探煤專項(xiàng)方案及揭煤防突預(yù)案分析

吳建標(biāo)

（中鐵十二局第三工程有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

高坡隧道全長(zhǎng)7939m，我單位承擔(dān)進(jìn)口端4568m的施工任務(wù)，其中高坡隧道1#橫洞工區(qū)為低瓦斯工區(qū)，承擔(dān)正洞施工任務(wù)1789m；高坡隧道2#橫洞工區(qū)為高瓦斯工區(qū)，承擔(dān)施工任務(wù)為：正洞2779m，平導(dǎo)及橫通道2977.56m，橫洞440m。

該隧區(qū)位于云貴高原北部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)滇東臺(tái)褶帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。斷裂褶曲均比較發(fā)育，地層巖體破碎，以東西向構(gòu)造為主，線路多大角度穿越構(gòu)造線。隧道在區(qū)域上位于三眼井向斜北部翹起端，次一級(jí)斷裂，褶曲相當(dāng)發(fā)育。

2 探煤專項(xiàng)方案

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)概況

主要預(yù)報(bào)方法為地質(zhì)調(diào)查法、物探法、超前探鉆法、超前導(dǎo)坑法。隧道穿越含煤地層段，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以超前鉆探為主。超前鉆探法主要采用加深炮孔探測(cè)和超前鉆孔探測(cè)的方法。

其中，對(duì)穿越煤層段超前鉆探的目的：

a.前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育情況探測(cè)。b.煤層分布、厚度、傾角及走向，煤的破壞類型探測(cè)。c.前方巖體瓦斯賦存及瓦斯壓力探測(cè)。d.瓦斯涌出預(yù)測(cè)及涌出初速度測(cè)試。

超前探孔具體要求：在距煤層法線距離30m或進(jìn)入高瓦斯段開(kāi)始，進(jìn)行超前鉆孔探測(cè)；距離煤層法線距離10m，進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。前探鉆孔長(zhǎng)度按穿透煤層頂?shù)装宀恍∮?m考慮，并且搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于5m。根據(jù)前探鉆孔情況，確定進(jìn)行突危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的合理掌子面位置。

2.2 垂直煤層探測(cè)

進(jìn)入2#橫洞工區(qū)范圍后，根據(jù)設(shè)計(jì)煤層傾角首先進(jìn)行一個(gè)與煤層接近垂直的鉆孔，鉆孔直徑65mm，鉆孔傾角約79°，預(yù)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度35m，以后每隔20m進(jìn)行一次，直至探測(cè)到煤層。垂直煤層鉆孔示意圖如圖1。

圖1 垂直煤層鉆孔示意圖

2.3 加深炮孔

加深炮孔在高坡隧道全段落實(shí)施，布孔方式根據(jù)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高風(fēng)險(xiǎn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作要求的通知》 (成貴畢節(jié)指函 [2015]83號(hào))文的相關(guān)要求，布置在隧道開(kāi)挖輪廓線周邊范圍（原則上不大于40cm），外插角按20～30度控制；隧道底部加深炮孔（超長(zhǎng)炮孔）位置距離隧道軌頂不大于40cm，俯角不小于30度；孔深應(yīng)較爆破孔（或循環(huán)進(jìn)尺）深2m以上。風(fēng)鉆在隧道開(kāi)挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息，平導(dǎo)每斷面均勻選取5孔，正洞可根據(jù)實(shí)際情況增加，孔深不小于5m。加深炮眼施工時(shí)做好記錄，記錄內(nèi)容為：鉆進(jìn)速度是否均勻，卡鉆情況、及對(duì)應(yīng)鉆孔深度；眼孔出水情況，出水對(duì)應(yīng)鉆眼深度，水流色澤、流量；眼孔是否有氣泡溢出、氣泡溢出情況描述；碴樣色澤、碴屑是否含泥或其它雜質(zhì)，碴屑雜質(zhì)情況描述，來(lái)探測(cè)前方圍巖的地質(zhì)情況。平導(dǎo)加深炮孔布置如圖2、正洞加深炮孔布置如圖3所示。

圖2 平導(dǎo)加深炮眼布置示意圖

圖3 正洞加深炮眼布置示意圖

3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的指標(biāo)及方法

3.1 預(yù)測(cè)方法

依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》 (TB10120-2002)之6.2.2規(guī)定“瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)應(yīng)從以下五種方法中選用兩種方法，相互驗(yàn)證。石門(mén)揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標(biāo)法或鉆屑指標(biāo)法，對(duì)于煤巷掘進(jìn)宜采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑指標(biāo)法或‘R’指標(biāo)法。”

1） 瓦斯壓力法；2） 綜合指標(biāo)法；3） 鉆屑指標(biāo)法；4）鉆孔瓦斯涌出初速度法；5）“R”指標(biāo)法。

本次工作是進(jìn)行煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，屬石門(mén)揭煤瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，同時(shí)參照隧道煤層賦存條件以及隧道施工技術(shù)條件，本次煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)采用以下四種方法作為主要預(yù)測(cè)指標(biāo)。

1） 煤層瓦斯含量測(cè)定法；2） 瓦斯壓力法；3） 綜合指標(biāo)法；4）鉆屑指標(biāo)法。

3.2 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定

1）煤層瓦斯含量測(cè)定，首先向煤層施工取樣鉆孔，及時(shí)采取煤層新鮮煤樣，然后裝入煤樣罐進(jìn)行密封，在井下進(jìn)行常壓自然解吸，并測(cè)定瓦斯解吸速度，將解吸后的煤樣罐送入地面實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行粉碎前常壓瓦斯解吸，之后進(jìn)行粉碎常壓瓦斯解吸，記錄地面瓦斯解吸量；根據(jù)煤樣瓦斯解吸模型、井下瓦斯解吸速度、采樣損失事件計(jì)算取樣過(guò)程中的瓦斯損失量；根據(jù)實(shí)驗(yàn)室工業(yè)分析、孔隙率等參數(shù)，計(jì)算常壓不可解吸瓦斯含量；將常壓解吸的瓦斯量校正后，與常壓不可解吸瓦斯含量相加即為煤層瓦斯含量。

煤層瓦斯含量W可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Wk—可解吸瓦斯量，cm3/g；

W1—井下解吸瓦斯量，cm3/g；

W2—損失瓦斯量，cm3/g；

W3—粉碎前瓦斯解吸量，cm3/g；

W4—粉碎后瓦斯解吸量，cm3/g；

Wb—常壓不可解吸瓦斯量，cm3/g，Wb采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Wb—常壓不可解吸瓦斯量，cm3/g；

a，b—煤的吸附常數(shù)；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

F—煤的孔隙率，m3/m3；

γ—煤的容重（視密度），t/m3。

2）煤層瓦斯壓力測(cè)定，瓦斯壓力是標(biāo)志煤層瓦斯賦存狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。在研究礦井煤與瓦斯突出、瓦斯涌出、瓦斯抽采時(shí)，它是一個(gè)關(guān)鍵性的基礎(chǔ)參數(shù)。瓦斯以游離和吸附狀態(tài)賦存于煤的微孔隙和裂隙中。一般情況下，瓦斯壓力越大，煤層瓦斯含量就越大，瓦斯壓力與埋藏深度和局部構(gòu)造應(yīng)力等因素有關(guān)，與成煤年代、煤的變質(zhì)程度無(wú)關(guān)；淺部瓦斯壓力較小，隨著開(kāi)采深度的增加，瓦斯壓力一般近似線性增加，在地質(zhì)構(gòu)造帶，強(qiáng)大的構(gòu)造應(yīng)力作用可使煤體中的孔隙和裂隙變小，甚至閉合，瓦斯流通性大大減弱，瓦斯占據(jù)孔隙減小，出現(xiàn)局部瓦斯壓力增高帶；在一些開(kāi)放性構(gòu)造帶，瓦斯運(yùn)移使瓦斯壓力減小，因而，瓦斯壓力在煤層中將呈現(xiàn)與采深的線性相關(guān)性和局部的非均勻性。

煤層原始瓦斯壓力的測(cè)定嚴(yán)格按國(guó)家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。采用注漿封孔，主動(dòng)式測(cè)壓法，采用N2罐補(bǔ)氣，補(bǔ)氣壓力0.5MPa，每個(gè)鉆孔補(bǔ)氣時(shí)間為1h。瓦斯壓力測(cè)定步驟如下：

準(zhǔn)備測(cè)壓器材，壓力表：根據(jù)地質(zhì)勘探測(cè)定的瓦斯壓力值約為1MPa，選用量程為其1.5倍以上的壓力表，本次用的壓力表量程2.5MPa，精確到0.01MPa；測(cè)壓管：本次測(cè)壓管為φ8×2mm的紫銅管；注漿管：施工現(xiàn)場(chǎng)配備，選用φ16×2mm的無(wú)縫鋼管；封孔材料：采用水泥、膨脹劑、速凝劑混合封孔，水灰比為 2∶1，水泥∶膨脹劑∶速凝劑=8∶1∶1，封孔深度為4m；生膠帶：密封各測(cè)壓管接頭用；三通：連接測(cè)壓管、氮?dú)夤夼c壓力表。；氮?dú)夤蓿菏┕がF(xiàn)場(chǎng)配備，壓力0.5MPa。

布置測(cè)壓鉆孔，采用超前探測(cè)鉆孔，封孔與補(bǔ)氣

①封孔：進(jìn)行測(cè)壓設(shè)備安裝并封孔，孔口2m左右采用錨固劑、木屑加速凝劑進(jìn)行封孔，成型后進(jìn)行注漿。注漿采用手持式注漿泵，待控漿管流出水泥漿液停止注漿，控漿管采用2m一根的無(wú)縫鋼管連接，共2根4m。封孔長(zhǎng)度4m，鉆孔穿過(guò)煤層0.5m左右。封孔示意圖如圖4。

②補(bǔ)氣：采用N2罐補(bǔ)氣，補(bǔ)氣壓力0.5MPa，每個(gè)測(cè)壓鉆孔補(bǔ)氣時(shí)間為1h。

圖4測(cè)壓封孔示意圖

3）鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測(cè)定，鉆孔取樣同第2條，使用儀器為WTC型突出預(yù)測(cè)儀，測(cè)定時(shí)每鉆進(jìn)2m，取一次鉆屑作解吸特征測(cè)定。取樣時(shí)，應(yīng)備好秒表、篩子，鉆孔鉆到預(yù)定深度時(shí)，用組合篩子在孔口接鉆屑，同時(shí)啟動(dòng)秒表，一面取樣，一面篩分，當(dāng)鉆屑量不少于100 g時(shí)，停止取樣，并繼續(xù)進(jìn)行篩分，最后把已篩分好的φ1-3mm的煤樣裝入WTC儀器的煤樣罐內(nèi)，蓋好煤樣罐，準(zhǔn)備測(cè)試。當(dāng)秒表走到t。時(shí)（通常規(guī)定t。為1～2 min)，啟動(dòng)儀器采樣鍵進(jìn)行測(cè)定，經(jīng)5 min后，當(dāng)儀器顯示t。時(shí)，用鍵盤(pán)輸人to，按監(jiān)控鍵，儀器顯示Lo，輸人Lo按監(jiān)控鍵，儀器進(jìn)行計(jì)算

4）平均堅(jiān)固性系數(shù)f測(cè)定，測(cè)定步驟：①將搗碎筒放置在水泥地板或2cm厚的鐵板上，放入試樣一份，將2.4kg重錘提高到600mm高度，使其自由落下沖擊試樣，每份沖擊3次，把5份搗碎后的試樣裝在同一容器中；②把每組 (5份)搗碎后的試樣一起倒入孔徑0.5mm分樣篩中篩分，篩至不再漏下煤粉為止；③把篩下的粉末用漏斗裝入計(jì)量筒內(nèi)，輕輕敲打使之密實(shí)，然后輕輕插入具有刻度的活塞尺與筒內(nèi)粉末面接觸。在計(jì)量筒口相平處讀取數(shù)L即粉末在計(jì)量筒內(nèi)實(shí)際測(cè)量高度，讀至毫米)。

當(dāng)L≥30mm時(shí)，沖擊次數(shù)n，即可定為3次，按以上步驟繼續(xù)進(jìn)行其他各組的測(cè)定。

當(dāng)L＜30mm時(shí)，第一組試樣作廢，每份試樣沖擊次數(shù)n改為5次，按以上步驟進(jìn)行沖擊、篩分和測(cè)量，仍以每5份作一組，測(cè)定煤粉高度L。

堅(jiān)固性系數(shù)的計(jì)算

堅(jiān)固性系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：f—堅(jiān)固性系數(shù)；

n—每份試樣沖擊次數(shù)，次；

L—每組試樣篩下煤粉的計(jì)量高度，mm。

測(cè)定平行樣3組 (每組5份)，取算數(shù)平均值，計(jì)算結(jié)果取一位小數(shù)。

3.3 軟煤堅(jiān)固性系數(shù)的確定

如果取得的煤樣粒度達(dá)不到測(cè)定f值所要求粒度 (20～30mm)，可采取粒度為1～3mm的煤樣按上述要求進(jìn)行測(cè)定，并按下式換算：

當(dāng) f1～3＞0.25 時(shí)，f=1.57f1～3-0.14

當(dāng) f1～3≤0.25 時(shí)，f=f1～3

式中：f1～3—粒度為1～3mm時(shí)煤樣的堅(jiān)固性系數(shù)。

5）放散初速度測(cè)定

測(cè)定步驟

①把2個(gè)試樣用漏斗分別裝入△P測(cè)定儀的2個(gè)試樣瓶中；②啟動(dòng)真空泵對(duì)試樣脫氣1.5h；③脫氣1.5h后關(guān)閉真空泵，將甲烷瓶與試樣瓶連接，充氣 (充氣壓力0.1MPa)使煤樣吸附瓦斯1.5h；④關(guān)閉試樣瓶和甲烷瓶閥門(mén)，使試樣瓶與甲烷瓶隔離；⑤開(kāi)動(dòng)真空泵對(duì)儀器管道空間進(jìn)行脫氣，使U型管汞真空計(jì)兩端汞面相平；⑥停止真空泵，關(guān)閉儀器空間通往真空泵的閥門(mén)，打開(kāi)試樣瓶的閥門(mén)，使煤樣瓶與儀器被抽空的死空間相連并同時(shí)啟動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，10s時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，讀出汞柱計(jì)兩端汞柱差P1(mm)，45s時(shí)再打開(kāi)閥門(mén)，60s時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，再一次讀出汞柱計(jì)兩端差P2(mm)。

瓦斯放散初速度指標(biāo)的計(jì)算

瓦斯放散初速度指標(biāo)按下式計(jì)算：

同一煤樣的兩個(gè)試樣測(cè)出△P值之差不應(yīng)大于1，否則需要再重新進(jìn)行測(cè)定。

4 揭煤施工

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)的要求，平導(dǎo)超前于正洞施工，因此先進(jìn)行平導(dǎo)的揭煤工作。根據(jù)設(shè)計(jì)資料顯示，該隧道揭露的煤層為近水平煤層，平導(dǎo)采用一次性全斷面揭煤較困難，采用分段揭煤方法，在進(jìn)行瓦斯排放措施并檢驗(yàn)有效以后首先進(jìn)行平導(dǎo)揭煤施工，先揭掌子面的下半段，再揭掌子面的上半段。

正洞采用上下臺(tái)階法進(jìn)行揭煤施工，在進(jìn)行瓦斯排放措施并檢驗(yàn)有效以后進(jìn)行正洞揭煤施工，先揭下臺(tái)階煤層，再揭上臺(tái)階煤層。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道執(zhí)行了兩個(gè)“四位一體”的綜合防突措施后，經(jīng)效果檢驗(yàn)為無(wú)突出危險(xiǎn)工作面。正常情況下，掌子面是安全可靠的，但由于形成突出的因素隨機(jī)性很大，還有可能由于施工水平、儀器誤差、工作人員的知識(shí)水平、責(zé)任心等一系列因素，發(fā)生誤判。為此，必須采取安全防護(hù)措施，其目的在于當(dāng)突出預(yù)測(cè)失誤，避免造成人員傷亡的一種措施，從而建立起防止突出事故的第二道保障線。