三聯隧道瓦斯段揭煤施工技術探討

羅　中

(湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢　430202)

?

三聯隧道瓦斯段揭煤施工技術探討

羅中

(湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢430202)

針對改建鐵路貴陽至昆明線六盤水至沾益段隧道工程途經煤層瓦斯的地質問題，采用超前鉆孔探測技術，預測了煤與瓦斯突出危險性，并介紹了掌子面揭煤施工技術，為隧道安全揭煤和防止煤層采空區坍塌提供技術參考。

隧道，煤層，瓦斯，揭煤施工

0　引言

隨著我國大規模的基礎設施建設，越來越多的大型公路、鐵路隧道和引水隧道等隧道工程項目投入建設，其中一部分隧道途經富煤地區，而含煤地層的地質條件相對于普通的巖土條件而言，往往由于瓦斯、煤巖松散、膨脹土等問題的存在，導致富煤地質條件下隧道施工的難度加大，質量安全難以保障。本項目為改建鐵路貴陽至昆明線六盤水至沾益段(D1K305+980 m～D1K307+060 m)途經順層滑坡、危巖落石、巖溶、軟土、膨脹土、邊坡坍塌、煤層瓦斯等地質問題，條件十分復雜，揭煤是本隧道施工中的重大危險工序之一。

1　工程概況

三聯隧道穿越煤層地段的煤巖類型以半暗型腐殖煤為主，煤體部分灰分較高，硫分低。煤層及煤系地層生烷能力較強，含煤地層瓦斯蘊含量較大。據監測結果顯示：含煤段隧道煤層瓦斯壓力在2.533 MPa～3.229 MPa之間，含量在7.54 m3/t～12.87 m3/t之間,瓦斯涌出量在4.483 m3/min～8.207 m3/min之間。瓦斯對該地段隧道施工影響巨大。

三聯隧道含煤地層為二疊系上統宣威群，長約1 080 m，呈單斜構造，巖層走向偏轉，傾角變化大。上部含煤地層主要集中在D1K306+770 m～D1K306+970 m地段，已施工地段及煤層分布情況見圖1。

圖1　煤層分布示意圖

2　工程特點

1)通過對三聯隧道穿越煤層取樣進行的自燃傾向性及煤塵爆炸性試驗，試驗結果顯示該地煤的自燃傾向性為自燃，煤的自燃傾向性等級為Ⅱ級，按計算指標值區內所有煤層均有煤塵爆炸危險性。

2)宣威群其余地段(D1K305+980 m～D1K306+770 m)含煤性差，煤層薄，煤厚0.01 m～0.4 m，煤層不穩定，變化大，該地段含煤對隧道施工影響相對較弱。

3　總體施工方案

1)施工前和施工過程中，積極配合以物探、鉆探、地質法等綜合進行超前地質預報，以便施工前能根據地質狀況進行全面充分施工準備，施工過程中能夠準確掌握含煤地層具體位置、產狀、煤層分布厚度等關鍵信息，防止誤穿煤層。同時對該地區是否存在煤炭開采情況，對采空區及采空區規模、性質等進行準確預報。

2)當預測前方存在煤層時，采用中壁法五部對掌子面進行揭煤施工，每部揭完一層煤層后再進行另一部同一煤層揭煤施工，若煤層瓦斯濃度不超標、無突出危險時采用臺階法施工。

3)1號斜井工區屬煤與瓦斯突出危險的高瓦斯工區，施工前組織相關技術和管理人員認真學習《鐵路瓦斯隧道技術規范》《防治煤與瓦斯煤突出細則》《煤礦安全工程》等相關規范。該區施工設備配置、施工作業程序、施工通風方案、施工管理等應嚴格按規范相關要求辦理。

4)施工中必須加強瓦斯監測，規范通風工作，嚴防瓦斯濃度超限。周密制定瓦斯防突措施，且措施必須體現四“突出”：即瓦斯突出危險性監測和預報、處置瓦斯突出的相關措施、防治瓦斯突出措施實施效果檢驗、相關施工安全防護措施。

5)揭煤施工前對各含煤地層瓦斯突出的危險性作出評估和預測，評估結論顯示有瓦斯突出危險時，必須嚴格采取事先制定的防突措施并在實施過程中嚴密監測；當無瓦斯突出危險時，也應采取其他相關安全防護措施后方可施工，以確保整個施工過程萬無一失。

4　瓦斯控制

4.1總體部署

1號斜井工區要按要求進行不間斷通風，建立專職瓦斯等有害氣體的瓦檢中心，對瓦斯等有害氣體進行巡回監測。

防突措施包括：突出危險性預測預報、防治突出措施、防治突出措施效果檢驗和安全防護措施四個部分。突出危險性預測預報措施：采用綜合指標法進行預測；防治突出措施：鉆孔抽放瓦斯和遠距離放炮揭開各煤層；防治突出措施效果檢驗：采用鉆屑指標法；防護措施：遠距離放炮、壓風自救系統。本工區隧道瓦斯防突措施以排放瓦斯為主，方法如下：當工作面距煤線層最小垂距小于3.0 m時，進行排放瓦斯鉆孔。施鉆排放瓦斯范圍，拱部為兩側開挖輪廓線向外5.0 m，拱頂向上7.0 m；下部為兩側向外5.0 m，隧底向下3.0 m。瓦斯排放孔孔徑為108，鉆透煤線層并進入底板巖層不少于0.5 m，各鉆孔底間距不大于瓦斯排放半徑R兩倍。

隧道在D1K305+980 m～D1K307+060 m段采用臺階法施工(煤層段采用中壁法施工)，在該里程范圍上臺階設3個超前探鉆孔以初期探明煤層的大致里程位置。在距初探煤層位置10 m處設3個取芯探孔，以確切掌握煤層層位、傾角、厚度、頂(底)板巖柱、地質構造等煤層賦存情況。在距初探煤層位置5 m處設3個超前探測孔，要求穿透煤層全厚，并收集全部煤屑，并測定瓦斯涌出初速度，根據收集的煤層鉆屑、瓦斯涌出初速度及鉆孔過程中是否出現頂鉆、夾鉆、噴孔等瓦斯動力現象分析預測煤層瓦斯含量，評估煤層瓦斯是否具有突出危險性。

4.2揭煤防突具體施工方法

4.2.1超前鉆孔

保證及時支護，嚴禁超挖，每開挖一段，立即用型鋼支護。在鉆孔施工中首先根據設計圖紙先用噴射混凝土將鉆孔部位封閉，然后再開鉆。鉆孔施工中鉆孔的數量和先后順序也是非常重要的，對于正洞須打3個φ108地質超前鉆孔，且在瓦斯段分5部開挖的第1部施工，具體施工部位和順序分布見圖2,如發現有異常時，超前探孔必須加密，另外在2，3，4部施工時，應加強分析工作。

圖2　分部開挖示意圖

4.2.2確定煤層層位

結合前期地勘數據和前期地質揭露狀況，通過掌子面施工超前鉆孔來預測前方施工段是否含有煤層，當超前鉆孔揭露現實前面含有煤層，此時就要開始施工探測孔了，掌子面第一部分在距離推測煤層部位10 m垂距處，施工φ89探測孔3個。探測孔深度要求穿透煤層全厚且進入頂板或底板煤層不少于50 cm，確保能正確地掌控煤層的具體分布狀況。掌子面第2，3，4三個部位在相同位置施工φ89的驗證孔1個即可，該孔主要目的是對第一區三個探測結果進行再次驗證，進一步精確定位煤層的位置、走向、厚度、傾角、傾向瓦斯蘊含狀況等。

4.2.3煤與瓦斯突出危險性預測及瓦斯排放

當正洞1部掌子面施工到距煤層5 m垂距處，施作3個穿透煤層的預測孔，測定煤層瓦斯參數。當預測煤與瓦斯有突出危險時，須采取措施將瓦斯排放或抽放。瓦斯排放鉆孔布置及相關要求詳見圖3。

需要注意的是當實施瓦斯排放或抽放措施后，還應對瓦斯抽排效果再次進行檢驗，通過檢測工作面瓦斯參數，在確保該煤層不再存在瓦斯突出危險后才能進行后續施工作業。如果瓦斯檢測結果不滿足要求，應堅持持續排放，不得進行揭煤施工作業，必要時如可以增加排放孔數量或延長排放時間，直到瓦斯監測各項指標都在限值以下方可作業。

注：1)本圖為正洞第1部瓦斯排放孔布置圖，瓦斯排放范圍為襯砌開挖外輪廓向外5m范圍；2)當預測孔預測到煤層有可能發生突出危險時，需進行排放瓦斯施工；3)本圖的各項參數(角度、長度、坐標)需實施前探孔查明，各煤層的位置和厚度、產狀后，進行實施性設計；4)第1部排放范圍為5m巖柱對應里程至0m巖柱對應里程+10m處之間范圍；5)瓦斯排放范圍，坑道左右兩側5m(沿煤層走向)、上方5m(垂距)、底板以下5m(沿傾向)；6)排放孔直徑89，要求鉆透煤層進入底板厚度不小于0.5m，各孔底間距不大于2m(當煤層危險性大時，應適當放小)；7)排放瓦斯時，正洞停止施工，排放時間由排放效果確定，施作檢查孔檢查煤層突出性，如無突出危險，則可停止排施，否則應繼續排放或采取其他措施；8)排放孔施工時，掌子面距煤層垂距不小于5m；9)排放孔效果檢驗應布置4個檢驗孔，其中石門中間1個，其他3孔位于石門上部和兩側，終孔位置應位于排放控制范圍的邊緣上，當檢驗孔檢測前方煤層仍存在突出危險性時，應采取延長排放時間、增加排放鉆孔或采取瓦斯抽放等補救措施；當無突出危險后，方可進行揭煤作業

5　鉆爆作業

掘進至煤層后，首先應對工作面瓦斯參數進行檢測，當瓦斯濃度和排放量符合安全作業條件后進行鉆孔作業，炮眼開掘采用濕式鉆孔，炮眼深度大于60 cm。炮眼施工完成后進行爆破作業，填裝炸藥和雷管一定嚴格遵照爆破作業方案進行，有瓦斯的地段爆破時須執行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”。爆破30分鐘后瓦檢員和專職安全人員進行檢查，在確保安全的情況下，由專職爆破工檢查爆破情況，檢查無誤后方可開始出渣作業，并做好瞎炮處理工作。

6　揭煤施工方法及要求

1號斜井工區三聯隧道含煤地段采用中壁法V級全封閉襯砌型式進施工，按1→2→3→4→5的步驟分部開挖，見圖2。

6.1揭煤方法

揭煤作業前，先做好已開挖部位的防護措施，防止施工過程中造成坍塌。隧道采用震動放炮一次揭煤，每次只能揭一層煤，不得同時多層揭煤。隧道內采用分部揭煤，各部逐一揭煤，爆破用炸藥和雷管必須符合煤礦安全標準要求，當一層煤揭完后方可準備下一層揭煤工作。

揭煤作業前，掘進工作面與煤層之間要留足安全巖柱，預留巖柱視圍巖穩定程度確定，但一般石門工作面距煤層的垂距不得小于2 m，若圍巖松散破碎，還應適當增加。當石門揭穿后，隧道在半煤半巖中掘進，各分部掘進工作面需始終保持前方安全區不小于5 m。正洞各分部斷面應盡量一次揭開煤層，不能一次揭開煤層全厚時，施工剩余部分時，也必須采取有效的防突措施。

6.2石門震動放炮

石門均采用震動放炮一次揭煤，多鉆眼(每平方米不少于4個)，多裝藥(正常掘進單位耗量2～3倍)，一次性揭開石門厚度，炮眼布置見圖4。起爆前全員撤出，遠距離電力起爆放炮，利用爆破時強大的震動力，猛然一次揭開具有突出危險性的瓦斯氣層。

放炮前，將掘進面排放瓦斯的孔用炮泥堵塞，巖眼與煤眼交錯相間排列，巖眼深度應使孔底距煤層，10 cm～20 cm，不得透煤(若鉆到煤層再回填10 cm～20 cm)。

6.3煤巷掘進

煤層中掘進時亦采用爆破法作業，電煤鉆成孔松動爆破。在軟弱破碎巖層中或煤層中掘進時，采用預注漿加固或搭設超前管棚支護，防止洞壁坍塌引起瓦斯突出。爆破出渣后立即噴錨支護，及時封閉開挖面封堵瓦斯。掘進時臨時仰拱緊跟工作面支設并鋪瓦斯隔離板，保證拱、墻、仰拱襯砌形成閉合整體。含煤地層設防段的二次襯砌，二襯混凝土需預留注漿孔，二襯澆筑完成后及時壓漿，通過漿液充填空隙來封閉瓦斯。

圖4　石門震動爆破炮眼布置示意圖

7　監控量測

成立隧道現場監控量測組，現場量測所得數據及時分析整理后報指揮部工程部，以便及時修改設計，調整支護參數，優化施工方案和合理安排施工進度。

8　結語

改建鐵路貴陽至昆明線六盤水至沾益段三聯隧道穿越煤層均有煤層爆炸危險性且含煤性差，含煤層薄，煤層不穩定，變化大，地質情況十分復雜，將嚴重影響隧道施工的安全。施工單位對煤層進行探測,并據此制定科學嚴格的揭煤技術方案：采用超前鉆孔探測技術對煤與瓦斯突出危險性預測，并對掌子面進行揭煤施工，最終保障隧道施工安全順利進行。通過監控量測統計，綜合判斷出施工過程中圍巖和支護結構穩定性良好，為類似工況下大型隧道工程的施工提供一些有價值的參考。

[1]徐文平.發耳隧道揭煤防突技術[J].隧道建設，2013,33(4):309-314.

[2]黃長國.公路隧道揭煤防突技術及實踐[J].地下空間與工程學報，2016,12(1):236-242.

[3]鄭金龍，李曉紅.華鎣山隧道西口右線揭煤防突防坍技術[J].巖土工程學報，2000,22(5):59-561.

[4]冉茂倫.高瓦斯隧道揭煤防突施工探討[J].公路交通科技，2015(5)：99-100.

[5]王維高.熊洞灣隧道的揭煤施工技術[J].蘭州交通大學學報，2014(1):67-72.

Discussion on the construction technology of coal uncovering in triple tunnel

Luo Zhong

(HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan430202，China)

Rebuilding railway from Guiyang to Kunming line to the Liupanshui Zhanyi section of tunnel engineering passing through coal seam gas geological problems, The coal and gas outburst prediction using advanced drilling detection technology in construction, and the working face of coal uncovering, and to provide technical reference for tunnel safety uncovering coal and preventing coal seam goaf collapse.

tunnel， coal seam， gas， uncovering coal construction

1009-6825(2016)21-0184-03

2016-05-19

羅中(1979- )，男，碩士，講師

U445

A