瓦斯隧道工程地質勘察與評價

徐世靜

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津 300251)

1 概述

近年來，隨著鐵路建設的發展,鐵路等級不斷提高,長大、深埋隧道大大增加,部分隧道不可避免的穿越煤系地層,給隧道工程的施工帶來隱患。由于瓦斯濃度與煤(巖)中的瓦斯含量常有對應關系,對隧道施工、運營安全產生很大影響。因此，對穿越煤系地層的隧道,應開展瓦斯隧道的地質工作。以山西呂梁地區某瓦斯隧道的勘察為例,對瓦斯隧道的勘察方法及煤層瓦斯、煤塵指標進行分析評價,并提出合理的工程措施建議。

2 工程區區域地質特征

2.1 地形地貌

該隧道位于晉西呂梁山西麓,屬黃土丘陵溝壑地形,是呂梁山向黃河峽谷的延續。地形總體是東高西低,北高南低,溝谷切割嚴重,大多呈“V”形,溯源侵蝕強烈,溝深、谷窄、坡陡。隧道區內山脊主要呈北東-南西向展布,形成分水嶺。

2.2 地層巖性和煤層分布

隧道區分布的地層從老至新有下古生界奧陶系中統下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)、峰峰組(O2f)，上古生界石炭系中統本溪組(C2b)、上統太原組(C3t)，二疊系下統山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)及上統上石盒子組(P2s)，新生界第三系上新統保德組(N2b)，第四系中更新統離石組(Q2l)、上更新統馬蘭組(Q3m)地層。石炭系上統太原組(C3t)分布于隧道區中部,為全區主要含煤地層之一。底部以灰白色中-粗粒石英砂巖連續沉積于本溪組(C2b)地層之上,與下伏地層呈整合接觸,總厚度約114 m。二疊系下統山西組(P1s)為區內另一主要含煤地層,總厚度約58 m，為深灰色或灰黑色砂質泥巖、粉砂巖及砂巖互層。隧道區穿越兩組全部地層和煤層。

3 瓦斯隧道勘察方法

廣泛收集資料,包括鄰近煤礦和油氣田的既有資料,區域工程地質、礦產地質、水文地質、有害氣體的實測資料,油氣田氣井資料及有關瓦斯賦存、突出的其他地質資料。在現場調查的基礎上,結合區域地層情況,分析煤系地層深度、煤層數量,合理布置勘探孔,并進行詳細的勘探孔設計,施鉆過程應嚴格遵守相關規程,及時進行巖心鑒定,按要求采取煤層瓦斯樣品進行測試、分析。最后根據所采樣品的測試結果,對隧道工程瓦斯情況進行綜合評價,并提出相應的工程措施建議。

4 隧道煤層瓦斯、煤塵分析評價

4.1 收集既有相關資料

(1)瓦斯分帶規律

根據《山西省河東煤田離柳礦區三交勘探區詳查地質報告》和《河東煤田離石礦區詳查勘探報告》,該隧道區屬二氧化碳-氮氣帶,瓦斯含量0.03～3.15 mL/g,CH4百分含量<20%,隧道區瓦斯含量等值線呈近東西向展布。

瓦斯變化梯度,是指煤層中沼氣含量平均每增1 ml/g的煤層下延深度。計算公式來自1987年全國礦產儲量委員會頒發的《煤炭資源地質勘探規范說明》。瓦斯變化梯度計算結果：5號煤層為15.7～111.26 m,平均59.02 m；8號煤層為11.08～316.53 m,平均107.04 m；9號煤層為12.44～118.54 m,平均53.02 m。2、3、4、10號煤層未進行計算。

(2)瓦斯及二氧化碳涌出量

通過收集呂梁市煤炭工業局文件“呂煤安字[2007]661號”《關于對臨縣銀富煤業有限公司等18對礦井2007年度瓦斯等級及二氧化碳涌出量鑒定的批復》2007年度瓦斯鑒定結果： 5號煤層絕對涌出量為0.51～0.7 m3/min,相對涌出量為1.24～1.87 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；8號煤層絕對涌出量約0.64 m3/min,相對涌出量約1.92 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；9號煤層絕對涌出量為0.51～0.61 m3/min,相對涌出量1.74～2.29 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級。2007度二氧化碳鑒定結果：5號煤層絕對涌出量為0.64～0.91 m3/min,相對涌出量1.53～2.43 m3/t；8號煤層絕對涌出量約0.83 m3/min,相對涌出量約2.49 m3/t；9號煤層絕對涌出量0.66～0.74 m3/min,相對涌出量2.04～2.96 m3/t。

收集呂梁市臨縣煤炭工業局文件“臨煤發[2008]117號”《關于我縣十八對礦井2008年度礦井瓦斯等級鑒定結果的報告》2008年度瓦斯鑒定結果：4號煤層絕對涌出量0.52～4.97 m3/min,相對涌出量1.53～9.39 m3/t,瓦斯鑒定礦等級為低級； 5號煤層絕對涌出量0.25～0.55 m3/min,相對涌出量0.70～4.00 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；8號煤層絕對涌出量約0.52 m3/min,相對涌出量約1.63 m3/t,瓦斯鑒定礦等級為低級；9號煤層絕對涌出量0.48～0.52 m3/min,相對涌出量1.63～2.23 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級。本年度二氧化碳鑒定結果：4號煤層絕對涌出量0.36～1.64 m3/min,相對涌出量0.68～2.79 m3/t；5號煤層絕對涌出量0.28～0.74 m3/min,相對涌出量1.06～4.80 m3/t；8號煤層絕對涌出量約0.66 m3/min,相對涌出量約2.07 m3/t,9號煤層絕對涌出量0.61～0.72 m3/min,相對涌出量1.87～3.11 m3/t。

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)劃分標準：當全工區的瓦斯絕對涌出量小于0.5 m3/min時,為低瓦斯工區；大于或等于0.5 m3/min時,為高瓦斯工區。本區賦存的4、8號煤層均屬高瓦斯工區,5、9號煤層局部處于低瓦斯工區,大部為高瓦斯工區。

4.2 勘探取樣

通過現場調查,在綜合分析地層和煤層埋藏的基礎上,在DK21+750附近施工了WS-1號地表垂直鉆孔,孔深268.65 m,穿越了7號煤層,厚度0.60 m,在鉆進7號煤層下的泥巖和砂巖中,多層巖石破碎,該鉆孔在石炭系上統太原組地層中共揭露3層標志層：K2灰巖、7號煤層、K1砂巖。終孔地層為奧陶系中統峰峰組石灰巖地層。并及時采取了煤芯樣和瓦斯樣(現場解吸),送交山西省煤炭工業局綜合測試中心進行化驗測試工作。

4.3 煤層瓦斯測試及分析

二疊系下統山西組(P1s)及石炭系上統太原組(C3t)是該隧道穿越的主要的含煤地層,據勘探結果及區域地質資料,工作區主要穿越2、3、4、5、8、9(8+9)號煤層、10號煤層為主要可采煤層。

(1)瓦斯含量

瓦斯及二氧化碳含量,見表1。

表1 7號煤層瓦斯含量試驗報告 cm3/g·daf

通過表1可換算出7號煤層瓦斯含量為0,二氧化碳含量為0.31 m3/t。通過自然瓦斯成分分析：CO2=5.52%,N2=94.48%,H2=0, C2～C8=0,說明7號煤層處在二氧化碳-氮氣帶,與《山西省河東煤田離柳礦區三交勘探區詳查地質報告》和《河東煤田離石礦區詳查勘探報告》勘察成果一致。

(2)煤層吸附常數(a、b)

本次7號煤層吸附常數測試與上述測試工作同時進行,成果見表2。

表2 7號高壓容量吸附試驗報告

(3)工作區各主要可采煤層瓦斯賦存壓力(P)

根據《山西省河東煤田離柳礦區三交勘探區詳查地質報告》和《河東煤田離石礦區詳查勘探報告》,工作區瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之間。因7號煤層與本區其他煤層煤質特性相近,故參考7號煤層測試的吸附常數(a、b),概略計算本區其他主要可采煤層瓦斯賦存壓力(P),供參考。

計算公式為朗格繆爾計算公式

式中V——瓦斯含量[cm3(mL)/g或m3/t]；

a、b——吸附常數；

P——煤層瓦斯賦存壓力(MPa)。

則

經上述概略計算,工作區內各主要可采煤層瓦斯賦存壓力在0.002 6～0.299 4 MPa。

(4)煤塵

據《山西省河東煤田離柳礦區三交勘探區詳查地質報告》和《河東煤田離石礦區詳查勘探報告》,該區實驗室煤塵爆炸性鑒定結果顯示：2、3、4、5、8、9、10號煤層煤塵均有爆炸性,爆炸指數為30.4%～40.2%。該區實驗室煤的自燃試驗結果顯示：2、3、4、5、8、9、10號煤層均屬Ⅱ級自燃煤層。

據呂煤安字[2007]661號《關于對臨縣銀富煤業有限公司等18對礦井2007年度瓦斯等級及二氧化碳涌出量鑒定的批復》,煤塵亦均有爆炸性,煤與瓦斯突出次數為0,瓦斯噴出次數為0,煤層自燃傾向性為Ⅱ～Ⅲ級,煤層最短發火期為6～8月。

根據“臨煤發[2008]117號”《關于我縣十八對礦井2008年度礦井瓦斯等級鑒定結果的報告》,煤塵亦均有爆炸性,煤與瓦斯突出次數為0,瓦斯噴出次數為0,煤層自燃傾向性為Ⅱ～Ⅲ級,煤層最短發火期為6～8月。

4.4 評價

該隧道區內各主要可采煤層均處在二氧化碳-氮氣帶,瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之間,CH4百分含量<20%,瓦斯賦存壓力在0.002 6～0.299 4 MPa之間,本區賦存的4、8號煤層均屬高瓦斯工區,5、9號煤層局部處于低瓦斯工區,大部為高瓦斯工區,無煤與瓦斯突出現象,無瓦斯噴出現象。

隧道區內各主要可采煤層煤塵均有爆炸性,煤層最短發火期為6～8個月,自燃傾向性均屬Ⅱ～Ⅲ級。

隧道穿越的煤系地層位置在DK21+540～DK22+450和DK24+30～DK24+530段,總長度為1410 m,穿越煤層有2、3、4、5、8、9、10號煤層。

5 瓦斯隧道施工工程措施建議

隧道進入煤系地層時,必須提前進行瓦斯超前探測、試驗工作,邊探邊掘,循環施工,以防瓦斯大量涌出。

堅持“預測預報,有疑必探,先探后掘,先治后掘”的方針。

隧道施工中加強灑水防塵工作,尤其在煤系地層施工段,以免發生煤塵、巖塵爆炸事故,同時防止煤層自燃現象發生。

施工中必須加強通風管理工作,杜絕掘進面上隅角局部瓦斯積聚,從而引發瓦斯事故。

加強機電設備管理工作,杜絕機電設備的失爆現象發生。

加強隧道施工的支護管理工作,杜絕空頂作業。

加強隧道施工中的防滅火工作,杜絕隧道內明火。

[1] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[2] TB 10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]

[3] TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術規范[S]