超前鉆探預測預報技術在高瓦斯隧道中的應用

李方元

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司 成都 610041）

超前鉆探預測預報技術在高瓦斯隧道中的應用

李方元

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司 成都 610041）

近年來高速公路施工過程中瓦斯爆炸事故時有發(fā)生，本文以宜賓至敘永高速公路項目都良高瓦斯隧道成功穿越煤系地層為例，分析整理了該隧道施工過程中超前地質(zhì)預報的工作方法和內(nèi)容，著重對超前鉆孔進行了闡述，指出采用多種技術方法進行綜合超前地質(zhì)預報的重要性。

超前鉆探預測預報技術；高瓦斯隧道；應用

近年來我國西部地區(qū)的瓦斯隧道數(shù)量越來越多，由于煤層與瓦斯的復雜性，勘察期間不可能完全查明，存在一定的誤差，隧道開挖過程中經(jīng)常會由于掘進前方瓦斯賦存情況不清楚，而造成瓦斯時常超限或者異常涌出的現(xiàn)象，對正常生產(chǎn)造成影響，嚴重時還會由于瓦斯突出而出現(xiàn)設備損壞、人員傷亡等重特大事故。因此施工期間通過預測、預報進一步評定瓦斯等級、調(diào)整施工組織是確保施工安全的關鍵。

1 工程概況

宜賓至敘永高速公路項目（以下簡稱宜敘高速）是省“十二五”期間規(guī)劃建設的高速公路，是宜賓經(jīng)瀘州敘永、古藺至貴州習水，是進出川高速公路通道的組成部分，是四川省重要的出川通道。宜敘高速主線起點為宜賓市翠屏區(qū)牟平鎮(zhèn)綏慶村，途徑宜賓市翠屏區(qū)、長寧縣、興文縣，止于瀘州市敘永縣雙橋鄉(xiāng)，接納黔高速公路。

都良隧道進口位于興文縣古宋鎮(zhèn)都良村一組，距離興文縣城約 3km，隧道全長1228m，進口樁號K76+090，設計高程362.74m，出口樁號K77+318，設計高程388.96m，為“一”字形縱坡，設計縱坡2.5%，最大埋深261m左右，屬于長隧道，是宜敘高速地質(zhì)條件最復雜的高風險高瓦斯隧道。隧道采用雙車道，設計行車速度80km/h，凈高5.0m，主洞建筑限界凈寬10.0m。

都良隧道位于珙長背斜南東端的北東翼，穿越二疊系長興組、龍?zhí)督M和三迭系下統(tǒng)飛仙關組。其中龍?zhí)督M為含煤地層，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含11層煤及煤線，其中主要有C11和C12兩層可采煤層，其煤層厚度分別為1.6m～2.2m及0.6m～0.8m，其余煤線一般10cm～20cm。相關單位對都良隧道進行了瓦斯氣體專項研究，根據(jù)隧道巖性特征和含煤情況，綜合判定隧道K76+090～K76+413進口段為非瓦斯工區(qū)；隧道K76+413～K76+645段為高瓦斯工區(qū)；隧道K76+645～K77+318出口段為低瓦斯工區(qū)。

2 瓦斯超前預報的依據(jù)和必要性

在煤系地層中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃燒以及粉塵爆炸等地質(zhì)災害是隧道建設主要應防止發(fā)生的地質(zhì)災害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根據(jù)相關單位進行的瓦斯氣體專項研究，都良隧道在里程 K76+413～K76+645 段穿越龍?zhí)督M含煤地層，含煤段長232m；段內(nèi)煤層層數(shù)較多，主要有C11和C12兩層煤具有瓦斯突出風險，隧道洞身煤層瓦斯壓力0.60MPa，瓦斯含量約32.38m3/t，煤層瓦斯涌出量估算為2.32m3/min，隧道綜合判定為高瓦斯隧道。

同時經(jīng)多次地表調(diào)查（及對煤礦的調(diào)查）及走訪當?shù)厝罕姡剂妓淼栏浇擅阂?guī)模相對較大的主要煤礦有德海煤礦（老煤礦），興文縣大田灣煤礦、興文縣建設煤礦，此三個煤礦均為煤與瓦斯突出礦井，并曾經(jīng)發(fā)生過煤與瓦斯突出事故，均造成嚴重后果。

綜上所訴，從理論和實例出發(fā)，按照規(guī)程、規(guī)范判定標準，都良隧道為高瓦斯隧道。在隧道通過煤系地層施工過程中，應按《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》（TB10120-2002 J160-2002）和《煤礦安全規(guī)程》等進行瓦斯超前預報預測工作，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發(fā)生事故。

3 瓦斯超前預報預測簡述

為探明掌子面前方的地質(zhì)情況、煤層位置及產(chǎn)狀、瓦斯賦存等，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發(fā)生事故，需以地質(zhì)調(diào)查法為基礎（洞內(nèi)地質(zhì)素描），以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進行瓦斯超前預報。

在具有煤(巖)與瓦斯突出危險地層中開挖施工時，應及時進行隧道地質(zhì)素描，加強地質(zhì)預測預報工作。穿越低瓦斯地層地段可采用超前鉆孔進行探測，穿越高瓦斯、突出地層地段必須采用超前鉆孔進行探測。

過煤系地層隧道超前地質(zhì)預報應在地質(zhì)分析和物探預測的基礎上，結(jié)合臨近煤層的超前鉆探手段，準確查明前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育情況，煤層分布、厚度、傾角及走向探測，煤的破壞類型等，當采用物探方法預報煤層及采空區(qū)時，可同時采用地質(zhì)雷達、TSP等物探方法，長短結(jié)合，綜合評判。

開挖工作面距離煤層較遠時，可采用物探初步判斷前方150m范圍內(nèi)可能存在的較大煤層異常情況及巖體的完整狀況；臨近煤層30m以內(nèi)時，煤層瓦斯預測預報應以超前鉆孔為主。

進行突出危險性預測時，超前鉆孔設計應在距煤層10～20m（垂距）處的開挖工作面布置1個超前鉆孔、初探煤層位置；在距初探煤層10m（垂距）處的開挖工作面上布置 3～5個超前鉆孔，分別探測開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置，并采取煤樣和氣樣進行物理、化學分析和煤層瓦斯參數(shù)測定，在施工現(xiàn)場進行瓦斯含量、涌出量、壓力等測試工作；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，分析煤層頂、底板巖性。

每個鉆孔深度不宜小于50m，鉆孔終孔點超出隧道開挖輪廓線5m以上，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長度為5m以上。在鉆孔過程中出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現(xiàn)象時，應視該開挖工作面為突出危險工作面。

4 超前鉆探技術在都良隧道工程中的應用

超前鉆探是在開挖階段進行鉆探以查明掘進方向的地質(zhì)條件, 不但能直接探明掌子面前方斷層破碎帶、軟巖、巖溶陷落柱等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模, 還能準確預測煤層參數(shù)、瓦斯參數(shù)和巖溶 (裂隙) 水參數(shù), 并且對于煤巖體瓦斯和巖溶 (裂隙 )水具有預排放作用, 保障開挖過程生產(chǎn)安全。針對本隧道為高瓦斯隧道，高瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)均采用超前鉆孔對瓦斯進行測試和預報，超前鉆孔同時兼作超前地質(zhì)探孔。

鉆孔布置分為兩個段落，其中高瓦斯工區(qū)左右洞分別進行了9個循環(huán)超前鉆孔探測，超前鉆孔在上臺階呈三角形布設 3個，鉆孔直徑 65mm，每個鉆孔深度50m，其中拱頂鉆孔為水平鉆孔，上臺階拱腳處兩鉆孔為傾斜鉆孔，傾斜鉆孔終孔點超出隧道開挖輪廓線 5m，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長度為 5m。打鉆過程中多數(shù)鉆孔均有承壓瓦斯，共有8個鉆孔發(fā)生夾鉆、頂鉆和噴孔現(xiàn)象，相應增加防突措施孔24個，每個鉆孔直徑65mm，深度30m。

出口段低瓦斯工區(qū)考慮到受下覆煤系地層影響，瓦斯可能沿巖層節(jié)理裂隙逸散至隧道，左右洞分別進行了15個循環(huán)超前鉆孔探測，在上臺階中下部布置1個鉆孔，鉆孔直徑65mm，長度50m，搭接5m，主要做為超前地質(zhì)探孔，同時對前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量進行測定。

都良隧道左右洞共施工鉆孔108個，鉆孔總長度4920m，其中瓦斯超前預測鉆孔84個，鉆孔總長度4200m；防突措施孔24個，鉆孔總長度720m。每一個超前鉆孔施工完成后對前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)進行測定，并計算在隧道開挖過程中瓦斯涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量核定施工工區(qū)的瓦斯等級，同時預測施工前方可能出現(xiàn)異常瓦斯涌出情況或判斷是否存在煤與瓦斯突出的可能性。測試結(jié)果：瓦斯壓力0～0.58MPa；瓦斯流量0～0.12 m3/min；流量衰減系數(shù)0～0.05；鉆孔瓦斯?jié)舛瘸┟恒@孔能達到10%以上，其余大部分鉆孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛染?%以下。鉆孔施工完成后，24h后多數(shù)承壓鉆孔瓦斯壓力下降至0.1 MPa。

通過超前鉆探預測預報技術，不但能準確預報掌子面前方煤巖體的地質(zhì)情況、有效測定煤層瓦斯壓力和瓦斯含量等參數(shù)，還能排泄煤層中的承壓瓦斯，降低煤層瓦斯壓力，極大地提高了瓦斯隧道的施工效率，為隧道安全施工創(chuàng)造了良好條件。

5 結(jié)語

綜上所述，瓦斯隧道工程設計應結(jié)合煤層瓦斯段圍巖地質(zhì)條件，提出施工中的瓦斯超前預報預測的相關內(nèi)容與要求。瓦斯隧道超前預報應采用綜合預報方法，以地質(zhì)分析為基礎，輔以物探手段，最終采用超前鉆探和瓦斯檢測加以驗證。隨著近年來施工工藝及相關技術的革新，鉆探機具各方面性能均得到了提升，當前實際探測及預測工作中也開始大范圍應用超前鉆探預測技術，在實踐及工程總結(jié)過程中，超前鉆探預測預報技術在未來的隧道施工中必定會發(fā)揮出更大的作用。

[1]李術才,劉斌,孫懷鳳,聶利超,鐘世航,蘇茂鑫,李貅,許振浩. 隧道施工超前地質(zhì)預報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 巖石力學與工程學報,2014,（6）:1090-1113.

[2]何成,江登洪,陳欣梅. 特殊不良地質(zhì)隧道的超前鉆探法預報技術探討[J]. 西南公路,2010,（4）:126-130.

[3]張立云,李榮,周興長. 超前地質(zhì)預報在洪福高瓦斯隧道施工過程中的應用[J].四川林勘設計,2009,（4）:100-103.

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1007-6344（2016）03-0066-01

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