瓦斯隧道煤系地層揭煤施工技術探討

王慶國

（陜西鐵路工程職業技術學院 陜西渭南 714000）

1 煤層瓦斯的特征

1.1 瓦斯成分及物理力學性質

隧道遇到瓦斯多出現在煤系地層。瓦斯成分主要是甲烷(CH4)(亦稱沼氣)，其它還有二氧化碳(CO2)和氮(N2)，有時還有少 量 的 氫 (H2)、 硫 化 氫(H2S)、 一 氧 化 碳 (CO)、 氧(O2)、 乙 烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等氣體。

瓦斯是一種無色、無味、無臭的氣體，與碳化氫或硫化氫混合在一起時，則發出類似蘋果的香味。瓦斯比空氣輕，因而常漂浮聚集在隧道洞室的上半部；瓦斯難溶于水，滲透性很強，擴散速度大，能從洞室周圍地層中通過巖層裂隙滲透到洞室中來；瓦斯有燃燒性，當濃度小于5%時，遇火能燃燒，火焰為藍色到亮青色，濃度大于16%時，不能直接燃燒，如引到新鮮空氣中能緩慢燃燒；瓦斯有爆炸性，當空氣中瓦斯濃度在5%～16%時，遇火源便會爆炸，含量在9.5%左右時爆炸最為猛烈。

1.2 瓦斯的賦存狀態

煤中瓦斯的賦存狀態一般有吸附狀態和游離狀態2種。固體表面的吸附作用可以分為物理吸附和化學吸附兩種類型，煤對瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子間相互吸引的結果。在被吸附瓦斯中，通常又將進入煤體內部的瓦斯稱為吸收瓦斯，把附著在煤體表面的瓦斯稱為吸著瓦斯，吸收瓦斯和吸著瓦斯統稱為吸附瓦斯。在煤層賦存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游離瓦斯量占10%～20%；在吸附瓦斯量中又以煤體表面吸著的瓦斯量占多數。

在煤體中，吸附瓦斯和游離瓦斯在外界條件不變的條件下處于動平衡狀態，吸附狀態的瓦斯分子和游離狀態的瓦斯分子處于不斷的交換之中；當外界的瓦斯壓力和溫度發生變化或給予沖擊和振蕩、影響了分子的能量時，則會破壞其動平衡，而產生新的平衡狀態。因此，瓦斯吸附分子和游離分子是在不斷地交換之中，在瓦斯緩慢的流動過程中，不存在游離瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的問題；但是，在突出過程的短暫時間內，游離瓦斯會首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以補充。

1.3 瓦斯放出的形式

瓦斯的涌出：從煤層或巖層中均勻緩慢地釋放出來，延續時間很久，有時帶有一種嘶聲。

瓦斯的噴出：大量瓦斯在壓力狀態下，從煤巖裂縫中噴出，噴出的時間有長有短，放出時常伴隨著嘶嘶聲、吹哨聲或破碎聲，能于短時間內放出大量沼氣，有造成爆炸和生命窒息的危險。

瓦斯突出：在較大壓力狀態下，在很短時間內，瓦斯突然大量噴出，并伴隨大量煤粉和巖塊拋出，稱為瓦斯突出。瓦斯突出之前，一般都出現一些預兆，如發出聲響，地層壓力增大，支撐被壓變形，有臭味、酸味或酒味，坑壁被擠出、塌落，頂板、底板鼓起，煤質變得松軟，顏色由亮變黑，失掉光澤等，同時氣溫降低，有較顯著發冷感覺。

2 隧道瓦斯地段揭煤施工方法

2.1 超前探測

不同的隧道，其瓦斯含量及壓力與煤系地層的長度、在隧道中所處位置和所占長度比例及隧道本身長度有關，且差異很大?！惰F路瓦斯隧道技術規范》要求將瓦斯隧道合理地劃分為非瓦斯工區、低瓦斯工區、高瓦斯工區和瓦斯突出工區。

接近突出煤層前，必須對設計標示的各突出煤層位置進行超前探測，標定各突出煤層準確位置，掌握其賦存情況及瓦斯狀況。

(1)初步探測：接近突出煤層前，應在距設計煤層位置15～20 m(垂距)處的開挖工作面打超前探孔1個，初探煤層位置。

(2)精確探測：在距初探煤層位置10m(垂距)處的開挖工作面上打3個超前探孔，并取巖(煤)芯，分別探測開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置；按各孔見煤、出煤點計算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系，并分析煤層頂、底板巖性；掌握并收集探孔施工過程中的瓦斯動力現象。

各探孔施工應注意：

各探孔要求應穿透煤層進入頂(底)板不小于0.5m；

正式探孔應取完整的巖(煤)芯，進入煤層后宜用干鉆取樣；

各探孔直徑不宜小于76 mm；

所有鉆孔要詳細記錄巖芯資料，以利于探明煤層的相對位置，煤層傾角、厚度、走向的變化及地質構造和瓦斯情況等；

在鉆孔過程中要仔細觀察孔內排出的漿液、煤屑變化情況，是否有噴孔、卡鉆、頂鉆等異?，F象，并做好記錄；

在布孔時應本著一孔多用的原則，探孔盡可能用作預測孔和起到瓦斯排放孔的作用。

2.2 突出危險性預測

在瓦斯突出工區施工時，應在距煤層垂距5m處的開挖工作面打瓦斯測壓孔，或在距煤層垂距不小于3m處的開挖工作面進行突出危險性預測。

預測孔和測壓孔均布置在擬首次揭煤的斷面范圍內，一般布置3個預測孔和1個測壓孔，現場可根據開挖斷面大小適當增減鉆孔數量；鉆孔要能控制開挖周邊2～3m范圍，鉆孔穿透煤層全厚，并進入煤底板不小于0.5m。

測壓孔徑為75mm，測定瓦斯涌出的初速度后應即時封孔，測定瓦斯壓力。預測孔開孔孔徑為60mm，見煤后孔徑改為42mm，并由孔口接煤粉，測定預測參數值，上述各孔的見煤點與原超前探孔見煤點的間距應不小于5m。

瓦斯突出危險性預測應選用至少兩種方法，相互驗證。石門揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標法或鉆屑指標法，對于煤巷掘進宜采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑指標法或“R”指標法。突出危險性預測方法中有任何一項指標超過臨界指標，該開挖工作面即為有突出危險工作面。其預測時的臨界指標應根據實測數據確定，當無實測數據時，可參照《鐵路瓦斯隧道技術規范》中所列突出危險性臨界值。

在鉆孔過程中，出現頂鉆、卡鉆、瓦斯和煤粉的噴孔等動力現象時，應視該開挖工作面為突出危險工作面。

2.3 防突技術措施

經預測有煤與瓦斯突出危險時，應在揭煤前制定包括技術、組織、安全、通風、搶險、救護等技術組織措施。

2.3.1 加強通風

隧道在掘進過程中，預防瓦斯燃燒與爆炸的主要措施是加強通風以降低瓦斯濃度，使其在允許值之下。

高瓦斯隧道的通風裝置應有兩套獨立的通風機和各自獨立的電動機，所有掘進工作面的局部風機都應裝設三專(專用變壓器、專用開關、專用線路)、一閉鎖(風，電)設施，保證局部扇風機可靠運轉。瓦斯含量較低時，可考慮一套通風機，兩臺電動機，其中一臺備用。凡備用電動機和配套扇風機必須在10min內啟動。

使用局部扇風機進行通風的掘進工作面，無論工作或交接班時，都不準停風。因檢修、停電等原因停風時，必須撤出人員，切斷電源。在恢復通風前，必須檢查瓦斯，局部扇風機及其開關地點附近10m以內風流中瓦斯濃度都不超過0.5%時，方可人工開動風機。

2.3.2 防止噴出及突出

在掘進工作面的前方或兩側鉆孔，探明是否有斷層、裂縫和溶洞及其分布位置、瓦斯貯存情況，以便采取相應措施。

排放瓦斯：瓦斯含量不大時，使其自然排放，亦可用風筒或管子將瓦斯引至回風流或距工作面20m以外的坑道中，以保證工作面開挖放炮的安全。當瓦斯量大、噴出強度大、持續時間長時，則可插管排放；當開挖面瓦斯含量較大、裂隙多、分布廣時，可暫停開挖，封閉坑道抽放瓦斯。

在裂隙小、瓦斯含量小時，可用粘土、水泥漿或其它材料堵塞裂隙，防止瓦斯噴出。

在開挖工作面前方接近煤層2m左右，向煤層打若干Φ75～300mm的超前鉆孔排放瓦斯，鉆孔周圍形成卸壓帶，使集中應力移向煤體深部，達到防止突出的目的。

水力沖孔：在進行開挖之前，使用高壓水射流，在突出危險煤層中，沖出若干直徑較大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力。

震動性放炮誘導突出：在工作面布置較多的炮眼并裝較多的炸藥，撤出人員后遠距離起爆，利用爆破時強大的震動力一次揭開具有突出危險性的煤層。

深孔松動爆破：在開挖工作面向煤體深部的應力集中帶內布置幾個長炮眼進行爆破，其目的在于利用炸藥的能量破壞煤體前方的應力集中帶，在工作面前方造成較長的卸壓帶，從而預防突出的發生。

煤層注水：通過鉆孔將壓力水注入煤層，使煤體濕潤以改變煤的物理機械性質，減小或消除突出的危險性。

加強煤與瓦斯突出的技術管理。

2.4 防突措施效果檢驗

防突措施實施后，必須進行效果檢驗，以確認防突措施是否有效。防突措施效果檢驗應在距煤層2.0 m垂距的巖柱以外進行；防突措施的效果檢驗參照《鐵路瓦斯隧道技術規范》進行；防突效果檢驗指標的臨界值應根據實測數據確定，當無實測數據，可參照《鐵路瓦斯隧道技術規范》確定。檢驗結果，其中任何一項指標超標，或在打檢驗孔時發生噴孔、頂鉆、夾鉆等動力現象時，則認為防突措施無效，必須采取補充防突措施；采用一次性排放時，應檢驗工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；當采用分段分部分次排放時，每次只檢驗排放部位的排放效果。

2.5 揭煤施工

揭煤施工要根據隧道斷面大小及煤層突出危險程度預測結果決定揭煤方法。煤系地層大多為泥巖、頁巖、砂泥巖和煤層互層，巖性松軟、破碎，自穩性差，故在隧道大斷面開挖時，極易坍落塌方。另一方面，在煤系地層施工必須使用煤礦用毫秒電雷管和煤礦安全炸藥。毫秒電雷管規定延期時間不得超過130ms，只能選用到5段；而煤礦安全炸藥的爆力和猛度均小于非礦用炸藥，其爆炸威力只相當于一般巖石銨銻炸藥的80%，難以滿足隧道大斷面施工要求。

上述原因決定了在煤系地層中不宜全斷面開挖，而應采取半斷面正臺階、先墻后拱的施工方法。在開挖上弧導坑前，視圍巖情況或設超前小導管注漿，或設超前水平錨桿補強，并短掘緊襯，襯砌緊跟工作面，以防塌方。平行導坑因斷面小采取全斷面開挖，但仍應短掘緊襯。初期支護緊跟工作面能及時封閉巖面，防止瓦斯向隧道泄漏，有利于施工安全，但由于放炮距離近，使拱部受到擾動。由于煤系地層巖石松軟，強度低，鑿眼容易，故只要多用風槍，及時鑿眼放炮，在支護2小時內大多能做到打眼放炮完成，此時混凝土尚未初凝，不致使混凝土質量受到影響。在巖石破碎，鑿眼過程中發生卡鉆、頂鉆，或由于其它原因使鑿眼時間延長時，則采取密炮眼、小藥量的辦法，盡量減少放炮對支護混凝土的影響。

3 安全技術措施

加強通風管理，確保隧道工作面供風量。

加強瓦斯檢測，保證工作面瓦斯濃度不大于1%，距工作面后方20m回風流中的瓦斯濃度不大于0.75%，隧道中無瓦斯積聚。

加強隧道內所有電器設備和照明線路及機具管理，必須采用礦用安全防爆電器設備，并安裝風電及瓦斯閉鎖設施，隨時有專人檢查維修，不得失爆。

加強揭煤地段前后放炮管理，特別是揭煤地段爆破作業應按設計進行。

揭煤前的保安巖柱厚2m，在刷斜坡后，炮孔應準確無誤地按設計炮孔深度及數目布置，以防止誤穿或提前揭煤。

放炮前工作面不裝藥的炮孔(空眼)要用黃泥堵塞全孔。

在揭煤地段，進入隧道作業人員必須佩帶個人自救器。

放炮揭煤后40min，由救護人員攜帶滅火器材首先進入工作面，經檢查無異常后，才能恢復供電、供風。

加強揭煤地段特別是隧道與煤層交接處的支護工作。

4 結術語

在瓦斯隧道煤系地層施工時，通過采用上述一系列關鍵施工技術，堅持“短進尺，弱爆破，強支護，勤監測，加強通風，快噴錨”的原則，揭煤、防突及瓦斯排（抽）放施工時采用動態設計，并嚴格執行揭煤防突和瓦斯監控量測的有關規定和程序，可以安全地通過瓦斯區。

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