非煤系構造連通型瓦斯隧道超前地質預報技術

李 鵬，蔣雅君，楊龍偉，楊其新

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學院，成都 610031；2.中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

非煤系構造連通型瓦斯隧道超前地質預報技術

李 鵬1，蔣雅君1，楊龍偉2，楊其新1

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學院，成都 610031；2.中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

穿越非煤系地層的隧道中的瓦斯的不可預見性很大，非煤系構造連通型瓦斯隧道是穿越非煤系地層的典型代表，現階段對這類隧道還沒有系統的超前地質預報技術，給施工安全造成了很大的威脅。為了準確預報非煤系構造連通型瓦斯隧道中的瓦斯運移途徑，避免安全事故的發生，通過對現有超前地質預報技術包括地質法和物探法在非煤系構造連通型瓦斯隧道中適用性的分析，構建非煤系構造連通型瓦斯隧道的綜合超前地質預報體系，并通過在肖家梁鐵路隧道施工中成功應用，說明提出的超前地質預報技術是可行的。

瓦斯隧道；非煤系地層；構造連通型；超前地質預報

1 概述

我國大部分的瓦斯隧道一般都穿越了煤系地層，煤系瓦斯隧道成因簡單，分布最為普遍，其煤層位置是相對固定的，可以通過比較成熟的勘測手段預測其對隧道施工的危害性，因而可以采取有針對性的防治措施，避免瓦斯災害的發生。隨著我國隧道建設的發展，穿越非煤系地層的瓦斯隧道工程也日漸增多，如武隆隧道、炮臺山隧道、紅石巖隧道、曾家坪2號隧道等(表1)[1]。其中，炮臺山隧道屬于構造連通型瓦斯隧道，在施工期間發生2次爆炸，共死亡13人。這些隧道不穿越煤系地層但是在施工過程中都遇到了瓦斯問題，與穿越煤系地層的瓦斯隧道相比，非煤系地層瓦斯隧道沒有類似于煤炭一樣的瓦斯載體，特別是構造連通型瓦斯隧道主要以游離瓦斯為主，其特征是壓力低、流量低而穩定、分布不均勻、瓦斯涌出的隨機性很強，因此對隧道施工安全的影響很大[2]。目前國內工程界對非煤系地層瓦斯隧道已經逐步開展了相關施工技術的研究[3]，但仍然處于起步階段，還需要在工程實踐中不斷總結和完善。

表1 我國非煤系瓦斯隧道

在非煤系瓦斯隧道的施工過程中，對瓦斯的預報是其中的一個關鍵技術問題。對于非煤系地層瓦斯，由于其分布運移規律極其復雜瓦斯聚集和涌出隨機性大，目前尚無非常有效的精確勘測手段，仍然以常用的超前地質預報手段為主。通過對非煤系構造連通型瓦斯隧道特點和現有超前預報方法的分析，提出了針對非煤系構造連通型瓦斯隧道的超前地質預報技術體系，并在肖家梁隧道中得到了成功的應用。

2 非煤系構造連通型瓦斯隧道特點

2.1 非煤系瓦斯隧道類型

通過對我國已有大量瓦斯隧道的研究，總結出非煤系地層瓦斯隧道主要有3種類型：一是構造連通型；二是圍巖變質型；三是復合型[3]。

(1)構造連通型瓦斯隧道，由構造連通隧址區外或隧道深部煤系地層，這類瓦斯隧道本身不穿越煤系地層，但隧道穿越的構造連通了煤層，瓦斯氣體會通過構造連通通道流動至隧道內形成瓦斯災害。按照不同的構造類型，又可分為裂隙連通型、斷層連通型與褶皺連通型。

(2)圍巖變質型瓦斯隧道，主要是隧道穿越的地層中有些黑色碳質泥巖、泥灰巖、頁巖等經過漫長時期的地質作用，這些巖層已經炭化達到生氣階段，具備了生成瓦斯的物質基礎，已相當于煤系地層，在這些地層修建隧道時同樣會遇到瓦斯災害問題。

(3)復合成因型瓦斯隧道，復合成因型瓦斯隧道既有構造連通的原因又與巖石變質作用有關，兩種因素缺一不可。

本文主要研究構造連通型瓦斯隧道的超前地質預報技術。

2.2 非煤系瓦斯溢出聚集特點

瓦斯在煤層中主要有游離態、吸附態和吸收態3種賦存方式，如圖1所示。在非煤系構造連通型瓦斯隧道中瓦斯以游離態為主，瓦斯以自由氣體的狀態從煤和巖石的裂隙破碎帶自由地運動到隧道開挖線，并從掌子面溢出，主要聚集在隧道拱頂、拱腰以及通風難以達到的死角[4]。

圖1 瓦斯在煤體中的賦存狀態

3 綜合超前地質預報體系的建立

3.1 超前地質預報技術種類及特點

(1)地質法

地質法是最基本的超前地質預報方法，主要包括掌子面地質素描和超前鉆探。

掌子面地質素描能夠比較準確地預測主要結構面如斷層、層理及節理、裂隙的產狀、性質、延伸長度、張開寬度等情況。實踐證明，對隧道掌子面的工程地質與水文地質的觀察和描述，對于判斷圍巖穩定性和預測開挖面前方地質條件十分重要。

超前地質鉆探是利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質信息的一種超前地質預報方法。理論上適合于各種地質條件的隧道，是目前公認最直接最簡單的一種預報方法。

(2)物探法

有關地質預報的物探方法很多，具體如表2所示。目前在隧道施工中常用的方法包括地質雷達法、TSP法等[5]。

3.2 超前地質預報適用性分析

要準確預報非煤系構造連通型瓦斯隧道中瓦斯出沒和聚集情況，主要是預測圍巖的完整性，裂隙、破碎帶位置、規模和性質，掌握瓦斯的運移通道。常規的超前地質預報的方法并不完全適用于非煤系地層，必須具體分析。

3.2.1 地質法適用性分析

(1)地質素描是觀察掌子面巖石的完整性和類別，根據巖層特性預測前方裂隙、斷層和褶皺是否存在，為進一步推斷非煤系地層瓦斯的存在和運移通道提供條件[6]，臨近不良地質體的前兆現象見表3。但地質素描法只能進行短距離的預測，對隱藏在掌子面后的斷層和裂隙，不能探知準確位置，必須配合其他預報方法。

表2 超前地質預報物探法

表3 隧道內可能有瓦斯溢出地質體的前兆

(2)超前鉆探不僅能直接了解掌子面前方、左右、上下及兩側的地層巖性、構造、是否含煤與其規模做出較為準確的判斷，而且還能準確預測煤層參數、瓦斯參數和巖溶(裂隙)水含水參數，是最直觀的超前預報方法，在非煤系瓦斯地質預報中是非常重要的[7]。它的缺點是成本高、對施工的影響大，而且鉆孔的方向控制和鉆孔工藝有一定的技術難度[8]。超前鉆探在紫坪鋪、家竹菁、龍溪等大批瓦斯隧道中成功應用。

3.2.2 物探法適用性分析

由于負視速度法、TSP/TGP法等需在洞內打孔放炮，在瓦斯隧道中應首先排除[9]。

(1)地質雷達也同樣存在激發電火花問題，這種方法在應用時應慎重。但地質雷達能夠比較準確地預報圍巖的完整性，裂隙、破碎帶位置、規模和性質，故在能達到很好的防爆要求和加強洞內通風的條件下，也可以用地質雷達。地質雷達預報距離為20 ～30 m，屬于短距離預報法，現已廣泛應用于隧道超前地質預報，在洪福、方斗山等瓦斯隧道中成功應用[10]。

(2)HSP聲波反射法屬于彈性波法，其原理與地震法基本相同，它是采取大錘敲擊木樁，人工激發信號的方法，避免了打孔放炮可能引起的瓦斯爆炸?，F場測試方法采用通道觸發一發一收的方式進行，信號采集和數據儲存都通過便攜式計算機控制[11]。并且它的預報范圍能達到100 m左右，屬于長距離預報法，配合地質素描，能達到很好的效果。HSP聲波反射法在武隆、孫家寨和涼風埡等瓦斯隧道中發揮了巨大作用。

3.3 超前地質預報體系

通過對各種超前預報方法的適用性分析，建議采用“以地質法為基礎，以物探法為主要手段，采用長短結合預報模式，加強瓦斯濃度監測的綜合體系”進行非煤系瓦斯隧道的地質預報，如圖2所示。

圖2 非煤系瓦斯隧道綜合超前地質預報體系

(1)先運用HSP聲波反射法進行長距離宏觀預報。

(2)后采用地質素描、地質雷達和超前鉆孔分梯次進行短距離預報。

(3)在進行超前預報作業前，必須對隧道瓦斯濃度進行檢測，對隧道其他風險源進行逐一排查，經檢查達到安全條件后進行超前預報作業。

通過以上方法即可對掌子面前方可能具備瓦斯儲存、運移或聚集構造進行預報。

4 工程應用實例

4.1 工程概況

肖家梁鐵路隧道位于四川盆地北東部的廣元市蒼溪縣鴛溪鎮和浙水鄉，隧區內覆蓋層主要為第四系全新統坡殘積層，下伏基巖為白堊系下統劍門關組泥巖、砂巖不等厚互層。本工程為典型的非煤系構造連通型瓦斯隧道，與常規煤系地層瓦斯隧道有著本質的區別。瓦斯源自深層地層，無類似于煤炭一樣的瓦斯載體，主要以游離瓦斯為主，瓦斯涌出的隨機性很強，主要受與產氣層相通而闔閉條件好的張裂隙和有裂隙發育的巖體分布的控制，當隧道開挖遇到這種裂隙時，就有瓦斯涌出。因此采用合理的超前預報方式，準確探測前方瓦斯含量，預測瓦斯溢出情況，有效指導施工，預防瓦斯事故發生，是本工程的重點。

4.2 超前地質預報措施

肖家梁隧道采用圖2所示的綜合超前地質預報體系：以地質法為基礎、以HSP聲波反射法和地質雷達為主要手段，結合超前鉆探和瓦斯濃度監測相結合的綜合物探方法進行瓦斯預報。

肖家梁隧道采用瓦斯監控系統(KJ101N型瓦斯監控系統)、便攜式瓦檢儀、專職瓦斯檢查員“三道防線”來檢測、監視隧道瓦斯濃度變化情況，從而采取有針對性的防范措施，保證生產安全。

4.3 瓦斯預報實例

對DK644+150掌子面向前方進行HSP聲波反射預測，圖3為測試典型波形圖，測試巖體平均聲波速度為1 416 m/s。經過分析掌子面前方23～49 m范圍內，圍巖巖體聲波信號反射強烈，巖體節理裂隙發育，局部為碎裂塊狀結構，中下部巖體多夾透鏡體軟弱夾層，拱部巖體稍完整，但軟弱結構面發育，拱部塊狀巖體易突破巖體阻力掉塊坍塌，地下水較發育，多呈股狀，穩定性較差，對應樁號為DK644+173～DK644+199。初步預計為瓦斯的運移提供了通道，需要采用綜合超前地質預報體系進一步確認。

圖3 肖家梁隧道DK646+258掌子面測試典型波形

在開挖到DK644+170，通過掌子面素描觀察到，圍巖節理裂隙較發育，泥巖、砂巖及泥巖夾砂巖互層結構，層間結合較差。隨后用防爆地質雷達對掌子面前方的圍巖情況進行了探測，在掌子面距隧道拱頂約4.5 m處布置1條水平測線，測得雷達波部分見圖4。

圖4 部分雷達波

根據地質雷達探測剖面綜合分析如下：在掌子面前方0～380 ns的區段范圍內(構造深度0～19 m，參考波速0.1 m/ns)，在該區域內存在多處較強電磁波反射信號，中低頻信號都有，信號同向軸時斷時續，反射信號的振幅較強。初步判定該區域為節理裂隙密集帶，層間結合較差，并含有少量裂隙水。初步驗證HSP聲波反射法的探測結果。

為避免發生瓦斯事故，緊接著進行超前鉆探，對掌子面前方地質情況進行直觀探測，超前鉆孔布置于上臺階，每斷面5個孔(圖5)，單孔長度為30 m左右，相鄰探測孔之間的搭接長度為5 m。在超前鉆孔前，隨時監測孔口處的瓦斯濃度，防止瓦斯突出等情況，超前鉆孔完成后，要及時對孔內的瓦斯濃度進行監測，通過對孔內瓦斯濃度和孔口瓦斯濃度對比，判斷瓦斯是否存在壓力、以及有無涌出的可能。在肖家梁隧道施工中采用光干涉式瓦斯檢測儀檢測到有瓦斯涌出，并探測到瓦斯濃度為0.3%～0.8%，無壓力，并通過超前鉆孔對瓦斯的排放，瓦斯的濃度變小，據此判斷該段圍巖裂隙發育，并且圍巖破碎，瓦斯的賦存量不大，但是應加強通風[12]。

圖5 超前鉆孔孔位布置與平面布置(單位：cm)

根據超前地質預報的結果，施工單位加強瓦斯監測工作并及時通風，隧道開挖至DK644+171里程后，出露圍巖破碎，節理發育，瓦斯裂縫運移至施工掌子面，經瓦斯檢測得到瓦斯濃度為0.83%。該綜合超前地質預報體系成功地發揮了作用，也正因為采用了合理的地質超前預報技術，才未發生瓦斯爆炸及人員傷亡和財產損失。

5 結語

(1)通過對非煤系瓦斯隧道成因和類型的研究，得到了非煤系構造連通型瓦斯隧道中的瓦斯以游離態為主，具有壓力低、流量低而穩定、分布不均勻、涌出的隨機性很強的特點。

(2)對現有超前地質預報方法在非煤系構造連通型瓦斯隧道中的使用條件和應用效果進行分析，選出地質法中的掌子面地質素描法和超前鉆探法以及物探法中的地質雷達法和HSP聲波反射法適用于非煤系構造連通型瓦斯隧道，并按照長短結合、地質法和物探法結合的原理構建了綜合超前地質預報體系。

(3)通過在肖家梁隧道施工過程中的實際應用效果，說明了本文所提出的非煤系瓦斯隧道的綜合超前地質預報技術體系是成功的，對于預報非煤系構造連通型瓦斯隧道中的地質情況，有的放矢的控制瓦斯，減少瓦斯帶來的災害發揮了作用。

限于目前應用的工程實例較少，相關的超前地質預報技術的適用性及技術體系，仍然有待進一步探討和完善。

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Advance Geological Prediction of Fracture Connectivity Type Tunnel in Non-coal Strata

Li Peng1， Jiang Yajun1， Yang Longwei2， Yang Qixin1

(1.Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chendu 610031，China; 2.China Railway Erju Second Engineering Co.， Ltd.， Chendu 610091，China)

The gas in the tunnel through non-coal strata can hardly be predicted. Fracture connectivity type tunnel in non-coal strata is a typical representative of such tunnels. At the present stage， there is no systematic geological prediction technology for such a tunnel， which brings a big threat to construction Safety. In order to accurately forecast the gas movement in fracture connectivity type tunnel and prevent security incidents， this paper， through the analysis of the applicability of advance geological prediction including geological method and geophysical method， puts forward a comprehensive geological prediction system with reference to the successful application in Xiao Jiang Liang fracture connectivity type tunnel in non-coal strata， which has proved the feasibility of the advance geological prediction.

Gas tunnel; Non-coal strata; Fracture connectivity type; Advance geological prediction

2014-02-24；

：2014-02-28

中央高校基本科研業務費專項資金資助(SWJTU11ZT33)；教育部創新團隊發展計劃資助(IRT0955)

李 鵬(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：xqlipeng@126.com。

1004-2954(2014)11-0103-05

U456.3+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.024