隧道瓦斯涌出量預測方法在非煤地層中的應用研究

高勤運

隧道瓦斯涌出量預測方法在非煤地層中的應用研究

高勤運

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

非煤地層瓦斯涌出量的評估目前還沒有系統的理論和方法。通過應用《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)和《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)中煤層瓦斯涌出量計算公式,結合現場瓦斯測試及濃度監測,認為若相關參數取值合理,公式應用于非煤地層是可行的,且規范計算結果更符合客觀實際;同時,現場瓦斯濃度檢測也是必要的。

隧道;非煤地層;瓦斯涌出量;評估

瓦斯是從煤(巖)層內逸出的各種有害氣體的總稱,其主要成分為甲烷[1],對隧道施工安全影響極大。近幾年,隨著鐵路建設的快速推進,瓦斯隧道越來越多,既有穿越煤系地層的,也有在非瓦斯區、非煤系地層中施工遇到瓦斯的。當隧道穿越或鄰近煤系地層和其他含瓦斯地層時,對瓦斯的預測與評估已有一套成熟的技術;但對于非煤系地層的瓦斯,由于其賦存無規律,勘察期間也無法查清,因此目前尚無統一的認識,也沒有系統的研究;至于其預測、評估方法,更是無章可循,只能依靠通風時的瓦斯濃度大致估算瓦斯涌出量。

如何較為客觀、有據地評估非煤地層的瓦斯涌出量,以目前鐵路相關規范的研究水平,認為采用《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)和《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)中煤層瓦斯涌出量的計算方法是可行的,雖然公式中計算參數存在一定局限性,計算結果與實際可能也有些出入。下面以某線化馬隧道為例,談談計算方法的應用。

1 算例概況

化馬隧道通過一斷層破碎帶(斷帶物質為壓碎炭質板巖),在掘進約11 m后,施工過程中電焊切割超前小導管時,導管口發生氣體燃燒現象。經測試,掌子面右側邊墻小導管口瓦斯濃度達4.63%,遂停止施工。幾天后,在通風狀態下檢測掌子面瓦斯濃度,拱頂0.24%、右側拱架背后0.56%、小導管口為0.42%。其后,經連續監測,掌子面瓦斯濃度有所降低,但一直保持在0.1%～0.2%,見圖1[2]。

圖1 掌子面瓦斯濃度監測曲線

經鉆孔取樣分析與化驗,炭質板巖層中瓦斯含量為0.15～0.26 m3/t,瓦斯氣成分主要為N2、CH4和CO2,鉆孔絕對瓦斯壓力0.25～0.33 MPa,瓦斯流量衰減系數0.02～0.41d-1;炭質板巖的堅固性系數為0.97～2.01,水分產率為1.28%～1.38%,灰分85.76%～89.86%,揮發分產率8.08%～11.84%,視密度2.57～2.73 g/cm3,孔隙率為6.16%～8.69%[3]。對比煤炭分類標準[4],應不屬于煤。

2 絕對瓦斯涌出量的計算

2.1 應用《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)預測法[1]

采用規范附錄L中“獨頭坑道瓦斯涌出量的計算”。

該隧道為雙線,并滿足雙層集裝箱運輸,開挖斷面較大,日掘進約1 m。按每日開挖進尺1 m計,巷道斷面周長約42.3 m,巷道斷面面積135.28 m2,即每日開挖各循環爆落炭質板巖總體積為135.28 m3,噴射混凝土支護厚度取0.27 m;炭質板巖的密度取2.73 t/m3,揮發分取實測平均值92.19%,每噸炭質板巖瓦斯逸出量取0.16 m3/t,殘存瓦斯含量取0.01 m3/t。預測結果見表1。

表1 掌子面瓦斯涌出量預測結果__m3/min

由表1可以看出,隧道掌子面瓦斯涌出量為2.81 m3/min,根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002),該工區為高瓦斯工區。

2.2 應用《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)預測法[5]

采用規范附錄F中“單煤層隧道揭煤時絕對瓦斯涌出量的計算”。

由于該公式是針對煤層的,因此在應用中根據實際開挖情況做了修正。煤壁的暴露個數取4,煤層厚度按豎向厚度25 m(開挖高度15 m加頂、底部影響帶各5 m)或縱向厚度40 m(施工步距35 m加掌子面前方影響帶5 m)考慮,掘進長度按現場每天實際開挖1 m、三臺階長度11 m和正常施工步距35 m 3種情況考慮;隧道寬度取13 m,煤層與隧道斷面夾角為0°。預測結果見表2。

表2 掌子面瓦斯涌出量預測結果

由表2可以看出,隧道掌子面瓦斯涌出量為0.18～0.941 m3/min,依據《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)及第3.3.1條條文說明,仍判定為高瓦斯工區。

2.3 現場瓦斯監測及涌出分析

根據瓦斯監測資料顯示:8月6日至8月31日掌子面瓦斯涌出點(小導管口)甲烷濃度為2%～2.68%,甲烷濃度變化不大。8月6日至8月13日距掌子面2～5 m處甲烷濃度為0.02%～0.03%,甲烷濃度變化不大,開挖臺車下部甲烷濃度為0.01%;8月13日至8月31日距掌子面2～5 m處甲烷濃度為0.1%～0.27%,甲烷濃度變化較大,開挖臺車下部甲烷濃度為0～0.01%,甲烷濃度明顯下降。風機風量為2 500～3 000 m3/min,估算瓦斯涌出量為0.5～0.9 m3/min[6]。

3 算例對比分析

從上述計算可以看出,雖然預測結論一致,均屬高瓦斯工區,但數據差距較大,與現場監測估算的瓦斯涌出量相比,《鐵路工程不良地質勘察規程》中公式計算結果與其基本一致,而《鐵路瓦斯隧道技術規范》計算結果偏大。分析、對比兩計算方法,有以下一些認識與體會。

(1)兩種計算方法相比,《鐵路瓦斯隧道技術規范》中公式較為客觀、實際

規范、規程中關于瓦斯涌出量的計算公式,應該來源于煤炭部門礦井瓦斯涌出量預測中“掘進工作面瓦斯涌出量”的計算方法,即掘進工作面絕對瓦斯涌出量等于掘進工作面巷道煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量的和[7]。在此基礎上,結合鐵路隧道斷面的特征,進行了修訂。

對于“開挖工作面采落煤塊的瓦斯涌出量”,兩種計算方法的計算公式雖然不同,但表達的意義是一致的,計算結果差異只是參數取值不同所致。

對于“新暴露煤壁的瓦斯涌出量”,兩方法的計算公式和表達的意義還是有差別的?！惰F路工程不良地質勘察規程》中公式反映,一旦掘進保持正常,新暴露煤壁的瓦斯涌出量只與巷道掘進長度有關;而《鐵路瓦斯隧道技術規范》中引入了“時間衰減函數”概念,其與瓦斯流量衰減系數和煤壁暴露時間有關。瓦斯流量衰減系數反映鉆孔瓦斯涌出量隨時間衰減變化情況,可以實測。所以該計算結果比較客觀,也較真實反映了現場實際情況。

此外,《鐵路瓦斯隧道技術規范》中獨頭坑道的瓦斯涌出量中還包括了“噴射混凝土地段洞壁瓦斯涌出量”的計算,但《鐵路工程不良地質勘察規程》中沒有考慮,與煤炭部門保持了一致。實際工作中還是應該考慮這部分瓦斯,雖然占的比例很小。

(2)對于非煤地層,這兩種計算方法均存在一些缺陷

一是適用性問題。煤層瓦斯涌出量預測的計算方法,煤炭行業標準中也僅列為資料性附錄,用于炭質板巖,可能會有一定的局限性。如計算“單位時間單位坑壁面積瓦斯逸出初始強度”時,一個重要參數是煤的干燥無灰基揮發分(Vdaf),它用于表征煤化程度,是煤在特定溫度下熱解的產物[8]。用煤的測試方法測定炭質板巖,可能會產生一些偏差,如何修正,也沒有依據,只能采用實驗值。

二是全斷面非煤地層隧道,公式中煤層厚度M、煤壁中巷道掘進長度L的取值問題,仍需要探討。非煤地層厚度遠遠大于煤層,且隧道開挖方式與煤層開采大不相同,取其實際厚度明顯不合理;煤炭部門在多煤層開采條件下,計算鄰近層對開采層的瓦斯涌出量時,考慮了開采層頂、底板破壞影響范圍(開采層采動后,頂、底板巖石受影響的范圍,在此范圍內的鄰近層能夠排出瓦斯,范圍外的不能排出瓦斯[9],一般與開采厚度、采深、煤層傾角、工作面長度、開采方法等有關[10]),據此將隧道開挖近似為多煤層開采,把開采層頂、底板的破壞影響范圍納入煤層厚度中,理論上應該可行,但開采層頂、底板的破壞影響范圍計算公式多基于煤層,各種計算方法結果相差較大,不好把握。因此,根據鐵路隧道的開挖特點,結合圍巖松動圈的特征,認為按實際開挖高度或施工步距加開挖影響帶來考慮煤層的厚度,還是比較合理的,也容易操作。同樣,煤壁中巷道掘進長度L取實際施工步距也較為合理。

(3)現場瓦斯濃度監測很重要,可作為評估的依據

現場監測瓦斯濃度估算瓦斯涌出量,來源于礦井瓦斯抽放設計,是煤炭部門多年經驗的總結,若監測斷面和監測點分布合理,估算的數據還是可靠的。

4 結論

非煤系地層瓦斯涌出量的預測,比照煤在瓦斯參數測試方法的基礎上,結合隧道實際施工情況,應用《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB10120—2002)和《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)計算,均可行,規范計算結果更符合客觀實際;同時,作為瓦斯隧道的重要判定依據,現場瓦斯濃度檢測也是關鍵的環節。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10120—2002鐵路瓦斯隧道技術規范[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.化馬隧道瓦斯補充工程地質說明[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2012.

[3] 中煤科工集團西安研究院.化馬隧道瓦斯參數測試及評估報告[R].西安:中煤科工集團西安研究院,2012.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T5751—2009中國煤炭分類[S].北京:中國標準出版社,2009.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10027—2012鐵路工程不良地質勘察規程[S].北京:中國鐵道出版社,2012.

[6] 煤礦礦井采礦設計手冊編寫組.煤礦礦井采礦設計手冊(下冊) [M].北京:煤炭工業出版社,1984:876-877.

[7] 國家安全生產監督管理總局.AQ1018—2006礦井瓦斯涌出量預測方法[S].北京:煤炭工業出版社,2007.

[8] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T212—2008煤的工業分析方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[9] 焦作礦業學院瓦斯地質教研室.瓦斯地質概論[M].北京:煤炭工業出版社,1990:222-223.

[10]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京:煤炭工業出版社,2000.

[11]王祥.贛龍鐵路擴能改造主要工程不良地質問題及其工程措施[J].鐵道標準設計,2012(11):31-34.

[12]項志敏,等.武廣客運專線大斷面隧道軟巖地段快速施工技術[J].鐵道標準設計,2007(S1):61-63.

Application Research of Prediction Method of Tunnel Gas Emission Quantity in Non-coal Stratum

GAO Qin-yun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

At present,no systematic theory and method can be used for evaluating the gas emission quantity in non-coal stratum.Therefore,in this study,the gas emission quantity calculation formulas in coal seam were employed,which are stipulated in Technical Code for Railway Tunnel with Gas (TB10120—2002)and Code for Unfavorable Geological Condition Investigation of Railway Engineering (TB10027—2012),combined with field test and gas concentration monitoring.The research conclusion can be drawn as follows:for non-coal stratum,the use of above-mentioned formulas will be feasible if the relevant parameters are reasonably selected;the calculation result obtained from Technical Code for Railway Tunnel with Gas are even more in accordance with the objective reality;at the same time,it is necessary to test the gas concentration in field.

tunnel;non-coal stratum;gas emission quantity;evaluation

U456.3+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.020

1004-2954(2014)04-0087-03

2013-07-24;

2013-08-09

高勤運(1971—),男,教授級高級工程師,1994年畢業于桂林工學院工程地質專業,工學學士,E-mail:gqy5502@163.com。