度控制，隧道开挖受爆破振动和围岩应力释放，则闭合的裂隙张开，从而改变渗透性使围岩中天然气排放出来。当有孔隙率大的巨厚层砂岩、裂隙网络系统发育、储集大量天然气、封盖圈闭条件好的地段, 又有延伸长远的大型可见裂缝与储气层连通时, 就有可能发生瓦斯喷出事故, 造成隧道风流中瓦斯超限。
2.1 瓦斯隧道施工期间瓦斯地质补充勘测工艺
中铁第二勘察设计院针对兰渝铁路广元至重庆段位于川东北油气区的熊洞湾、轩盘岭、梅岭关、肖家梁、图山寺等多座非煤系地层天然气隧道，施工期间瓦斯超前地质预报设计采取?98 mm超前钻孔法，其探测工序流程如图2所示[2,3]。
根据非煤系地层瓦斯超前地质预报设计要求，现场需要除选择满足安全钻探的设备和操作人员外，重点是解决非煤系地层钻孔瓦斯压力、单孔瓦斯涌出量测定等问题。
2.2 非煤系地层借鉴煤矿钻孔瓦斯压力测定方法存在的问题
2.2.1 瓦斯压力测定依据
瓦斯隧道超前钻孔瓦斯压力测试主要依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)附录D“煤层瓦斯压力测定方法”和《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》(AQ1047—2007)。
图2 非煤系地层瓦斯钻孔超前地质预报工序流程图
2.2.2 非煤系地层钻孔瓦斯压力测定存在的问题
按规范要求，钻孔瓦斯压力测定采用主动测试法，当瓦斯压力小于4 MPa时，其观测时间需要5～10 d；采用被动测压法，其观测时间一般需20～30 d以上。将观测结果绘制以时间(d)为横坐标、瓦斯压力(MPa)为纵坐标的坐标图上，当观测时间达到上述的规定，如压力变化在3 d内小于0.015 MPa，测压工作即可结束，否则，应延长测压时间。因此，针对非煤系地层(天然气)瓦斯隧道来说，由于天然气成因的多源性和分布规律极其复杂，瓦斯在隧道内普遍赋存，瓦斯赋存地段每25 m施作超前钻孔，但每循环测定瓦斯压力是不可行的。由于受工期时间和施工组织的限制，按规范要求进行钻孔瓦斯压力测定基本不可能实现，非煤系地层天然气瓦斯隧道现场钻孔瓦斯压力测定应研究应用易操作、耗时短、测定压力值可靠的方法。
2.3 关于非煤系地层单孔瓦斯涌出量测定探讨
2.3.1 关于“单孔瓦斯涌出量”概念的探讨
在煤炭行业“钻孔瓦斯涌出量”[4]测定是研究钻孔排放瓦斯确定排放半径的方法之一，与钻孔的直径和有效长度以及煤层瓦斯的渗透性等有关[5]，不是瓦斯工区和瓦斯突出危险性评价的指标。在非煤系地层进行“单孔瓦斯涌出量”与钻孔直径、钻入赋存天然气地层长度、瓦斯在岩层中的渗透性以及裂隙联通情况相关。若其测定的值作为隧道开挖瓦斯危险性评价指标，在现行铁路、煤矿规范中无明确的规定。因此，按照非煤系地层超前钻孔瓦斯预报的意义和《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)、《防治煤与瓦斯突出规定》等要求，采用测定“瓦斯涌出初速度”作为非煤系地层隧道瓦斯危险性评价指标。
2.3.2 非煤系地层测定“瓦斯涌出初速度”的意义
钻孔瓦斯涌出初速度是工作面瓦斯突出危险性日常评价的主要指标，反映了工作面前方地层应力、围岩透气性与岩体强度、瓦斯物理力学性质等综合作用[6]，代表了工作面前方瓦斯的真实突出危险性的大小。非煤系地层隧道施工中，当钻孔瓦斯涌出初速度测定值大于4 L/min[7]，钻进时并伴随有喷孔、卡钻、鸣爆声等动力现象，说明工作面瓦斯具有突出危险性，需采取治理措施;否则，认为工作面瓦斯不具有突出危险性，施工采取加强通风、加强瓦斯检测措施即可。依据《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》(MT/T639—1996)进行“钻孔瓦斯涌出初速度”测定，每次测试时间为15～20 min，既确保了施工安全也节约了工期。
根据非煤系地层隧道天然气赋存于砂岩孔隙与裂隙的储存特征以及隧道开挖爆破振动和应力释放产生的裂隙通道和气体压力差而形成瓦斯向隧洞内渗流的特点，结合非煤系地层瓦斯超前地质预报方法，施工过程主要是通过资料收集、地质调绘、钻孔天然气浓度检测、室内岩石试验、钻孔瓦斯涌出初速度测定等手段，研究浅层天然气气源、估算瓦斯溢出量，对隧道进行瓦斯危险性评价。
3.1 非煤系地层现场直接测试钻孔瓦斯参数
非煤系地层钻孔瓦斯参数现场可直接测试瓦斯(天然气)浓度、瓦斯涌出初速度这两个指标。
3.1.1 瓦斯(天然气)浓度测试
采用SL-808A天然气、液化石油气检测仪现场测定。该仪器报警点范围为5～100 ppm，采用泵吸式吸入钻孔孔内气体进行检测。通过该仪器，可现场确定钻孔内有无天然气溢出及溢出的含量。
3.1.2 非煤系地层“瓦斯涌出初速度”测定
依据《钻孔瓦斯涌出初速度的测定方法》和《防治煤与瓦斯突出规定》测定煤层瓦斯涌出初速度的方法为：沿工作面掘进方向，在煤层内施工?42 mm、深3.5 m的钻孔，然后用专门的封孔器封住孔底0.5 m长的一段钻孔作为测量室，用流量计读取测量室涌出的最大瓦斯量，即为钻孔瓦斯涌出初速度。该方法对于非煤系地层来说不适用，主要原因非煤系瓦斯以游离态赋存在围岩孔隙与裂隙中，隧道掌子面受爆破开挖扰动范围围岩中瓦斯已经大多扩散。因此，为准确测定围岩中瓦斯的动力情况应采取深孔测定，非煤系地层钻孔大于10 m后，深入未扰动赋存天然气的岩层5 m测定瓦斯涌出初速度。深孔测试瓦斯涌出初速度可应用中国矿业大学齐黎明等研究的“RS-1型柔性深钻孔瓦斯涌出初速度测定装备” [8]。
3.1.3 现场岩芯观察
在现场地质钻探编录基础上，再重点观察以下内容：生油气层、储油气层岩性特征、厚度等。裂缝发育程度、产状、性质及充填物、充填情况等。小型构造，如揉皱、变形带和挤压破碎带等。断层特征观察，断层性质，宽度，断层角砾岩、糜棱岩、断层泥等。钻孔过中浆液漏失段原因分析。
3.2 取样及室内试验
在每个钻孔每一油气显示段、储集层段取岩样一组进行室内试验。通过现场采取岩芯，送试验室进行岩石的岩性、结构、构造、孔隙度、渗透率以及萤光性等测试，判定岩石是否有油气浸染及存储油气的可能性，确定油气在岩石中的渗透性。评价岩体内瓦斯赋存特征及在天然气地质中分布规律,岩石的孔隙度和渗透率是2个最为重要的物理参数。对于非煤系地层来说，由于岩石对瓦斯的吸附性很弱，岩层中瓦斯主要以游离态赋存。因此，研究岩层中瓦斯含量的重点在于研究其孔隙分布的规律。
3.2.1 岩体的孔隙度
岩石的孔隙度是反映岩石储存流体和运输流体能力的重要参数。参考《石油与天然气地质学》，按照孔隙度值来划分评价储集层,见表1。
表1 储层孔隙度和渗透率评价
孔隙度/%储层评价渗透率Kg/10-3um2储层评价ф<5极差储层>1000渗透性极好5<><><><20良好储层100～10渗透性一般ф>20特好储层10～1渗透性差<>
根据《煤与岩石物理力学性能测定方法》(GB/T23561.1—2009)测定，岩石总孔隙率按下式计算：
ф
式中：ф为岩石的总孔隙率；ρn为岩石的干块体密度(g/cm3)；ρ为岩石的真密度(g/cm3)。
3.2.2 岩石的渗透性
渗透性只表示岩石中流体流动的难易程度，而与其中流体的实际含量无关。粗砂岩渗透性好，细砂岩、石灰岩、页岩透气性较差，泥岩几乎不透气。岩石的气体渗透性测试试验原理：气体在多孔介质中流动时，由气体的一维稳定渗流达西定律测得气体渗透率公式。储集层渗透性评价标准见表1。
式中：Kg为气测渗透率( um2)；Q0为绝对大气压时岩样出口端气体体积流量(cm3/s)；L为岩样长度(cm)；A为岩样横截面积(cm2)； P0为大气压(MPa)；P1为岩样进口端压力(MPa)；P2为岩样出口端压力(大气压力)(MPa)；μ为实验温度和大气压下的氮气粘度(mPa·s)。
3.2.3 岩芯法突出危险性预测[9]
采用岩芯法预测工作面岩石与瓦斯突出危险性时[9]，在掌子面岩层内钻?6 cm、长度12 m的钻孔，取出芯样，从深2 m处起记录圆片数。采用以下方法判定工作面突出的危险性：当取出的芯样中没有圆片、表面没有环状裂缝时，为无突出危险地带；当取出的芯样中个别为圆片，其余长度多在15 cm以上并有环状裂缝时，为一般突出危险地带；当每米长的芯样中部分为20～30个圆片，其余为5～10 cm长有环状裂隙的圆柱体时，为中等突出危险地带；当每米长的芯样中出现20～40个凹凸状圆片时，为严重突出危险地带。
3.3 建立非煤系地层瓦斯绝对涌出量计算模型
瓦斯隧道掘进工作面瓦斯涌出量预测是制定瓦斯防治措施、隧道通风设计和隧道安全管理的基础工作。煤系地层瓦斯隧道依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)规定“低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5 m3/min时，为高瓦斯工区。”绝对瓦斯涌出量计算按附录H“独头坑道瓦斯涌出量的计算”。“绝对瓦斯涌出量[10]”按《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018—2006)定义为“单位时间内从煤层和岩层以及采落的煤(岩)体所涌出的瓦斯量，单位采用m3/min”。但该预测方法不适用非煤系地层，石油天然气行业油气储量计算方法很多标准也比较笼统，而工程地质领域关于浅层天然气计算方法与理论在目前还无资料可查,几乎是一片空白。这主要是因为检测方法、使用仪器、提取的参数等等的限制，以及要求的精度未有一个统一标准和要求。结合隧道工程的实际情况，参考《铁路瓦斯隧道技术规范》关于高瓦斯工区的有关定义，将钻孔模拟为隧道开挖情况，从开始测试出有天然气段落起算，计算出钻孔单位面积、单位时间的瓦斯溢出量；参考隧道施工分台阶开挖时的实际工况，计算隧道开挖时单位时间涌出量。计算公式如下：
式中： L为隧道开挖瓦斯涌出量(m3/min)；K为非煤系地层隧道开挖瓦斯释放影响系数；h1为封孔测试时钻孔长度(m)；D为钻孔直径(m)；ω为钻孔瓦斯测试浓度；A为隧道上台阶开挖断面(m2)；h2为封孔测试时瓦斯溢出段长度(m)；t1为封孔测试时间(min)。
2010年10月3日～2012年8月12日，梅岭关隧道在DK608+210～DK609+560段施工期间，在施工瓦斯超前探孔过程中经常会发生夹钻、顶钻和喷孔瓦斯动力现象[11]，自动瓦斯监控系统经常报警，并监测到隧道内瓦斯浓度在短时间内急剧升高，监测到隧道内瓦斯浓度最高达1.32%。根据现场实际施工情况及设计文件，该段地层以砂岩、泥质砂岩为主，裂隙发育，隧道埋深约为380～420 m，上覆泥岩层，形成较好的圈闭条件；且此段受吴家坝潜伏构造影响，该段隧道裂隙富含瓦斯，施工中开挖揭露富含天然气的闭合裂隙时，有害气体突出，急剧恶化了隧道施工环境。
施工现场按照新建兰渝铁路LYS-9标段设计文件、铁道部现行的铁路工程建设施工规范、施工技术指南、验收标准、安全规程和《梅岭关隧道瓦斯防突施工专项方案》等，对赋存天然气地段瓦斯进行了钻孔瓦斯超前地质预报(结果见表2)。
表2 DK608+682处钻孔瓦斯超前地质预报成果一览表
项目地层岩性钻孔参数钻孔瓦斯浓度/%瓦斯涌出初速度/(L/min)预测瓦斯涌出量/(m3/min)岩体孔隙度/%测试密度/(g/cm3)岩体渗透率/um2岩芯法突出危险预测测定结果砂岩、泥质砂岩互层,浅灰色,厚～巨厚层状,围岩完整,整体性好,节理裂隙不发育?89mm,深度30m,隧道上断面布置3个钻孔1.221.080.960.221.3058.902.430.001874长15cm岩芯有裂缝围绕,有个别小圆柱体或圆片备注隧道上断面开挖面积为62m2,测试钻孔深度30m,封孔长度5m,瓦斯溢出长度取25m,测试时间2min,隧道开挖扰动系数取1.45高瓦斯油气差储层渗透性差一般突出危险地带
根据检测结果分析，该段围岩油气瓦斯为差储层、渗透性一般，为高瓦斯段落，综合判定为瓦斯具有一般突出危险地带。施工时采取了用I16工字钢形成网格骨架封闭工作面、选取钻孔直径?89 mm和间距1.5 m排放钻孔措施、DK608+682～DK609+008段上导断面采用双层注浆管棚封堵技术确保了施工安全。
非煤系地层瓦斯隧道的瓦斯赋存和溢出特征不同于煤层瓦斯隧道，其主要特点是隧道穿越地层瓦斯为深层生烃地层的天然气在古地质构造作用下沿裂隙等向上运移浸染产生次生油气储层，存在含量低、压力小且在隧道受影响区域普遍赋存，隧道施工过程中在开挖扰动和应力释放的影响下向洞内溢出给施工构成安全威胁。因此，非煤系地层瓦斯隧道均采取超前钻孔探测瓦斯。
(1)非煤系地层隧道钻孔瓦斯超前地质预报首先是确认地层是否属于天然气次生储层。其中，现场除判断岩性特征外，可直接测试钻孔瓦斯浓度、瓦斯涌出初速度，并根据测定值对瓦斯危险性进行评价。
(2)针对非煤系地层隧道取样进行室内试验也是有必要的，通过对储层质量和围岩渗透性能评价，也是对隧道开挖时瓦斯绝对涌出量预测的基础，但对于非煤系地层隧道围岩的孔隙度和渗透率与瓦斯绝对涌出量之间的因果关系研究不足。
(3)非煤系地层隧道瓦斯涌出量是瓦斯隧道制定防治措施、施工通风计算的基础数据，本工程采用钻孔浓度结合隧道开挖方法建立计算模型并进行了实践验证。由于浅层天然气赋存的复杂性和工程领域研究不足，定量计算研究还需深入。
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Bai Zhengwei
(The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 18th Bureau Group of China Railway,Fengrun 064000,China)
Abstract：During the construction of a tunnel,drilling holes in advance is one of the most effective additional methods to investigate special geological conditions to determine the existence of harmful gases.In this case,the traditional exploring methods in the light of the pressure of gas,the absolute gas emission and other parameters commonly used for the coal industry are found not to be fully applicable to underground natural gas projects in the non-coal seams.With underground natural gas projects in the non-coal seams in mind,the simple,easy-to-operate and time-saving drilling-testing parameters should be chosen at the site during the construction stage.With the practical construction of the Meiling Pass Tunnel of the Lan-Yu Railway as an example,the characteristics of gas reservoirs and the overflowing of gas in the non-coal seams are analyzed,with the parameters-testing methods to determine the initial velocity of gas emission explored upon the basis of taking into consideration the properties of the richly-natural-gas-storing rock and the characteristics of specially-formed rock bodies.The tunnel in non-coal seams is also sampled and indoor-tested.When the tunnel begins to be dug, the forecasting of the absolute gas emission is based on the evaluation of the reservoir porosity and the permeability properties of the surrounding rock.Upon this basis,a calculation model for the absolute gas emission quantity is established in the paper.Since the shallow gas occurrence is very complex and scientific studies in the field is far from enough,the related quantitative research still needs to be further deepened.
Key words：non-coal seam;gas tunnel; natural gas;bore holes in advance;gas forecast;testing of gas parameters
收稿日期：2014-10-31
作者简介：白正伟(1979—)，男，工程师，主要从事隧道及地下工程施工与技术管理工作 375881271@qq.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.01.009
中图分类号：U456；U458.1
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2015)01-0031-06
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