高瓦斯多煤層隧道揭煤防突技術研究

2022-03-21 16:26:42鄭仕躍彭文彬朱應許汝杭

西部交通科技 2022年1期

鄭仕躍　彭文彬　朱應　許汝杭

作者簡介：

鄭仕躍（1976—），高級工程師，主要從事公路（市政）項目建設管理工作。

摘要：為實現高瓦斯多煤層隧道安全高效揭煤防突施工，文章結合天城壩隧道地質條件及煤層穿越情況，提出采用基于高壓水力割縫-壓裂增透的揭煤防突技術。該技術包括高壓水力割縫、水力壓裂、瓦斯抽排及強化支護等。研究結果表明：在高瓦斯多煤層隧道揭煤防突施工中，采用以高壓水力割縫-壓裂增透技術為核心的揭煤防突措施后，通過綜合指標法和鉆屑瓦斯解吸指標法進行突出危險性預測，工作面防突檢驗達標，為快速揭煤和穿越煤系地層施工提供了安全保障，對類似隧道施工具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：高瓦斯;多煤層;水力割縫;水力壓裂;揭煤防突

中國分類號：U458.1A321183

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，交通運輸體系不斷完善，隧道工程的建設也日益增多。然而，我國地域遼闊，地質條件復雜，隧道建設過程中難以避免穿越煤系地層，造成隧道瓦斯突出，極易引發瓦斯災害事故，增加施工風險[1]。因此，隧道瓦斯突出是制約隧道安全施工的技術難題。

對于隧道瓦斯突出，相關學者進行了大量研究：杜志剛等[2]以貴州山區某過煤層瓦斯隧道為例，采用屬性數學理論建立隧道瓦斯突出危險性預測模型，對隧道瓦斯突出危險性進行了評價;郭鴻雁[3]針對瓦斯突出隧道，利用FLAC 3D軟件建立隧道開挖模型，研究斷面尺寸對瓦斯突出隧道圍巖穩定性的影響;王明慧等[4]結合天坪隧道橫洞瓦斯突出工區施工特點，提出了瓦斯突出隧道施工安全管理的組織措施。

綜上所述，目前對隧道瓦斯突出的研究主要集中在危險性評價、圍巖穩定性和施工安全管理等方面，而對揭煤防突技術研究較少。為此，本文以天城壩隧道為研究對象，結合隧道地質條件及煤層穿越情況，提出采用基于高壓水力割縫-壓裂增透的揭煤防突技術，研究結果可為類似隧道施工提供參考。

1 工程概況

天城壩隧道位于遵義市習水縣仙緣鎮北約5.50 km，是貴州省德江至習水高速公路正安至習水段控制工程。隧道按左、右線分離式設計，全長為4.2 km，最大埋深為525.2 m，采用鉆爆法進行開挖。隧道所需穿越的煤系厚度為54.22～70.95 m，平均為62.65 m，含煤9～13層，自上而下編號分別為C5、C6、C7（含C7-1、C7-2、C7-3）、C8（含C8-1a、

C8-1b、C8-2）、C11和C12，含煤總厚度為6.28～13.65 m，其中可采煤層4層，編號分別為C6、C7-2、C8-1、C8-2。根據勘測資料分析，天城壩隧道煤層瓦斯含量為7.01～37.16 m3/t，瓦斯壓力最大為4.12 MPa，為高風險瓦斯突出隧道。隧道穿越煤層如圖1所示。

2 高瓦斯隧道揭煤流程

天城壩隧道煤層揭煤及瓦斯抽排施工時，采用高負壓瓦斯抽排方案對突出瓦斯進行治理，揭煤流程如圖2所示。

2.1 超前地質預報

瓦斯突出煤系地質條件復雜，為了準確掌握隧道前方煤層賦存情況，防止誤揭煤層，揭煤前需要進行超前地質綜合預報，包括煤層層位、產狀及煤層厚度等，為防突措施方案的制定提供基礎數據，保障隧道安全施工[5]。

2.2 突出危險性預測

在距煤層最小法向距離10 m垂距處，測定煤層原始瓦斯含量Q、原始瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP及堅固性系數f，分析出煤的破壞類型，對煤層突出危險性進行初步預測[6]。由于C5煤層厚0.14 m，C7-1煤層厚0.15 m，<0.3 m，不作處理;C7-2、C7-3、C8煤層的原始瓦斯含量Q、原始瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP及堅固性系數f等指標均超過了突出煤層鑒定的單項指標臨界值，且施工過程中出現噴孔等瓦斯動力現象，其中左洞C8-2煤層厚達11.2 m，瓦斯含量達21 m3/t，瓦斯壓力高達7.354 MPa，因此判定C7-2、C7-3、C8煤層存在瓦斯突出風險，必須對其執行區域防突措施。左、右洞瓦斯突出危險性預測單項指標臨界值和實測結果分別如表1、表2所示。

3 高瓦斯多煤層隧道揭煤防突技術

針對天城壩隧道高瓦斯突出風險，為實現隧道安全高效揭煤防突施工，決定采用以高壓水力割縫-壓裂增透技術為核心的揭煤防突措施。

3.1 高壓水力割縫

本工程原設計采用水力劈裂技術對所有瓦斯突出煤層進行處理以便加快煤層瓦斯的解析，但水力劈裂孔數較少（設計為3個孔），且C8煤層實際厚度比原設計厚度大，解析效果較差，故采用高壓水力割縫。由于高壓水力割縫孔數多，割縫距離、割縫寬度及深度可控，對煤層的瓦斯解析更為有利，可有效縮短瓦斯抽采的時間[7]。高壓水力割縫原理如下頁圖3所示。

3.2 水力壓裂增透

水力壓裂是在高壓水力割縫作用后，為增加煤層的透氣性、提高瓦斯抽采效率、縮短瓦斯抽排時間的一種技術措施[8-9]。本工程水力壓裂水泵電機功率為400 kW，對應相應的擋位壓力為16.5～50 MPa，流量為17.6～70.5 m3/h，且具有流量大、體積小、智能化程度高等特點。水力壓裂過程中最大壓力為20.3 MPa，累計注水量為168 m3。

3.3 瓦斯抽排

水力壓裂增透措施完成后，進行瓦斯抽排鉆孔施工。C7、C8煤層采取“聯合布孔、聯合抽排”方式進行消突。鉆孔采用ZDY-2300型鉆機進行施工，排渣方式以水力排渣為主，壓風排渣為輔。鉆孔孔徑為76 mm，抽排半徑為2 m。C7煤層抽排鉆孔按終孔間距4 m×4 m網格布置，控制揭煤區域為隧道輪廓線外12 m，共設計鉆孔148個;C8煤層抽排鉆孔按終孔間距3 m×3 m網格布置，控制揭煤區域為隧道輪廓線外12 m，共設計鉆孔448個。

當抽排鉆孔施工結束后，應及時連接所有抽排鉆孔進行瓦斯抽排，并進行消突評估。通過計算，C7、C8煤層共需抽排瓦斯量約65.7萬m3，共分兩輪抽排：第一輪需抽排瓦斯量為33.8萬m3，施鉆期間風排瓦斯約14萬m3，抽排50 d;第二輪需抽排瓦斯為31.9萬m3，施鉆期間風排瓦斯約4萬m3，由于第二輪鉆孔數量減少，因此抽排90 d。

3.4 強化支護

根據隧道超前地質預報綜合分析，煤系地層圍巖及煤層穩定性差，需施工金屬骨架作為煤系地層揭煤施工的強化支護措施。其中C7煤層真厚較小，金屬骨架采用42 mm×4雙層超前小導管，長度為4 m，環向間距為40 cm，縱向排距為120 cm。C8煤層真厚達11.2 m，煤層的堅固系數為0.4，經過水力壓裂增透后，更為破碎，因此需采用超前帷幕注漿加固。注漿范圍為隧道開挖輪廓線以外6 m，注漿段長度為30 m，分3環實施：第一環長12 m，第二環長20 m，第三環長30 m。金屬骨架采用108 mm大管棚，拱部環向間距為40 cm，邊墻環向間距為40 cm，孔深必須穿過待揭煤層3 m，長度為25 m，搭接長度≥5 m。

4 應用結果檢驗

采用綜合指標法和鉆屑瓦斯解析指標法進行突出危險性預測。若檢驗結果其中任何一項指標超標，或在打檢驗孔時發生噴孔、頂鉆、夾鉆等瓦斯動力現象，則認為防突措施無效，必須采取補充防突措施。實際施工中，對10 m、5 m、2 m垂距抽排效果進行檢驗，消突效果明顯，工作面防突檢驗達標。

5 結語

（1）采用超前地質預報和突出危險性預測，為防突措施方案的制定提供數據基礎，是做好隧道瓦斯突出防治的先決條件。

（2）提出了高壓水力割縫-壓裂增透方法，增加煤層透氣性和瓦斯釋放能力，提升瓦斯抽排效率，縮短了施工工期。

（3）形成以高壓水力割縫-壓裂增透為核心的高瓦斯多煤層隧道揭煤防突技術，降低瓦斯突出風險，保障了隧道安全施工。

參考文獻：

[1]王海洋，趙樹磊，陳祥，等.我國隧道瓦斯事故統計及影響因素分析[J].中國安全科學學報，2021，31（4）：34-40.

[2]杜志剛，張小東，王曉東.基于屬性數學理論的隧道瓦斯突出危險性評價[J].地下空間與工程學報，2019，15（6）：1 866-1 873.

[3]郭鴻雁.斷面尺寸對高瓦斯隧道圍巖穩定性的影響分析[J].公路交通技術，2015（4）：127-131.

[4]王明慧，張忠愛，劉盛，等.渝黔鐵路瓦斯突出隧道安全施工管理實踐[J].鐵道標準設計，2018，62（1）：99-103.

[5]黃學滿.隧道瓦斯涌突防治探討[J].煤礦安全，2018，49（12）：155-159.