玉京山隧道中厚煤層瓦斯抽放技術

彭宇峰， 田 亮， 楊東升， 康湘輝， 黃 澤， 孫云華， 譚 俊

(1. 中鐵五局集團第四工程有限責任公司， 廣東 韶關 512031； 2. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

玉京山隧道中厚煤層瓦斯抽放技術

彭宇峰1， 田 亮2， 楊東升1， 康湘輝1， 黃 澤1， 孫云華1， 譚 俊1

(1. 中鐵五局集團第四工程有限責任公司， 廣東 韶關 512031； 2. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

成貴高鐵玉京山隧道進口工區C5煤層為瓦斯突出煤層，為保證隧道施工安全，避免發生瓦斯事故，確定采用穿層網格預抽法進行消突。通過方案比選，確定在平行導坑輪廓線左側設置鉆場，平行導坑與正洞整體一次抽放，并確定瓦斯抽放控制范圍、開孔間距及終孔間距。防突流程分為區域防突、局部防突和石門防突3個過程，利用瓦斯解吸指標K1值和瓦斯含量來驗證消突效果。根據KJ83N安全監控系統對瓦斯體積分數、風速等的實時監測結果可知，采用雙風機獨頭壓入式通風可以滿足通風要求。玉京山瓦斯突出隧道通過采用系統的瓦斯抽放技術，消突效果顯著，為揭煤和穿越煤系地層施工提供了安全保障。

鐵路隧道； 瓦斯抽放； 穿層網格法； 壓入式通風； 實時監測

0 引言

針對瓦斯隧道的施工，文獻[1-3]根據公路瓦斯隧道規范，開展瓦斯隧道施工技術工業試驗并取得良好的應用，而鐵路隧道目前仍然采用2002年鐵道部頒布的TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》，該規范主要參考《煤礦安全規程》和《防治煤與瓦斯突出細則》編制。由于鐵路隧道斷面大、服務時間長，與煤礦巷道區別較大，其揭煤方式、通風方法、抽放范圍、檢驗指標等參數并不完全適用于鐵路瓦斯隧道的現場實際。

針對瓦斯抽放工藝技術，許多工程人員及學者開展了大量研究及實踐工作，黃雄軍[4]以四川某隧道為例，從超前預報、瓦斯監測、施工通風、安全管理等方面探討了瓦斯隧道的技術及要點；以天坪隧道為背景，文獻 [5-7]介紹了在平行導坑中施工穿層網格式瓦斯集中抽放技術，瓦斯抽放鉆孔孔徑75 mm，終孔距離4 m，抽排控制范圍為頂板及兩側各14 m，底板8 m；新涼風埡隧道[8-11]工程施工采用水力壓裂增透技術，極大減少了鉆孔數量，鉆孔孔徑75 mm，間距優化為5 m×5 m，控制范圍為隧道輪廓線上下、左右各14 m，順利穿過9層煤系地層；張忠義[12]詳細闡述了斗磨隧道揭煤防突步驟及瓦斯參數測定，確定瓦斯抽放范圍為輪廓線外5 m，鉆孔孔徑90 mm；徐文平等[13]提出區域措施先行、局部措施補充的瓦斯防突思想，合理控制瓦斯抽放范圍和瓦斯抽放孔間距；昆明恩甲隧道[14]的揭煤施工強調了準確超前地質預報的重要性；方斗山隧道[15]、圓梁山隧道[16]采用瓦斯解吸指標輔以瓦斯初散速度的方法判定是否具有瓦斯突出危險，其鉆孔孔徑為90～110 mm，抽放半徑為1 m，控制范圍為隧道輪廓線上方5 m、左右4 m和底板2 m；烏蒙山1號隧道[17-18]采用巷道式混合通風安全穿越20多個煤系地層，其瓦斯排放半徑為75 cm，控制范圍為頂板12 m，左右幫12 m，底板6 m。英國、波蘭在有突出危險的煤層進行作業時，采用震動放炮的方法；比利時使用大直徑超前鉆孔；匈牙利則是在煤層內打超前鉆孔進行水力沖刷；捷克近幾年采用了藥壺爆破法，炮眼深約5～8 m。

上述文獻僅對常規瓦斯抽放工藝及應用效果進行了一般性敘述，并未考慮設計參數的合理性與影響。本文以中鐵五局集團施工的玉京山瓦斯突出隧道為工程背景，針對C5中厚傾斜煤層及雞窩煤，研究了穿層網格預抽法在玉京山平行導坑、正洞整體一次抽放的工藝流程及參數。根據現場實時監測結果，討論了煤層透氣系數對瓦斯鉆孔數量、有效孔深等的影響，并進一步探討了鉆孔參數對瓦斯抽放效果及圍巖穩定性的影響，以期為同類工程及相關標準的修訂提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

玉京山隧道屬于新建成都—貴陽高速鐵路客運專線，位于云南省威信縣境內，隧道進口里程D3K277+860，出口里程D1K284+164，全長6 304 m，為鐵路雙線隧道，30‰單面坡，線間距4.6 m。為了加快施工進度，隧道增設玉京山橫洞，將隧道劃分為玉京山進口工區、橫洞工區和玉京山出口工區3部分。

玉京山隧道進口工區C5煤層超前鉆孔過程中出現噴孔現象，測得煤層瓦斯含量最高為10.81 m3/t，瓦斯壓力為2.42 MPa，瓦斯放散初速度為3.6 kPa，煤的破壞類型為Ⅲ類，判定玉京山隧道C5煤層為瓦斯突出煤層。該隧道為一級風險隧道，巖溶強烈發育且存在瓦斯突出風險，是成貴客運專線的控制性工程之一。

進口工區正洞長2 555 m，包括高瓦斯段71 m，瓦斯突出段439 m，低瓦斯段710 m，如圖1所示。正洞右側35 m設置平行導坑，長2 665 m。正洞揭煤里程為D3K279+061，距離洞口1 201 m；平行導坑揭煤里程為PDK279+090，距離洞口1 230 m。

圖1 玉京山隧道進口工區平面圖(單位： m)

1.2 工程難點及重點

1) C5煤層為中厚煤層，隧道軸線與煤層斜交，且煤層傾斜，水平穿煤距離較長；

2) 隧道斷面較大，圍巖條件差，不能像煤礦巷道一樣，一次全斷面揭露煤體；

3) 瓦斯含量高、壓力大，存在極高的瓦斯突出風險；

4) 多次爆破引起煤巖體擾動，裂隙發育，降低圍巖穩定性，誘發瓦斯突出的危險性增大；

5) 煤層透氣系數低，屬于較難抽放煤層，增加了瓦斯抽放時間與難度。

2 煤與瓦斯地質概述

2.1 煤層產狀及地質情況

玉京山隧道進口工區主要穿越二疊系長興組P2C地層和二疊系上統龍潭組P2I地層。P2C段主要為灰巖、泥灰巖夾頁巖和煤，煤體為深灰色，厚層狀，質硬性脆。P2I段煤層黃鐵礦結核很發育，硫分高，頂板多為泥巖、鋁土質泥巖、泥質鐵質膠結。

在C5煤層法距30 m前，經過5個循環的超前水平鉆孔，測得煤層產狀及煤樣特性。隧道進口工區主要穿越C1、C4、C5、C6、C10煤層，C5煤層為當地主采無煙煤層，平均真厚度2.43 m，水平厚度3.43 m，煤層真傾角37°，與隧道呈52°斜交。穿越C5煤層區域埋深約140 m，如圖2所示。C5煤層堅固性系數為0.3，揭煤段圍巖為Ⅴ級破碎巖體，節理、含水裂隙發育，巖質較軟，圍巖整體較差。其他煤層為薄煤層、煤線或雞窩煤。

圖2 C5煤層相對位置(單位： m)

2.2 煤層特性參數

由重慶煤科院測得的隧道正洞C5煤層瓦斯參數見表1，瓦斯含量為8.88～10.81 m3/t，超過《防治煤與瓦斯突出規定》中規定的瓦斯突出臨界值(8 m3/t)。通

過反算，正洞C5煤層瓦斯壓力為1.20～2.42 MPa，超過規范規定的臨界值(0.74 MPa)。根據瓦斯指標及附近煤礦瓦斯突出情況，判定C5煤層具有突出危險性。C5煤層透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數分別為0.001 02 m2/(MPa2·d)和0.126 d-1，認為玉京山隧道C5煤層屬于較難抽放煤層。

隧道附近礦區在采掘期間均發生過瓦斯突出事故，最近2起分別是2003年11月15日發生在柳尾壩煤礦和2011年5月17日發生在南風煤礦的瓦斯突出事故。附近2個礦區主采C5煤層瓦斯參數見表2，可以看出C5煤層瓦斯含量、瓦斯壓力及放散初速度都遠大于臨界值。

表1 隧道正洞C5煤層瓦斯參數

表2 附近煤礦C5煤層瓦斯參數

3 瓦斯抽放

3.1 瓦斯抽放方案

3.1.1 防突措施與抽放方法調查

隧道的主要防突措施有： 震動性放炮、多排鉆孔排放、管噴支護法、水力沖孔法、超前鉆孔法、漸進式防突技術、深孔松動爆破以及平行導坑超前抽排法。

預抽煤層瓦斯是國內外使用較多的方法，但由于我國大部分煤層透氣性差，在具備條件的區域常常要考慮采用強化措施增加煤層透氣性。目前強化瓦斯抽采的增透措施主要有密集鉆孔、深孔預裂爆破、水力沖孔、水力割縫和水力壓裂等。

對比分析以上幾種增透方法的優劣點可知: 水力措施工藝復雜，技術水平及投入較高，割縫及裂隙發育難以掌握，對于小范圍、短期性增透不適用； 密集鉆孔容易實施、施工成本及技術要求較低，瓦斯排放網格終孔間距采用2.0 m。

3.1.2 玉京山隧道瓦斯抽放方案

根據工期及現場條件，確定平行導坑與正洞煤層瓦斯整體一次抽放，采用穿層網格法瓦斯抽放技術。在平行導坑PDK279+048～+060段隧道輪廓線左側開挖12 m×6.2 m×6 m(長×高×深)的鉆場，如圖3所示。正洞排放孔直徑75 mm，設計開孔間距35 cm，終孔間距2.0 m。平行導坑分為掌子面、左幫和右幫3個區域，開孔間距0.5 m，終孔間距2.0 m。抽放孔孔底深入煤層底板長度不小于0.5 m。

考慮到玉京山隧道揭煤斷面較大，現場地質構造復雜，煤層突出危險性大，平行導坑揭煤區域為隧道輪廓線外上、左、右幫15 m，底板12 m。預抽鉆孔最短為20 m，最長為65.8 m，共計460個鉆孔，平均長度約34.7 m，共計15 962 m。

圖3 平行導坑鉆場示意圖

正洞通過鉆場施工預抽鉆孔，揭煤區域為輪廓線外上、左幫15 m，右幫13 m，底板12 m。共需布置575個鉆孔，平均長度為49 m，共計28 175 m。

圖4示出平行導坑內開孔布置及瓦斯排放管路連接的現場圖片。采用水泥砂漿封孔，封孔長度不小于8 m。瓦斯抽放管之間的相互連接可以采用法蘭盤。為確保瓦斯管路的安全可靠和有效運行，按照相關規程的要求，瓦斯抽放系統需安設放水裝置、防爆防回火裝置、控制流量裝置、放空和避雷裝置。瓦斯抽放泵置于洞外安全位置，且需要專業的瓦斯抽放管理員記錄設備運行情況。

3.2 瓦斯防突流程

嚴格按照《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦安全規程》及《鐵路瓦斯隧道技術規范》等規范要求開展相應的防突工作，采用“四位一體”措施： 突出危險性預測、具體防突措施實施、防突效果檢測和安全防護措施綜合使用。包括區域“四位一體”措施和局部“四位一體”措施。

選取瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標K1值2個指標來確定抽放效果。瓦斯含量包括損失瓦斯量與殘存瓦斯量，采用地勘鉆孔解吸法測定，兩者之和相加不超過界限值8 m3/t，則可進入下一循環施工。K1值反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，采用WTC瓦斯突出參數測試儀確定。干煤樣的K1臨界值為0.5 cm3/g·min1/2，濕煤樣的K1臨界值為0.4 cm3/g·min1/2。

圖5示出玉京山隧道防突揭煤工藝流程，包括區域防突、局部防突和石門防突3部分。遵循“區域措施先行，局部措施補充”的防突原則，在距煤層法距7 m、5 m和2 m時分別對區域防突效果和局部防突效果進行檢驗。對于玉京山隧道進口工區C5中厚煤層，詳細防突流程如下。

3.2.1 區域防突

在距離煤層法距不小于30 m時，施作超前鉆孔，每循環的搭接長度為20 m，基本確定煤層里程及相關參數。

(a) 鉆孔布設

(b) 封孔

(c) 抽放孔管路布設

(d) 抽放主管與支管布設

在距離煤層法距不小于10 m時，施作層位鉆孔，明確煤層產狀及其與隧道的相對位置關系，確定煤層瓦斯參數；同時制定瓦斯抽放方案及布孔參數，施工瓦斯抽放孔，并進行瓦斯抽放。

在距離煤層法距不小于7 m時，施工區域措施校驗孔，測定煤層瓦斯含量，如果瓦斯含量低于8 m3/t，則掘進至距離法距5 m；反之則補充抽放孔，延長抽放時間，直至瓦斯含量低于8 m3/t。

圖5 防突工藝流程

3.2.2 局部防突

在距離煤層法距不小于5 m時，施工局部措施校驗孔，測定煤層瓦斯含量和瓦斯解吸指標K1值，如果瓦斯含量低于8 m3/t且K1值低于0.5 cm3/g·min1/2，則掘進至法距2 m；如果瓦斯含量高于8 m3/t或K1值高于0.5 cm3/g·min1/2，則補充抽放孔，直至瓦斯突出指標降至臨界值以下。

3.2.3 石門防突

在距離煤層法距不小于2 m時，施工局部措施校驗孔，測定煤層瓦斯解吸指標K1值，如果K1值低于0.5 cm3/g·min1/2，則采取超前加固措施和安全措施，準備揭開煤層；如果K1值高于0.5 cm3/g·min1/2，則補充抽放孔，自然排放直至瓦斯指標低于臨界值，然后采取相應措施，揭穿煤層。

3.3 瓦斯抽放效果

平行導坑設計瓦斯抽放量為39 791 m3，從2015年12月1日開始抽排，截至2016年3月9日，平行導坑共計抽放44 296 m3，完成比例約為111.3%；正洞設計瓦斯抽放量為54 079 m3，截至 2016年6月13日，正洞共計抽放61 661 m3，完成比例約為114%。

根據斷面形狀和施工工藝，布置5～7個檢驗孔，按照上中下、左中右的布置原則，全面檢測斷面各處瓦斯參數。由于C5煤層為難抽放煤層，正洞在法距5 m和2 m時K1值超標，需補充抽放孔來增大煤層透氣系數。距離平行導坑法距2 m時K1值的測定結果見表3，記錄每米鉆孔的鉆屑解吸指標?？梢钥闯?，4#、5#孔指標較高，最大K1值為0.42 cm3/g·min1/2，低于臨界值0.5，可以揭開煤層。指標較大的鉆孔位于平行導坑與正洞之間，可能處于鉆孔布設的盲區或者排放孔較少的位置。所以檢測孔布置應多循環且盡量涵蓋多的位置、深度，保證消突效果的有效性、準確性。

表3平行導坑瓦斯解吸指標K1值(法距2 m)

Table 3 Values of gas desorption indexK1(vertical distance of 2 m)

4 其他輔助措施

4.1 瓦斯體積分數監測

采用重慶煤科院提供的KJ83N煤礦安全生產監控系統，可以實現瓦斯體積分數、CO體積分數、風速等參數的實時監測工作。

揭煤期間瓦斯體積分數見圖6。由圖6可知： 在爆破作業或鉆孔施工后，瓦斯體積分數普遍升高。平行導坑揭煤從4月6日開始，正常情況下，平行導坑掌子面風流中的瓦斯體積分數為0.06%～0.16%。4月5日至6日，由于一開始揭露煤體面積較小，瓦斯釋放量較少，瓦斯體積分數相對較低；隨著上下臺階同時揭開煤層，煤體揭露面積增加，4月7日至14日，瓦斯釋放量增加，這期間的瓦斯體積分數也達到較高水平，最大值2.61%；4月15日之后，由于新揭露的煤體體量越來越小，前期揭露部分基本噴混凝土封閉，瓦斯體積分數基本在報警值0.5%以下。

對實時瓦斯體積分數監測曲線分析可知，在風速為 0.5～1.0 m/s 時，平行導坑掌子面瓦斯消散到日常穩定體積分數的平均時間約為22 min，滿足瓦斯隧道施工要求。

圖6 揭煤期間瓦斯體積分數(2016年)

Fig. 6 Values of gas concentration during cutting through coal seam(in 2016)

4.2 施工通風

平行導坑斷面23.1 m2，使用2臺型號為SDF(C)、功率2×110 kW風機，一臺風機接φ1.6 m風筒布，另一臺接φ1.2 m風筒布。正常施工時1臺供風、1臺備用，揭煤期間2臺同時供風。由平行導坑瓦斯體積分數監測結果可知，瓦斯抽放后，采用雙風機獨頭壓入式通風，可以滿足1 200 m瓦斯隧道的通風要求。

進口工區正洞選用2臺型號為SDF-No.13軸流風機，功率為2×132 kW (1臺備用)，與直徑1.8 m螺旋雙抗風管匹配。根據在線監測系統數據，滿足隧道正洞獨頭1 200 m瓦斯通風要求。

4.3 隧道變形分析

平行導坑和正洞每5 m布設1個隧道變形監測斷面、1條拱頂下沉量測線、2條兩幫收斂量測線，測得拱頂下沉量及兩幫收斂量，計算得到平均變形速率。通過對揭煤前20 m至過煤后10 m區段各個斷面的數據進行分析，可以得出：離煤層越近的斷面，其變形量受開挖影響越早，變形越大。非煤區域的隧道幫部收斂量大于拱頂下沉量，拱肩位置收斂量最大；煤層區段的拱頂下沉量偏大，主要是由于幫部煤體松散，隧道潛在跨度增加，導致拱頂下沉量增大。石門前后由于2種巖性不同，存在接觸面，受開挖影響，應力重分布導致應力集中，因此石門段必須采取超強支護。總體而言，揭煤期間隧道平行導坑和正洞沒有出現較大變形及片幫、冒頂現象。

為保證揭煤的順利進行，還采取了超前地質預報、加深炮孔、無動火作業、煤礦安全生產實時監控系統等技術措施。高瓦斯及瓦斯突出工區洞內電氣設備采用防爆型，所有內燃機械設備進行防爆改裝。

5 結論與討論

通過穿層網格預抽法在玉京山瓦斯突出隧道的成功應用，取得了幾點有意義的經驗：

1)穿層網格預抽法施工簡便、有效，可實現多個煤系地層(包括C5煤層、雞窩煤、松散煤體)整體一次抽放，避免了單個煤層逐一抽放的重復性施工。

2)借助平行導坑鉆場，實現平行導坑和正洞瓦斯抽放一次完成，共用1套抽放系統，保證了各工序平行作業，為正洞的順利施工節省了大量時間。

3) 采用雙風機匹配雙抗風管獨頭壓入式通風，可以滿足1 200 m大斷面瓦斯突出隧道通風要求。

雖然穿層網格預抽法在玉京山隧道揭煤施工中得到了成功應用，但仍有很多地方需要改進：由于該煤層透氣系數較低，前期并沒有采取相應措施來增加煤層透氣系數，僅僅通過密集布孔來實現瓦斯抽放，會造成鉆孔工作量偏大，施工時間增長；大量瓦斯抽放孔、校驗孔、補充措施孔及加深炮孔等的施作，嚴重破壞了隧道圍巖的整體性，造成掌子面圍巖布滿鉆孔，給后期的爆破掘進造成較大的困難，影響爆破效率。瓦斯抽放范圍及參數仍需優化，平行導坑打設至正洞的瓦斯抽放孔深度為49～90 m，在煤體內及圍巖破碎帶容易塌孔，鉆孔抽放的有效深度有待進一步優化，以避免鉆孔參數的單一性。

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GasDrainageTechnologyforMedium-thicknessCoalSeaminYujingshanTunnel

PENG Yufeng1, TIAN Liang2, YANG Dongsheng1, KANG Xianghui1, HUANG Ze1, SUN Yunhua1， TAN Jun1

(1.The4thConstructionCo.,Ltd.ofChinaRailwayNo.5EngineeringGroup,Shaoguan512031,Guangdong,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

The coal seam C5 in entrance section of Yujingshan Tunnel on Chengdu-Guiyang High-speed Railway is determined to be risky because of gas outburst. In order to ensure the construction safety and avoid gas accidents, the gas drainage technology of penetrating meshy boreholes is adopted. By comparison among several schemes, the drilling field is set in left side of parallel heading, gas drainage of parallel heading and main tunnel is carried out at the same time and the control range, borehole span and endhole span of gas drainage are decided. The gas outburst elimination includes three parts, i.e. regional outburst prevention, local outburst prevention and rock outburst prevention. The value of the gas desorption indexK1and gas concentration are used to testify the effect of gas outburst elimination. The real-time monitoring results about gas concentration and air velocity based on KJ83N on-line system show that by using deadend forced ventilation with two fans, the air-conditioning requirements can be met. The systematic technology of gas drainage used in Yujingshan Tunnel is successful; and the effect of gas outburst elimination is obvious, so as to guarantee the construction safety of tunnel crossing coal seam.

railway tunnel; gas drainage; penetrating meshy boreholes; forced ventilation; real-time monitoring

2017-05-17;

2017-07-07

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(2010YL09)

彭宇峰(1974—)，男，湖南汨羅人，2003年畢業于湖南大學，機械自動化專業，本科，高級工程師，主要從事鐵路工程施工及管理方面的工作。E-mail: tonglicz@sohu.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.014

U 45

B

2096-4498(2017)12-1600-07