某铁矿甲烷形成机理及防治对策

侯垣麒 刘 伟 张军强 刘天奇

(芜湖和成矿业发展有限公司)

甲烷是一种简单的有机物，为含碳量最小的烃，在自然界分布广泛，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，也叫瓦斯。它一般形成于地质历史时期中有机质(如煤层中分散的II型和III型有机质)，在热动力条件下转化生成气态物质，当浓度为5%～16%，氧气不低于12%时，遇到火源后，会发生爆炸；当浓度达到40%左右，氧气降至10%时，人会呼吸困难，出现昏迷，甚至窒息。

甲烷是瓦斯的主要成分，《煤矿安全规程》规定的瓦斯浓度超限值为1%。在龙塘沿铁矿措施井巷道进行甲烷气体检测时，在其某一段检测出一定浓度含量的甲烷气体，测试最大浓度值为0.3%，为超限临界值的30%，暂时不会对矿井生产构成安全威胁。但随着矿井的掘进和开采，甲烷浓度会产生一定变化，因而，弄清甲烷形成机理对于采取相应防范措施，具有十分重要的现实意义。

1 矿区概况

龙塘沿铁矿区域大地构造位置属扬子准地台下扬子台坳、沿江拱断褶带之安庆凹断褶束，宁芜繁两个中生代火山盆地接壤部位西缘。除第四系覆盖层外，该区出露的地层为中生界三叠系中统徐家山组和黄马青组，这两套地层呈整合接触关系[1]。由于三叠系岩层中有机质分布的成层性及不均匀性，导致甲烷气体在空间上赋存。

区内主要为一背斜构造，系裕汤复背斜次一级金龙背斜，核部地层为三叠系中统徐家山组，两翼为黄马青组。背斜轴部位于矿区南部，随下部岩浆岩顶面的隆起和凹陷，地层产状有相应变化。矿体主要产于背斜的北西翼[1]。

2 矿区甲烷形成机理

2.1 甲烷气体形成过程

根据该地区三叠系以来的地质演化史，甲烷气体形成可划分成以下四个阶段(见图1)：

第一阶段：有机质形成阶段。在三叠纪地质历史时期，由前海相向陆相演化过程中沉积了碳酸盐、泥岩等含有机物质的岩层，是产甲烷气体的生源岩。

第二阶段：含有机质岩层的构造破坏阶段。主要是三叠系地层受到印支运动破坏与改造，不仅破坏了原有沉积岩的层状结构，使之发生褶皱变形与抬升，同时也在岩层内部产生不同尺度的构造断裂，从而为后期甲烷气体的赋存提供储存场所。

第三阶段：含有机质岩层风化剥蚀阶段。印支运动改造后的岩体经过侏罗纪和白垩纪两个地质历史时期，而此时该地区处于一个较高的台地，经历长期的风化剥蚀作用后，对早期形成的构造裂隙进行改造，裂隙不断扩大。同时古地下水水流作用对裂隙产生一定的溶蚀作用，也将进一步扩大裂隙。

第四阶段，甲烷气体形成及赋存阶段，即燕山期的火成岩侵入阶段。主要是来自深部地幔的高温高压岩浆对含有机物质的岩层产生热解作用，产生甲烷气体，然后赋存于阶段二、三所产生三叠系地层的裂隙中。同时岩浆在侵入过程中发生成岩作用，此过程自身也产生不同大小成岩裂隙，也可能成为甲烷储存场所[2-3]。

图1 甲烷气体形成四个阶段示意

2.2 矿区甲烷赋存条件

由以上分析可知，三叠系成岩后，印支运动所产生的构造裂隙和火成岩侵入过程中所产生的成岩裂隙均为甲烷气体的运移储存提供了有利的空间和场所。由于三叠系岩层中有机质分布的成层性及不均匀性，导致甲烷气体在空间上赋存的不均匀性，其中，裂隙的分布是甲烷气体在空间上分布的主要控制因素。而裂隙的分布又与其构造性质存在密切的关系。对矿区向斜及背斜而言，其转折端是裂隙发育最有利的部位。若它与外界保持开放的联系，往往导致甲烷气体的急剧释放而难以保存；若构造裂隙发育在较为封闭的地质环境，则甲烷气体较容易富集保存。

该研究区处于我国下扬子板块火成岩侵入接触带，矿区整体以抬升与张裂作用为主，尤其是后期的侏罗纪和白垩纪地质时期的长期风化剥蚀作用，多数地段甲烷气体因此发生释放，而仅在局部地段因构造封闭并处于还原环境下使得甲烷气体得以保存。

3 措施井甲烷释放机理

3.1 甲烷源

龙塘沿铁矿措施井甲烷是地质历史时期的三叠系含碳有机质的源岩，经过四个地质历史阶段，在高温高压作用下，与各种水汽成分在较为封闭的环境下形成，并受其形成的物质基础(内因)和外部条件控制(外因)。该地段甲烷形成后绝大部分通过不同的构造裂隙通道进行天然释放，仅有少部分赋存于较为封闭的原环境下，后期可能与地下水一起赋存，形成水-气共存状态，成为措施井的甲烷源。

3.2 通 道

措施井内赋存的甲烷气体后期发生运移的通道与区域构造运动及岩浆侵入作用密切相关，一者是印支构造运动产生了不同大小的构造裂隙；二者是侵入过程中产生的成岩裂隙，尤其是后期基岩的风化剥蚀作用，进一步加强了岩体裂隙的发育强度。这些裂隙不仅是地下水的储存空间和径流通道，也为甲烷气体提供了储存空间和运移通道。

3.3 甲烷气体释放的诱发因素

措施井巷道内释放甲烷气体，仅有上述两个条件是不够的。巷道内裂隙出水才是甲烷气体释放的主要动力。井下调查表明，甲烷浓度较大的位置往往是出水点较集中的地段。这与受到前期矿井突水淹井影响有关，即矿井淹井造成地下水位大幅度上升，淹没至较为封闭的裂隙(甲烷赋存点)，形成水-气共存状态，甲烷气体在后期超前探水与疏干排水等工程实施过程中，随地下水一同流出，从而出现甲烷气体释放的现象。

4 甲烷防治对策

通过对龙塘沿铁矿出现甲烷气体的地质历史背景、形成阶段、成因机理以及诱发因素等分析，表明措施井出现甲烷气体是该地区地质作用及开采条件决定的。针对上述情况，为保障矿山安全生产，采取了如下措施：

(1)加强地质条件调查与预测，即在分析区域和矿井宏观水文地质条件的基础上，对巷道和工作面的地质条件进行超前探测，分析构造地质条件和水文地质条件，预测甲烷气体存在的可能性，防止甲烷气体在局部地段的突然逸出。

(2)杜绝掘进巷道和工作面甲烷气体的积聚。完善掘进巷道的通风系统，尽快形成永久通风，并加强巷道和工作面的有效通风，及时排除井下出现的甲烷气体及硫化氢气体，避免甲烷气体在局部地段的聚集，保证安全生产。

(3)对现有开工的井下巷道，采用甲烷监测仪器定期对巷道进行甲烷气体浓度监测，尤其是出水点位置，确定甲烷气体出现位置，分析其来源。

(4)在井巷施工过程中，测定甲烷气体的同时，定期采集水样，分析水源与甲烷气体浓度之间的关系，进一步确定甲烷具体来源方向和位置。

(5)针对存在甲烷的巷道，要实时监测气体分布及浓度情况，制定矿山甲烷气体监测程序和方法以及相应的防治措施。

(6)加强巷道裂隙出水点的水量动态监测与甲烷气体同步观测，分析二者之间的关系，进一步寻找其在空间上的变化规律，并制定相应的防范对策。

(7)加强对矿工井下安全生产教育，若发现井下甲烷浓度增加或有异味现象，立即汇报，并按照制定的规范及防范措施，及时进行处理。

5 结 语

依据龙塘沿铁矿的水文地质条件，结合我国下扬子板块沿江地带三叠系以来的地质演化过程，以及矿井实际生产过程中甲烷的观测情况，经系统分析，得出以下结论：

(1)措施井巷道中出现的甲烷气体为该地区三叠系以来地质历史演化过程中所形成，后期因构造运动而大量释放，仅在局部范围内赋存于不同岩体的裂隙中，后通过裂隙水流动作用而携带出来。

(2)依据目前措施井下监测结果，现有生产条件下出现的甲烷气体，相对于瓦斯临界值，其浓度处于较低值。

(3)巷道中地下水测试结果表明，与甲烷气体相伴生的硫化物气体，佐证了甲烷气体是地质历史时期的形成产物，含碳有机质在岩浆侵入条件下经高温高压热解后形成甲烷气体，并赋存于一个较为封闭的还原环境中。

(4)措施井巷道中甲烷气体分布具有时空动态变化性，具有“水-气”共生特点，就当前井下巷道中的甲烷浓度而言，不会影响矿井巷道施工，但应做好通风措施，避免引起局部甲烷浓度增大，进而对安全生产构成影响。

(5)依据甲烷气体来源及气体运移裂隙通道的形成机理，由于甲烷赋存的非均匀性，在未来其他巷道掘进时，可能遇到类似的甲烷气体释放现象，因此需进一步加强甲烷气体出现地点和浓度变化的观测，及时改善通风条件，有针对性地制定安全防范措施。

[1] 陶月赞.和县龙塘沿铁矿矿区水文地质勘探报告[R].芜湖：芜湖和成矿业发展有限公司，2008.

[2] 李三忠，李安龙，范德江，等.安徽巢北地区的中生代构造变形及其大地构造背景[J].地质学报，2009(2)：209-219.

[3] 杨兆彪，秦 勇，高 弟.黔西比德-三塘盆地煤层群含气系统类型及其形成机理[J].中国矿业大学学报，2011(2):216-220.