水打橋隧洞煤與瓦斯突出段專項治理實踐

楊漢銘，趙德才，夏云東

（1.中鐵五局集團第二工程有限公司，貴州 大方 551600；2.貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

水打橋隧洞位于貴州省畢節(jié)市大方縣鼎新鄉(xiāng)，近東西走向，全長約20.36 km。北干1標施工樁號為水打橋隧洞0+000～10+300段，為無壓流，隧洞進口接總干渠末分水閘，出口接白甫河倒虹管。隧洞設計流量31 m3/s，加大流量34.61 m3/s，隧洞斷面形式采用圓形，襯砌后凈空半徑為2.7 m。

2 煤層及瓦斯分布情況

根據(jù)開挖過程中的圍巖揭露，北干0+995里程之前煤層厚度約0.1～0.3 m，主要以夾層形式分布在掌子面中部以上位置，放炮后瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%，通風后瓦斯?jié)舛鹊陀?.1%。北干0+995-北干1+325段煤層厚0.3～1.5 m，放炮后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.8%～1.0%，通風后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.2%。1+325～1+405段煤層厚1.5～3.0 m，放炮后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.0%～4.0%，通風后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.4%，回風道中濃度為0.3%，避車洞中的瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.48%，均達到規(guī)范要求。2017年6月17日受洞內(nèi)異響、變形影響，進口掌子面1+405于2017年6月20日停工。2017年7月3日上午09：00，進口掌子面1+405處突然發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。掌子面溜坍，無人員傷亡，洞口瓦斯?jié)舛冗_8%，掌子面瓦斯?jié)舛冗_56%，一氧化碳濃度達516ppm（正常值為27 ppm）。根據(jù)相關各方要求及專家論證意見，1+405～1+600段采取煤與瓦斯防突出專項治理措施。

3 治理方案

3.1 局部消突

3.1.1 鉆孔布置

防突工作堅持“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的原則。突出煤層開挖工作做到“不掘突出頭”。嚴禁未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的單位進行施工活動。區(qū)域防突工作應做到多措并舉、可保必保、應抽盡抽、效果達標。因水工隧洞與煤礦施工差別較大，為減少投資，方案中采取局部防突措施而非區(qū)域防突。

為保證煤層段開挖過程安全，工作面施工37個抽放鉆孔（其中25個為灌漿孔），孔徑76 mm，水平夾角及坡度按0°～24°控制。瓦斯抽排孔布置情況為（見圖1）：①號孔每輪8個，鉆孔深度37.7 m，外傾角9°；②號孔每輪8個，鉆孔深度30 m，外傾角12°；③號孔每輪8個，鉆孔深度12.5 m，外傾角24°（第二輪取消）；④號孔布置于隧洞中心，孔深32 m，垂直掌子面水平布置，抽排孔搭接10 m；⑤號孔每輪4孔，孔深25 m，內(nèi)排垂直掌子面水平布置，外排外傾5°。鉆孔之前必須對掌子面采用C20混凝土進行封閉1 m。瓦斯抽排封堵見圖2。

圖1 水打橋瓦斯抽排設示意

圖2 瓦斯抽排封堵示意

3.1.2 瓦斯抽排

按照GB50471-2008《煤礦瓦斯抽排工程設計規(guī)范》［1］要求，應根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯來源、隧洞布置、時間配合、瓦斯基礎參數(shù)等因素并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定瓦斯抽排方法。在該工程實施過程中，采取了預抽煤層瓦斯措施。

根據(jù)AQ1026-2006《煤礦瓦斯抽采基本指標》［2］，確定瓦斯抽排量抽排率取40%，抽排規(guī)模為1.92 m3/min。預抽瓦斯孔口負壓為13 kPa。瓦斯抽排鉆孔直徑為76 mm，抽排半徑為8 m。采用人工聚胺脂封孔，封孔段長度不得小于5 m。聚胺封孔操作簡單，省時省力，氣密性好，抽排效果好。

抽放泵采用2BEA-42型水環(huán)真空泵1臺，最大抽氣量42 m3/min。極限真空度33 kPa，真空泵配套電機功率為55 kW，轉(zhuǎn)速472 r/min。移動抽排泵距工作面距離不小于200 m。高負壓抽排主管為Ф200的鋼管，敷設至洞外50 m排放。采用法蘭盤螺栓緊固連接，中間夾像膠密封圈，為安裝方便，抽排管路拐彎處采用彈簧軟管。

瓦斯抽排站電源為380 V供電，采用YJV22-3×240+2×120礦用電纜，使用煤礦專用防爆開關。照明電源由配備有短路、過負荷及漏電閉鎖的礦用隔爆照明綜合保護器供給，在瓦斯泵站配備有隔爆型照明燈具，且滿足照明度不低于20Lx的要求。

移動泵站主要用水為抽排泵冷卻水，抽排泵的冷卻水系統(tǒng)取自供水管路，通過三通分支進水管路敷設至瓦斯抽排泵站內(nèi)，為其提供足夠的用水量。

3.1.3 瓦斯抽排監(jiān)測及控制

為保證瓦斯抽排系統(tǒng)的安全運行和安全生產(chǎn)，瓦斯抽排泵必須配備完善的安全監(jiān)測系統(tǒng)，對瓦斯?jié)舛?、抽排泵管路?nèi)的瓦斯?jié)舛?、負壓、溫度及一氧化碳濃度等參?shù)進行實時監(jiān)測。

移動抽排泵處的環(huán)境甲烷傳感器報警值、斷電值設為不小于0.5%，復電值設為小于0.5%，斷電范圍為移動抽排泵所有非本質(zhì)安全型電器設備。

在抽排泵輸入管路中設置高濃度甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器及負壓傳感器等對抽排管路內(nèi)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測監(jiān)控。

3.2 注漿固結(jié)封堵

進口1+410～1+600段，每循環(huán)帷幕加固長度為35 m，長度與抽排孔一致，搭接長度5 m。注漿使用水泥-水玻璃雙液漿，采用壓密注漿形成對圍巖加固及瓦斯封堵。注漿前，全斷面施工止?jié){墻（共8環(huán)）采用掛網(wǎng)C25混凝土，混凝土厚度1 m，環(huán)向采用Φ25鋼筋錨桿，與初期支護接薦加固，每根長3 m，布置間距0.5 m。

圖3為注漿封堵示意，注漿孔利用①～④號孔灌漿孔，共布設25個孔（第二輪17個孔，取消③號孔），按②號→③號→①號→④號的順序施工。

3.3 效果檢驗

瓦斯抽排及注漿封堵結(jié)束后，須對掌子面進行鉆孔效果檢驗，孔長30 m，孔徑75 mm，距掌子面邊緣1.2 m，呈環(huán)向均勻布置，分別位于工作面的上、中、下、左、右。

圖3 注漿封堵示意

治理效果以瓦斯?jié)舛鹊陀?0%、瓦斯壓力小于0.2 MPa為標準。當不能滿足上述條件時，灌漿全部結(jié)束后繼續(xù)抽排3 d。

瓦斯檢測孔需測定瓦斯放散初速度ΔPmax、煤層堅固性系數(shù)fmin和瓦斯壓力Pmax，若檢測為不突出煤層時方可進行開挖，若檢測仍為煤與瓦斯突出煤層，應及時上報設計單位，以確定下一步施工方案。

當檢驗結(jié)果措施有效時，若檢驗孔與防突措施鉆孔向隧洞掘進方向的投影長度（即投影孔深）相等，則可在留足防突措施超前距（掘進工作面應保留的最小防突措施超前距為5 m）及采取安全防護措施的條件下繼續(xù)掘進。

3.4 煤層段掘進

瓦斯抽排完成且經(jīng)過效果檢驗后（采用鉆屑解析指標法進行鉆屑量和K1值的測定），經(jīng)驗證工作面無突出危險后，在采取安全防護措施的條件下，遠距離爆破揭穿煤層，直至進入頂板2 m以上，煤層段施工結(jié)束。

因該段圍巖為碳質(zhì)泥巖加粉煤層，圍巖自穩(wěn)性非常差，故采用上下臺階法施工，分3步開挖。上臺階高度約2.8 m，下臺階高度約4.7 m（預留沉降量0.55 m），上臺階長度控制在3～5 m，下臺階分左右側(cè)開挖。每循環(huán)開挖控制在1 m以內(nèi)（拱架間距0.5 m）。開挖時，為減輕對周邊圍巖的擾動，應控制好裝藥量，采用弱震動爆破法開挖，各部位開挖完成后，及時施工完成初期支護結(jié)構(gòu)。

3.5 初期支護

1+410～1+600段穿越煤系地層，為一級瓦斯設防段。采用Ⅴ類圍巖全封閉復合襯砌，按照臺階法開挖，因此上臺階開挖完畢后及時完成初期支護。支護參數(shù)為：①采用φ42超前小導管，長度3 m，縱向搭接長度1.5 m，環(huán)向間距0.35 m。②拱架采用I20b型工字鋼環(huán)向間距50㎝，縱向采用Φ25鋼筋與工字鋼套筒式連接，綁扎Φ8雙層鋼筋網(wǎng)片。③系統(tǒng)錨桿采用D32自進式中空注漿錨桿，錨桿布設為上部鋼支撐240°范圍，間距1.5 m，長度6 m，在鋼支撐上每隔一榀實施；注漿初始壓力0.1 MPa，最大壓力不超過0.3 MPa，注漿范圍在深入基巖0～6 m。④鎖腳錨桿上臺階在臺階往上50 cm位置兩側(cè)各設置2根長3 m的Φ32自進式中空錨桿；下臺階在底板往上50 cm位置兩側(cè)各設置2根長3 m的Φ32自進式中空錨桿。⑤噴射混凝土全斷面采用摻氣密劑C20混凝土，厚度為20 cm。⑥拱底回填30 cm厚的C20混凝土。鑒于目前該隧洞瓦斯及地應力較大，部分洞內(nèi)初支掉塊嚴重，鋼架變形，為減少一襯變形侵限，預留量沉降調(diào)整為30 cm。

4 結(jié)語

根據(jù)水打橋隧洞煤與瓦斯突出情況，采取相應的綜合治理措施。區(qū)別于煤礦中單一采取瓦斯抽排或公路隧道中注漿封堵，該方法將抽排與固結(jié)有機結(jié)合，既節(jié)約了投資，又達到了治理效果，尤其是首次在水利工程中成功運用，具有較好的經(jīng)濟及社會效益，積累了成功經(jīng)驗，對類似工程項目具有一定參考價值。