高瓦斯隧道穿越煤系地層段TSP法超前探測

高樹全

(中鐵二院 成都工程檢測有限責任公司，成都 610031)

高瓦斯隧道穿越煤系地層段TSP法超前探測

高樹全

(中鐵二院 成都工程檢測有限責任公司，成都 610031)

地震波反射法(TSP法)因兼具探測距離遠和分辨率高的特點，在隧道超前地質預報中得到廣泛應用。但是一直以來TSP法在高瓦斯隧道煤系地層段的應用相對較少，處于被弱化的位置。這里首先分析了影響TSP法在煤系地層段實施的因素，然后提出相應的對策提高TSP法在煤系地層實施的高效性，最后結合同一高瓦斯工區的兩個典型案例，對比分析地震波波速、泊松比和彈性模量等物理力學參數的變化規律，探討地震波相關參數異常和煤層分布范圍的對應關系。結果表明,地震波低速異常區和高泊松比特征可判釋厚煤層的大致分布范圍，TSP法對煤層的有效探測，能為超前鉆孔驗證提供重點靶區，對隧道施工掘進創造有利條件。

高瓦斯； 煤系地層； TSP法； 超前地質預報

0 前言

瓦斯爆炸是隧道施工過程中最嚴重的災害之一，危害極大。煤系地層隧道超前地質預報的主要對象是對煤層和瓦斯的預報。一般而言，煤層越厚，煤的煤化程度越高，產生的瓦斯也越多。對于直接穿越煤系地層的隧道，煤層的超前探測尤為重要。煤層瓦斯預報應以地質調查法為基礎，以超前鉆探法為主，結合多種物探手段進行綜合預報[1]。但是，現行的鐵路瓦斯隧道技術規范中，煤層探測只提到超前鉆孔[2]，在隧道施工過程中，受各方面因素影響，參建單位大多采用較直接、直觀的超前鉆探法對煤層瓦斯進行探測[3-5]，對物探法煤層超前探測重視程度不夠。

煤系地層有別于煤層，如果隧道穿越煤系地層段落較長，由于地質不確定因素，煤系地層段落存在勘探期間未發現的煤層，超前鉆孔一孔探測不足以了解掌子面前方的煤層瓦斯情況，多孔循環探測又會造成投資增加、施工工期緊張。鑒于此，煤層探測可首選較成熟的長距離地震波反射法(如TSP法)，確定煤層在隧道的大致位置和厚度，為超前鉆孔驗證提供重點探測區域，從而有針對性的優化超前鉆孔對煤層進一步詳探，防止誤揭煤層造成煤與瓦斯突出。在理論研究和實際應用中，武威等[6]對煤巷地震超前探測進行數值模擬，認為地震波法適用于層狀煤層探測，精度高；賴偉清等[7]采用TGP法(地震波法的一種)對公路隧道煤層瓦斯進行探測；劉楊等[8]在高瓦斯隧道首選長距離的TSP法對瓦斯裂隙帶進行探測；汪志軍等[9]對煤體瓦斯與地震波屬性進行相關性研究，認為松散破碎煤體較正常煤體瓦斯含量高，地震縱橫波速度慢，泊松比增大；何繼善等[10]研究了瓦斯突出地球物理場的彈性波速響應特征，認為瓦斯突出煤體的泊松比大于非突出煤體。筆者對比分析了TSP法，在煤系地層段超前探測的兩個應用案例。

1 影響TSP在煤系地層實施的因素

影響TSP法在煤系地層實施的因素主要包括3個方面：

1.1 安全方面

高瓦斯隧道施工揭煤，采用遠距離起爆或洞外起爆，TSP法數據采集需要炸藥激發產生地震波，且儀器操作主要在掌子面后方幾十米范圍進行，隧道參建各方對高瓦斯段落使用雷管、炸藥有所顧忌。現行的鐵路隧道超前地質預報技術規程已有說明，超前地質預報工作采用非防爆型時，在儀器設備及操作空間20 m范圍內瓦斯濃度必須小于1%。施工實際過程中，一般要求爆破地點20 m范圍內，洞內回風流中瓦斯濃度必須小于0.75%，甚至小于0.5%，瓦斯濃度滿足現行技術規程要求。另外，施工揭煤采用洞外起爆，主要是考慮到隧道掌子面爆破之后，可能造成大量的瓦斯涌出，造成安全隱患。但是，TSP法是以小藥量的炸藥產生地震波，對圍巖的破壞影響較小，不會造成瓦斯的大量涌出。

1.2 TSP法結論指導煤系地層施工的針對性不夠

TSP法數據處理及資料解譯需要有經驗的物探專業工程師,目前從事超前預報工作的單位較多，預報人員水平參差不齊。如果對物探異常解譯不夠造成漏報就不能有效規避施工掘進風險；如果對物探異常過度解譯，造成“草木皆兵”現象，又會讓施工方無從有效選擇。

1.3 TSP法不如超前鉆探法直觀

相對于超前鉆探法，TSP法屬于間接預報方法，報告結論中的物探異常需要進一步鉆探驗證。超前鉆探法則更直接、直觀，探測結果不僅可計算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系，鉆孔還可用于測定瓦斯相關參數。

2 提高TSP法在煤系地層有效實施的對策

根據TSP法的探測原理，從設計角度考慮，煤礦以采煤為目的，煤礦巷道系統一般沿煤層布置，隧道則盡量以最短距離穿過煤層，隧道設計有利于TSP法傳感器接收反射波信號。在具體實施過程中，可從以下三方面提高TSP法在煤系地層段落實施的有效性。

1)持續穩定的通風，使瓦斯濃度穩定且小于0.75%(或0.5%)。TSP法實施過程中，瓦檢員全程跟蹤檢測瓦斯濃度，當瓦斯濃度超標或出現異常時，可緊急處理，便于隨時撤離危險區域。瓦斯段的TSP法數據信號激發，必須采用煤礦許用炸藥，有瓦斯突出地段，必須使用安全等級不低于三級的煤礦許用含水炸藥，雷管必須使用煤礦許用瞬發電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管。使用煤礦許用毫秒延期電雷管時，最后一段的延期時間不得超過130 ms。

2)充分利用勘察設計資料，收集整理掌子面地質素描資料，及時跟蹤隧道開挖信息，使TSP法實施有的放矢。由于掌子面附近容易聚集瓦斯，建議靠掌子面的第一個炮孔距離掌子面20 m。務必保證每個炮孔傾斜向下(建議角度約20°)，利于進行水封炮孔，使炸藥包和圍巖有好的耦合效果，同時達到消焰和降塵的目的。在軟弱、破碎巖層等成孔條件較差的段落，炮孔即時實施填裝炸藥包或對炮孔作特殊處理(如PVC管支撐等)，避免塌孔，保證炸藥包能填裝到炮孔的底端。超前預報單位，必須配備專業的物探工程師和地質工程師，充分解譯物探異常，提高TSP法結論對超前鉆探的指導意義。

3)雖然超前鉆探結論更直觀，但也存在一孔之見、成本高(特別是取芯鉆孔)和占用施工時間的問題；另外，有經驗的超前鉆探司鉆人員較少，缺乏對鉆探資料的判讀，一般需要有經驗的專業隊伍實施。TSP法兼具探測效率和經濟的優勢，和超前鉆探法形成互補的有利條件。

3 TSP探測案例分析

施工圖設計時，根據地勘鉆孔、附近煤礦等資料在施工圖上標示了可能遇到煤層的位置，但施工過程中，揭示煤層的實際里程可能與設計存在偏差。另外，由于地質的不確定性，煤系地層段落存在勘探期間未發現的煤層。一般來說，煤層結構松散，煤巖原生、次生裂隙發育。根據煤與瓦斯突出機理可知，在相同的地質條件下，破碎松散煤體瓦斯含量較正常煤體要高。當煤體富含瓦斯時，煤體松散、破碎使縱、橫波傳播速度降低。通過分析縱、橫波等參數的變化，可實現對隧道掌子面前方煤層瓦斯的探測。

3.1 隧道工程地質概況

隧道穿越龍潭組煤系地層，巖性主要有灰巖、硅質巖、頁巖、炭質頁巖、砂巖夾煤層，地層巖性復雜，軟硬不均，地層中的炭質頁巖等軟質巖極易軟化，軟化后呈沙土狀。預報里程段可溶巖和碎屑巖相間，巖溶弱發育，構造發育。根據地勘鉆孔資料，隧道穿越的龍潭組煤系地層，綜合判斷為高瓦斯隧道，預報里程段屬高瓦斯工區。

3.2 第1次超前預報情況及施工揭示

3.2.1 超前預報情況

隧道往小里程方向掘進，根據施工圖設計，在DK474 +380～+350段遇煤層(圖1)，煤層厚度約1.0 m，該段實際揭示煤線和煤層，煤層厚度最大值小于0.3 m。當隧道掘進至DK474+328時，實施第1次TSP法超前預報，往小里程方向探測。

圖1 隧道煤層、煤線分布情況及第1次TSP實施示意圖Fig.1 Coal seam, coal line distribution and the first TSP implementation

綜合分析圖2～圖4 P波、SH波和SV波速度分析圖，隧道掌子面前方約26 m 出現地震波速下降趨勢，掌子面前方26 m～46 m及隧道周邊20 m范圍總體呈現低速異常，其中橫波低速異常區域較為明顯，P波波速在對應位置隧道周邊5 m～20 m范圍有所降低，在靠近隧道軸線位置變化不大。縱、橫波波速總體變化情況為：P波波速從3 075 m/s下降到2 946 m/s，SH波速從1 771 m/s下降到1 650 m/s，SV波波速從1 734 m/s下降到1 580 m/s。

圖2～圖4中，橫坐標表示隧道掘進方向，縱坐標表示隧道及隧道周邊；紅色區域表示地震波速度高，藍色區域表示地震波速度低。

圖2 P波速度分析成果圖Fig.2 P wave velocity analysis

圖3 SH波速度分析成果圖Fig.3 SH wave velocity analysis

圖4 SV波速度分析成果圖Fig.4 SV wave velocity analysis

圖5為第1次TSP法預報反射層位及物理力學參數成果圖。結合速度分析圖和反射層位分布特征，推測掌子面前方26 m～46 m存在物探異常，該異常段圍巖泊松比從0.27增大到0.32，動態楊氏模量從18降低至15，局部存在波動變化。結合地勘資料和當前掌子面情況，推測掌子面前方26 m～46 m(即對應里程DK474+300～+280段)圍巖完整性變差，巖體破碎，裂隙發育，存在軟弱夾層(如煤層等)，局部含水，建議施工單位在DK474+310之前加強超前鉆探進一步探測驗證。

3.2.2 超前鉆孔驗證及施工揭示情況

在D3K474+330實施3孔超前鉆孔，鉆孔孔內未檢測到瓦斯，個別孔內返水黑色，開挖揭示為煤矸石或炭質頁巖。施工掘進25 m之后，在DK474+305掌子面再次實施3孔超前水平鉆孔，深度均為30 m，超前探孔返水呈黑色，沖擊聲沉悶，局部存在突進現象，3個鉆孔測試瓦斯濃度最大值分別為0.28%、0.22%、和0.22%。隨后，在DK474+301掌子面揭示頁巖、炭質頁巖和煤矸石，掌子面右側拱腳出現雞窩狀煤層。在DK474+291完全揭示煤層(圖6)，煤層走向與隧道呈66°交角，煤層傾角21°，煤層真厚為2 m～6.5 m，隧道穿越煤層長度達20 m以上(對應里程約DK474+301～+276段)。

3.3 第2次超前預報情況及施工反饋

3.3.1 超前預報情況

圖5 反射層位及物理力學參數成果圖Fig.5 Results of reflective layer and physical mechanical parameters

圖6 DK474+291掌子面煤層照片Fig.6 DK474+291 face photo

隧道完全穿越DK474+291煤層之后，繼續往小里程方向掘進，隧道掘進過程中掌子面偶有煤線出現，根據施工圖設計，DK474+220～+128段隧道穿越煤線。當隧道掘進至DK474+214時，循環搭接實施第2次TSP法超前預報(圖7)，往小里程方向探測。TSP法超前預報成果分析如下：

根據圖8～圖10速度分析成果圖，SH波和SV波在隧道掌子面前方約44 m 出現波速下降趨勢，掌子面前方44 m～74 m及隧道周邊20 m范圍總體呈現低速異常；P波在掌子面前方對應位置隧道周邊8 m～20 m范圍呈現低速異常，但在靠近隧道軸線位置，波速略有增高趨勢?？傮w而言，P波波速變化范圍在3 081 m/s和2 906 m/s之間，SH波速從1 796 m/s下降到1 559 m/s，SV波波速從1 786 m/s下降到1 558 m/s。

圖7 隧道煤層、煤線分部情況及第2次TSP實施示意圖Fig.7 Coal seam, coal line distribution and the second TSP implementation

圖8 P波速度分析成果圖Fig.8 P wave velocity analysis

圖10 SV波速度分析成果圖Fig.10 SV wave velocity analysis

結合速度分析圖和反射層位分布特征(圖11)，推測掌子面前方44 m～74 m存在物探異常，該異常段圍巖泊松比從0.32增大到0.38，動態楊氏模量從20降低至15。結合地勘資料和當前掌子面情況，推測掌子面前方44 m～74 m(即對應里程DK474+170～+140段)圍巖完整性變差，巖體破碎～極破碎，節理裂隙很發育，存在軟弱夾層(如煤層等)，局部含水，建議施工單位在DK474+185之前加強超前鉆探進一步探測驗證，并在施工過程中加強瓦斯監測、檢測，做好通風處理措施。

圖11 反射層位及物理力學參數成果圖Fig.11 Results of reflective layer and physical mechanical parameters

3.3.2 超前鉆孔驗證及施工現場反饋

在DK474+202掌子面實施3孔超前鉆孔，深度均約40 m，超前探孔返水呈黑色，沖擊聲沉悶，局部存在突進現象，分別在27.5 m、26 m和25 m見煤，水平穿越煤層長度約11 m。在DK474+185掌子面再次實施3孔超前鉆孔，深度約20 m～25 m，分別在13 m、12 m和11 m見煤，取芯鉆孔揭示DK474+174～+163.5段為煤層，煤層取樣全部為粉狀。根據探煤鉆孔資料分析，煤層走向與隧道呈66°交角，煤層傾角28°，煤層真厚約3.9 m，煤層將在隧道洞身DK474+174～+149段出露。施工揭示的煤層照片如圖12所示。

圖12 DK474+171掌子面煤層照片Fig.12 DK474+171 face photo

3.4 兩次預報案例的認識

1)由于是同一高瓦斯工區煤系地層段的連續兩次TSP法探測，具有相似的地質背景和現場數據采集環境，對比分析兩次超前預報案例非常有意義。兩次TSP法對煤層的成功預報，都具有較好的探測條件：①煤層走向和隧道呈大角度相交(約66°)；②煤層具有可被探測的規模，煤層厚度分別達到6.5 m和3.9 m，且煤層穿越隧道段落較長。需要特別注意的是：第1次預報中，參建各方對TSP法資料的重視程度不夠，超前鉆探實施單位對鉆孔資料的認識不足，存在誤揭煤層的安全隱患。

2)兩次預報，煤層段落圍巖物理力學參數變化情況如表1所示。

根據表1，結合前文對隧道周邊20 m范圍內縱橫波波速宏觀分布特征的分析得出：第1次預報中，煤層段VP、VSH和VSV分別下降4.2%、6.8%和8.9%；第2次預報中，煤層段VP、VSH和VSV分別下降5.7%、13.2%和12.8%。兩次預報，煤層段落圍巖地震波縱橫波速度均有不同程度降低，其中橫波波速下降幅度相對較大(尤其是DK474+171煤層段落)，說明橫波的下降變化趨勢對煤層更為敏感。另一方面，煤層段落圍巖泊松比均有不同程度增加，且泊松比均大于0.3。 第1次預報中，在進入煤層段落之前的10 m～15 m里程范圍，泊松比變化不大，且處于相對較低的值0.27；第2次預報中，在進入煤層段落之前的10 m～15 m里程范圍，泊松比呈現逐漸增大趨勢，且處于相對較高的值0.33～0.34。根據現場煤層瓦斯預測情況：兩段煤層瓦斯含量最大值分別為8.604 8 m3/t和12.307 m3/t，局部預測解析指標K1最大值分別為0.24 mL/(g.min1/2)和0.95 mL/(g.min1/2)，局部預測解析指標△h2最大值分別為15 Pa和322 Pa。對比分析圍巖物理力學參數和揭示煤層及瓦斯預測相關參數，煤層段落圍巖地震波波速下降(尤其是橫波)和高泊松比且持續增高特征，與煤層分布及煤層瓦斯的富集有較好的對應關系。

表1 煤層段落圍巖物理力學參數變化情況

圖13 原設計煤層、煤線和施工揭示對比圖Fig.13 Original design of coal seam, coal line and construction revealed (Black area for revealed coal seam)

3)對比分析原設計煤層、煤線和施工驗證揭示情況(圖13)：DK474+301～+276和DK474+174～+154兩段穿越的厚煤層，均是原設計沒有的煤層，這就是前面提到的地質的不確定性，隧道局部受地質構造影響，由于地勘鉆孔有限，煤系地層段落存在勘察階段未發現的煤層。TSP法的有效預報，為超前鉆孔進一步驗證提供了更有針對性的指導；有效利用TSP法成果，結合超前鉆探資料，能準確探測煤層瓦斯情況，控制施工風險，從而提高施工效率。

4 結論

1)持續穩定的通風，控制瓦斯濃度，充分利用勘察設計和隧道開挖地質信息，做好物探異常解譯，發揮TSP法方法優勢，是提高TSP法在隧道煤系地層段有效實施的途徑。

2)當煤層走向和隧道呈大角度交角，且煤層厚度具有可被探測的規模時，TSP法低速異常區可宏觀判釋煤層分布；在軟質巖煤系地層圍巖中，橫波在煤層段的波速變化相對P波較為敏感。煤層段落圍巖地震波波速(特別是橫波)降低和持續的高泊松比增高特征，是隧道煤層分布及煤層瓦斯富集有意義的參考。

筆者的案例有限，旨在提高TSP法在煤系地層實施的高效性。呼吁隧道參建各方重視地震波反射法在煤系地層段落的實施。待實施案例更多時，統計分析地震波相關參數與瓦斯突出之間的聯系，開展隧道煤層瓦斯地震類非接觸式瓦斯突出預測，是今后進一步研究的方向。

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TSP geological prediction of high gas tunnel crossing coal measures formation

GAO Shuquan

(CREEC Chengdu Engineering Testing Co. Ltd, Chengdu 610031,China)

Seismic wave reflection method(TSP method) has been widely used in geological prediction of tunnel because of characteristics of far detection distance and high resolution. However, the application of TSP method in the coal seam of high gas tunnel has been less, and has been weaken. Firstly, this paper analyzes the factors that influence the implementation of TSP method in coal measures strata, and then puts forward the corresponding countermeasures to improve the efficiency of TSP method in coal measure strata. Finally, through two typical cases with a high gas area, comparative analysis the changes of physical and mechanical parameters, such as seismic wave velocity, Poisson's ratio and Elastic modulus, etc., discuss the corresponding relationship between the abnormal parameters of seismic wave and the distribution of coal seam. The results show that the low velocity anomaly area and high Poisson's ratio can be used to interpret the distribution of thick coal seam, the effective detection of coal seam by TSP method can provide a key target area for the advanced drilling, and create favorable conditions for the tunnel construction.

high gas; coal measures formation; TSP method; geological prediction

2016-12-24 改回日期：2017-03-10

高樹全(1984-)，男，工程師，主要從事工程物探方面工作,E-mail：gaoshuquan_2006@163.com。

1001-1749(2017)02-0188-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.06