鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在瓦斯隧道中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，安亞昆

1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院，遼寧沈陽 110015

2.東北煤田地質(zhì)局一0七勘探隊(duì)，遼寧阜新 123000

隨著我國社會(huì)的發(fā)展，瓦斯隧道工程數(shù)目不斷增多，由于瓦斯隧道手工中地質(zhì)勘探階段面臨諸多局限因素，因而隧道開挖中并不能完全掌握應(yīng)了解的信息，由于前方瓦斯量不明，開挖過程中經(jīng)常要面對(duì)涌出或者超限的問題。而妨礙正常的施工和生產(chǎn)。同時(shí)一旦這種情況嚴(yán)重就會(huì)造成重大的瓦斯爆炸，危害工人的人身安全和設(shè)備的重大損失。雖然瓦斯隧道在開挖之前會(huì)進(jìn)行一定程度的勘測(cè)，但是在瓦斯隧道的實(shí)際施工開挖中，所面對(duì)的實(shí)際情況與勘測(cè)結(jié)果往往是存在偏差的，因而，在開挖瓦斯隧道之前一定要先進(jìn)行詳細(xì)的勘測(cè)在進(jìn)行挖掘，以便提前預(yù)防，保證瓦斯隧道能夠安全的施工和生產(chǎn)。

鑒于此，下面詳細(xì)的介紹超前鉆探預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)技術(shù)在董家山和龍溪兩座高瓦斯隧道中的應(yīng)用，以期能夠提高預(yù)防預(yù)測(cè)技術(shù)在瓦斯隧道中的應(yīng)用，加強(qiáng)瓦斯隧道的安全性。

1 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)的方法

當(dāng)前，隧道勘測(cè)中常用的預(yù)測(cè)方法是物探法、地質(zhì)編錄法以及鉆探法。

地質(zhì)編錄法主要是通過分析和搜集隧道開挖中開挖段巖石的變形與破裂以及周圍巖石的相關(guān)資料和工程所處的地質(zhì)環(huán)境等資料，并對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)，然對(duì)這些資料進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，從而預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問題，做好預(yù)防措施。

物探法利用了電磁波在巖石中的傳播或者地震波在巖石中的傳播等特點(diǎn)，來預(yù)測(cè)前方斷層、破碎帶

柱以及軟巖等不良地質(zhì)的位置和規(guī)模，對(duì)含水量豐富的地段以及老窖等的地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，另一方面也掌握了煤層、砂巖的成分等信息。

鉆探法是在施工過程中對(duì)前面巖石結(jié)構(gòu)進(jìn)行探查的一種方法，這種方法具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)，一是能夠準(zhǔn)確的了解掌子面前方出現(xiàn)的斷層破碎帶、軟巖和巖溶陷落柱等偏差地質(zhì)的具體的情況；二是能夠預(yù)排放煤巖體瓦斯和巖溶水，從而有效的保證隧道開挖的安全性。

2 超前鉆探預(yù)報(bào)法在瓦斯隧道的鉆孔布置

超前鉆探預(yù)報(bào)技術(shù)是依據(jù)地質(zhì)條件，鉆孔的長(zhǎng)度和鉆孔的數(shù)量不盡相同。其中在塌方地段，一般采用12m以上24m以下的密集型鉆孔以及30m～50m之間的長(zhǎng)孔鉆相互配合進(jìn)行鉆探。至于短鉆孔的重點(diǎn)，需要特備加強(qiáng)對(duì)隧道開挖輪廓線以外3m～6m的處理，中長(zhǎng)鉆孔的控制點(diǎn)主要是在隧道開挖線輪廓線以外的8m，其中保證每一循環(huán)之間有15m以上的安全距離。其中鉆孔需要經(jīng)過塌方虛渣體與老窯的采空區(qū)。一般淶水出現(xiàn)在破碎質(zhì)區(qū)域，一般在30m～50m左右，其中鉆孔的終點(diǎn)距離隧道初始地方輪廓線之外的8m，其中保證每一循環(huán)之間有15m以上的安全長(zhǎng)度。假如破碎地質(zhì)段不大，理論上說，在鉆孔的施工過程中要了解該區(qū)域的地質(zhì)資料。

在巖層良好的地段，也是30m～50m的中長(zhǎng)鉆進(jìn)行鉆孔，控制鉆孔的終點(diǎn)在隧道開始地段以外的8m，在每一循環(huán)之間必須保證有不少于15m的安全距離。對(duì)于那些存在瓦斯和煤的危險(xiǎn)地段，通常是使用50m～80m的長(zhǎng)鉆孔和30m～50m的中長(zhǎng)鉆結(jié)合的方法進(jìn)行施工，在這個(gè)過程中要重點(diǎn)掌握瓦斯的參數(shù)以及巖溶水的具體資料。

3 超前鉆探技術(shù)在瓦斯隧道工程中的應(yīng)用

3.1 超前鉆探預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)技術(shù)在坍方墟渣體地段

3.1.1 董家山瓦斯隧道鉆孔的布置

此地段隧道的進(jìn)入口右線K14+855～+877曾經(jīng)出現(xiàn)過重大的瓦斯爆炸事故，且出現(xiàn)大量的瓦斯。使用TSP與地質(zhì)雷達(dá)來進(jìn)行預(yù)測(cè)，出現(xiàn)的結(jié)果為右線塌方的塌腔最高限度為32m，縱向長(zhǎng)度是17m。其中塌方坍方區(qū)域出現(xiàn)過兩個(gè)循環(huán)的鉆探，這兩個(gè)循環(huán)總共施工10mm較多的短鉆孔，其中兩個(gè)循環(huán)中短鉆孔共85個(gè)，鉆孔的85個(gè)，每一個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度通常四9m～22m。而60mm的中長(zhǎng)鉆孔都在長(zhǎng)度在30m～35m，之間，而一共5個(gè)，其中第一循環(huán)的施工中100mm密集的短鉆孔是40個(gè)，鉆孔的長(zhǎng)度是9m～22m；60mm的中長(zhǎng)鉆孔是5個(gè) ；而第二循環(huán)中100mm密集短鉆孔是45個(gè)，鉆孔長(zhǎng)度在16m～22m之間，沒有中長(zhǎng)鉆孔。

3.1.2 董家山瓦斯隧道的塌腔空洞和瓦斯預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)

位于董家山隧道的進(jìn)口右線K14+855～+877的地方，第一循環(huán)鉆孔鉆探流程中出現(xiàn)7個(gè)鉆孔，其大小是在3.9m～6.0m之間，待進(jìn)入塌腔空洞之后，第二循環(huán)中又有4個(gè)鉆孔，分別為鉆井施工到5.8m～6.9m時(shí)，此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入塌方空洞中。根據(jù)了解的信息，推算出隧道中掌子面拱頂40度的范圍內(nèi)有坍方空洞，其空洞的直徑是6.9m左右，空洞具體位于隧道相距開挖線1.17m～1.80m的地方，縱向的深度在24m以上。超前鉆孔完工之后，測(cè)定了塌方空腔的瓦斯壓力和流量，通過對(duì)兩個(gè)循環(huán)中85個(gè)鉆孔瓦斯壓力的預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果是在超前預(yù)測(cè)的地方?jīng)]有瓦斯承壓，全部孔的瓦斯流量是零，從而證明瓦斯已經(jīng)全部釋放，坍塌的空洞中沒有積存瓦斯，從而判斷出超前預(yù)測(cè)區(qū)沒有瓦斯富集，說明在開挖的過程中不會(huì)出現(xiàn)瓦斯異常涌出的現(xiàn)象。

通過這地質(zhì)雷達(dá)等物探方法進(jìn)行比較可以得出，超前鉆探預(yù)測(cè)技術(shù)能夠更加有效精確的測(cè)定塌方的位置和塌方總腔體的瓦斯的分布和存量情況，從而采取有效的預(yù)防措施指導(dǎo)塌方地段的施工，以此保證開挖的安全性。

3.2 在地層完好地段

3.2.1 龍溪隧道鉆孔布置

由于龍溪隧道的絕大部分巖層是砂巖和薄層碳質(zhì)泥巖，其巖層比較完整，巖石的層理比較的清晰，但是存在地應(yīng)力比較高能夠大袋9.5MPa ～26MPa，裂隙發(fā)育的情況。根據(jù)前期開挖的收集的資料，進(jìn)行了超前鉆探預(yù)報(bào)。龍溪隧道進(jìn)行了36個(gè)循環(huán)超前鉆探，其中有31個(gè)事掌子面段的，5個(gè)事地震塌方地段；鉆孔一共有159個(gè)，掌子面有139個(gè)，20個(gè)事屬于地震塌方地段的；鉆孔的總長(zhǎng)度是11119m，掌子面的長(zhǎng)度是10256m，地震塌方段的長(zhǎng)度是863m。

3.2.2 預(yù)報(bào)技術(shù)在龍溪瓦斯隧道的應(yīng)用

首先預(yù)估掌子面139個(gè)鉆孔承受瓦斯的壓力。以及流量、流量衰減系數(shù)和鉆孔瓦斯?jié)舛鹊龋@樣來計(jì)算預(yù)測(cè)出隧道在施工中有可能會(huì)出現(xiàn)的瓦斯涌出量。預(yù)測(cè)結(jié)果為其中龍溪隧道的瓦斯壓力是0MPa～0.2MPa；瓦斯流量是每分鐘0.01m3；而流量衰減系數(shù)是0.012～0.029之間。

鉆孔中瓦斯的濃度在20m～45m左右就達(dá)到百分之10以上，絕大部分為于50m～80m，直施工完成后通常也只有8%～9%。通過對(duì)瓦斯的參數(shù)的超前鉆孔檢測(cè)，在施工的之前制定了有效的預(yù)防措施，保證了隧道安全。

3.3 在煤和瓦斯突出地段

3.3.1 董家山隧道C合同段鉆孔布置

此隧道C合同區(qū)域進(jìn)口左線在LK14+878掌子面左側(cè)拱角施工鎖腳錨桿過程中發(fā)生了瓦斯噴出現(xiàn)象，同時(shí)也出現(xiàn)掌子面左側(cè)出現(xiàn)3條大約2m～5m長(zhǎng)，2m寬的開裂縫，并在其中一條的末端出現(xiàn)了直徑為10cm的空洞，而空洞中還噴出了黑色的液體以及細(xì)小的煤屑和碳質(zhì)泥沿塊。基于此，對(duì)其進(jìn)行了超前鉆孔預(yù)測(cè)。超前鉆孔探測(cè)一共進(jìn)行了9個(gè)循環(huán)，鉆孔166個(gè)，鉆孔的長(zhǎng)度一共是7802m。防突措施孔一共是26個(gè)，鉆孔的長(zhǎng)度達(dá)到1327m，效果檢驗(yàn)孔是5個(gè)，長(zhǎng)度是256m。

3.3.2 預(yù)報(bào)技術(shù)在董家山隧道C合同段對(duì)瓦斯的預(yù)測(cè)

在對(duì)9個(gè)循環(huán)進(jìn)行預(yù)估的過程中，所有鉆孔都有瓦斯壓，但是鉆孔過程中出現(xiàn)12個(gè)鉆孔夾鉆、頂鉆和噴孔的現(xiàn)象，經(jīng)預(yù)測(cè)的結(jié)果為：瓦斯的壓力是～0.83MPa；瓦斯的流量是零。當(dāng)鉆孔全部完成之后，24小時(shí)間瓦斯的艷麗降到0.1MPa～0.2MPa之間。

通過施工超前鉆孔，不僅僅能夠?qū)γ簩油咚箟毫屯咚购康榷喾N參數(shù)進(jìn)行了有效的預(yù)測(cè)，能夠幫助排除煤層中的承壓瓦斯，以此來降低煤層瓦斯壓力，確保了這個(gè)隧道的安全，能夠?yàn)槭┕?chuàng)造相對(duì)安全的條件。

4 結(jié)論

1）董家山隧道的特大瓦斯爆炸事故出現(xiàn)以后，有關(guān)部門及時(shí)的采取超前鉆探技術(shù)，事先精確的預(yù)測(cè)出董家山和龍溪兩座高瓦斯隧道處于煤系地層中的沒有被開挖的地段，進(jìn)而有效的避免了瓦斯爆炸事故的再次出現(xiàn)，確保了工程后續(xù)施工的安全、順利；2）由于超前鉆探預(yù)測(cè)技報(bào)技術(shù)能夠煤巖地質(zhì)以及瓦斯的分布和存量進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠?qū)φ谱用媲胺矫簬r體瓦斯進(jìn)行施工作業(yè)之前的預(yù)防和排除，大大的提升了瓦斯隧道施工的效率和質(zhì)量；3）隨著工藝的進(jìn)步和技術(shù)的革新，鉆探機(jī)具的各方面性能將得到不斷的提高，超前鉆探預(yù)測(cè)技術(shù)也將被應(yīng)用到實(shí)際的探測(cè)和預(yù)測(cè)中，在實(shí)踐和總結(jié)過程中，該項(xiàng)技術(shù)在未來的隧道施工中定會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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