鷂子巖瓦斯突出隧道揭煤工程防突設計

曠文濤 田衛東 吳 偉 曹林衛 于茂春

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司， 重慶 400023; 2.重慶工程職業技術學院， 重慶 402260)

瓦斯突出隧道具有極高的安全風險，鐵路工程選線時一般予以繞避，故上世紀90年代以前，鐵路瓦斯突出隧道基本未見。隨著我國經濟的高速發展，從南昆鐵路家竹箐隧道開始，瓦斯突出隧道越來越多，如滬昆高速鐵路大茶山隧道、敘大鐵路中壩隧道、渝貴鐵路新涼風埡及天坪隧道、成貴客運專線玉京山隧道等均為瓦斯突出隧道。

瓦斯突出隧道發生煤與瓦斯突出的風險極高，其修建成敗的關鍵在于對突出煤層的處理。早期的瓦斯突出隧道(如家竹箐隧道、中壩隧道、大茶山隧道)，基本采用短兵相接的局部防突措施，一旦局部防突措施失效，易發生瓦斯突出事故，甚至是群死群傷的重大事故。近年來，結合煤炭系統揭煤防突技術的發展，鐵路隧道揭煤防突技術及相關規范亦逐漸趨于成熟。《煤礦安全規程》(2016版)、《防治煤與瓦斯突出細則》(2019版)、TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》等規范相繼頒布，“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的揭煤防突理念已成為工程界的普遍共識。近年修建的天坪隧道[1]、新涼風埡隧道[2]及玉京山隧道[3]均采用了區域及局部綜合防突措施。

雖然目前已有不少瓦斯突出隧道的成功案例，但像鷂子巖隧道這樣同時于背斜核部、大斷層附近連續6次穿過突出煤層的情況還前所未見。且鷂子巖隧道為穿越中梁山脈的第一座瓦斯突出隧道， 相關設計施工經驗欠缺。鑒于此，本文以鷂子巖隧道極復雜地質構造突出煤層揭煤防突設計為工程背景，以“區域防突措施為主、局部防突措施補充”[4]為指導思想，在充分探明煤層、瓦斯及構造等地質特征的基礎上，系統制定了極復雜地質突出煤層揭煤防突的流程體系和工程措施，指導鷂子巖隧道的揭煤防突施工。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環線鷂子巖隧道位于重慶市北碚區，為時速160 km的雙線隧道；隧道正穿重慶中梁山脈，最大埋深330 m，全長 4 782 m。洞身中部分布約 2 800 m可溶巖，同時受環境保護區邊界及線路接線高程控制，洞身于觀音峽背斜核部、白廟子逆斷層附近穿越二疊系龍潭組突出煤層，連續6次揭煤，地質條件十分復雜[5]。根據勘察成果資料，K8煤層測試數據中，僅有放散初速度未達到突出指標，其他3個參數均達到突出指標。隧道附近煤礦K2.K6-2煤層的勘測資料顯示，煤層測試數據的放散初速度都未達到突出指標，但在開采過程中仍發生多次突出事故；鄰近含相同煤層的磨心坡煤礦資料顯示，該煤礦在1960～1998年期間共發生多達27次瓦斯突出事故，突出最大瓦斯涌出量達10萬方，為煤與瓦斯突出礦井。因此，綜合判定鷂子巖隧道穿越龍潭組煤系地層段具煤與瓦斯突出危險，為瓦斯突出隧道，按I級風險隧道進行管理。同時結合工期、排水、通風需要，隧道出口段線路右側 35 m位置設置無軌運輸平導，突出煤層段平導為單車道。

施工過程中，根據綜合超前地質預報及煤層參數補充測試成果，對突出煤層段地質特征進行修正，煤層段地質縱斷面如圖1所示。煤層相關參數如表1所示。

圖1 突出煤層段地質縱斷面示意圖

表1 突出煤層特征參數表

1.2 地質特征

根據探明的地質資料，突出煤層段具有以下區域地質特征。

(1)構造復雜

隧道及平導分別在DK 153+290、PDK 153+310處與觀音峽背斜核部正交，地表核部為飛仙關組一段灰巖、白云巖地層，隧道穿越范圍核部為二疊系龍潭組頁巖夾煤層。背斜軸部受構造作用，巖體較破碎。

隧道正穿白廟子逆斷層，下覆F1斷層。白廟子逆斷層與隧道及平導大角度交于DK 153+400和PDK 153+420附近，夾角約75°。白廟子逆斷層切斷觀音峽背斜北西翼，使背斜東翼及其核部地層整體抬升，導致地表飛仙關組第二段紫紅色泥巖直接覆于飛仙關第三段灰巖地層之上，且飛仙關三段灰巖地層的出露厚度急劇減小。鉆探揭示斷層破碎帶寬約32 m。下覆F1斷層使煤層區域地質特征更為復雜，超前地質預報揭示，煤層段巖層破碎，完整性較差。

(2)地下水發育

煤層上部為厚層灰巖，背斜范圍構造作用下，巖體較破碎，同時因斷層切割地層，地下水發育，隧道施工受地下水影響較大。

(3)瓦斯突出風險極高

瓦斯含量高，壓力大，實測最大瓦斯壓力為1.6 MPa，最大瓦斯含量達30.7 m3/t。煤層透氣系數低，各層煤均較難抽采。超前地質預報過程中，瓦斯連續數月噴氣、噴水，瓦斯動力現象十分明顯，瓦斯突出風險極高。

(4)煤層相互影響大

隧道連續6次揭煤，其中K8煤層厚度達3.5 m，各煤層間最大間距13.5 m，最小間距8.2 m，煤層之間相互影響極大，防突處理難度大。

1.3 工程地質條件評價

鷂子巖隧道煤層特征工程類比如表2所示。

表2 突出煤層特征工程類比表

鷂子巖隧道同時于背斜核部、大斷層附近連續6次穿過突出煤層的情況前所未見，煤層范圍地質構造極其復雜，同時瓦斯壓力大，小間距連續煤層分布段落長達65 m。鑒于鷂子巖隧道的地質特征，為確保工程安全，應對其揭煤工程防突進行系統研究。

2 防突流程體系

2.1 編制原則

(1)揭煤防突實施前，應建立并實施多方位的瓦斯突出安全保障體系；

(2)突出煤層段地質條件復雜，為避免瓦斯沿構造，尤其是斷層帶逸出引起瓦斯噴出，同時也為避免誤揭煤層，隧道施工至斷層及煤層50 m位置時，應提前實施超長距離綜合超前地質預報，基本探明煤層、瓦斯及構造特征。

(3)鑒于煤層間距小，構造復雜，為確保施工安全，將背斜核部范圍煤層視為整體煤層考慮。

(4)貫徹“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突原則，工作面防突措施設計為預案措施，在區域驗證防突措施無效的情況下，啟動工作面防突措施預案。

(5)針對鷂子巖隧道極復雜地質條件下近距離連續多次穿越突出煤層的實際情況，根據區域綜合防突理念，首先以突出煤層段作為整體，一次性實施超前地質預報、區域突出危險性預測、區域防突措施及效果檢驗，然后分煤層循環進行區域驗證和局部綜合防突。

2.2 流程體系

鷂子巖隧道揭煤防突體系如圖2所示。

施工圖階段基于該流程體系對各流程進行了針對性設計。在施工過程中，結合瓦斯規范變化及現場施工情況，增大了瓦斯區域抽放控制范圍,啟動了水力壓力增透預案。

3 防突措施

3.1 安全保障體系

根據瓦斯突出工區安全要求，建立可靠的安全保障體系，包括通風系統、供電系統、防爆運輸、安全監測、人員定位、緊急避險、壓風自救、供水施救和通訊聯絡系統。

3.2 長距離綜合超前地質預報

隧道施工至斷層及煤層50 m位置時，提前實施長距離綜合超前地質預報，基本探明煤層、瓦斯及構造特征，相關技術要求如下：

(1)分別于距離斷層50 m、20 m以及距離煤層 50 m位置，分3次實施長距離綜合超前地質預報，實施里程分別為DK 153+480、DK 153+460和DK 153+385，每次搭接長度不小于10 m，如圖3所示。

(2)前兩環穿越斷層段鉆孔與煤層底板交點應控制在開挖輪廓線外5 m范圍內；最后一環應穿透所有煤層，穿越煤層段鉆孔與煤層底板交點應控制在開挖輪廓線外10 m范圍內，并確保能在開挖面距煤層前20 m以上位置時基本查明煤層特征。

圖2 鷂子巖隧道揭煤防突流程體系圖

圖3 長距離超前地質預報示意圖

(3)超前鉆孔直徑為φ89，平導布置5孔，正洞布置7孔，其中均不少于1孔取芯。

3.3 區域綜合防突措施

(1)區域突出危險性預測

在距離煤層(法線距離)20 m時，一次性穿透所有煤層實施區域預測，采用φ89鉆孔。考慮到地質復雜，煤層較多，預測孔在規范不少于3孔基礎上有所增加，平導上臺階布置4孔，下臺階1孔，正洞上臺階布置4孔，下臺階2孔。預測孔需取芯，進入煤層底(頂)板巖層不小于0.5 m。

采用瓦斯壓力P及噸煤瓦斯含量W作為瓦斯突出危險性預測指標，瓦斯壓力小于0.74 MPa且瓦斯含量小于6 m3/t時無突出危險，否則具有突出危險。超前地質預報顯示瓦斯動力現象十分明顯，K8、K9上、K9下煤均具有瓦斯突出危險。

(2)區域防突措施

區域各層煤均較難抽放，為縮短抽放時間、提高瓦斯抽放效果。首先于區域預測斷面位置對K8、K9煤層采用水力壓裂增透處理。

煤層增透處理后，繼續施工至距煤層法向距離 10 m處，實施區域瓦斯抽放鉆孔施工，一次性穿過所有煤層實施區域瓦斯抽放。該段煤層處于背斜核部，地質條件復雜：一是拱頂若發生掉塊、局部坍塌或片幫等，易造成瓦斯突出，危險性較大；二是隧底2個預測孔噴孔嚴重，截止瓦斯抽放前，噴孔時間已超過40 d，煤層瓦斯噴孔情況嚴重。結合現場實際情況及瓦規相關規范規定，為保證施工安全，將瓦斯區域抽放范圍在施工圖基礎上適當加大，確定為隧道開挖輪廓線外順煤層層理方向上下各20 m、左右各15 m，各抽放孔在煤層1/2厚度處的孔距不應大于4 m，抽放孔進入煤層底(頂)板巖層不小于0.5 m。水力壓裂及區域抽放均采用φ89鉆孔。

(3)區域措施效果檢驗

瓦斯抽放措施實施后，一次性穿透所有煤層實施區域效果檢驗，以確認煤層瓦斯抽放效果。當殘余噸煤瓦斯含量小于6 m3/t時，認為防突措施有效，否則認為無效，采取延長排放時間、增加抽放孔數量、繼續瓦斯抽放等補救措施，直至判定區域防突措施有效為止。考慮到地質復雜，煤層較多，檢驗孔較規范4孔有所增加，平導布置12孔，正洞布置17孔，距預抽區域邊緣不大于2 m處不少于1孔。檢驗孔也采用φ89鉆孔。

(4)區域驗證

區域防突措施效果檢驗有效后，繼續施工至距煤層底(頂)板5 m和2 m垂距時，分煤層循環進行區域驗證。

區域驗證采用鉆屑瓦斯解吸指標法，采用φ89鉆孔，鉆孔數在規范3孔基礎上有所增加，平導布置4孔，其中下臺階布置1孔。正洞布置6孔，其中下臺階布置2孔。

3.4 局部綜合防突措施

工作面防突措施分煤層循環進行，包括工作面預測、工作面防突措施、工作面措施效果檢驗及實施安全防護措施。根據“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突工作原則，在區域防突措施失效的情況下，啟動工作面防突措施。

揭煤前應實施安全保護措施，包括再次核查相關安全保障體系實施到位、已開挖段落實施完成系統支護及鋼架、提前實施大管棚或小導管超前支護、針對揭煤作業風險編制相應的預案措施等。

3.5 防突措施實施效果

(1)長距離超前地質預報預測表明，斷層范圍無瓦斯突出危險，背斜范圍煤層均具瓦斯突出危險。

(2)平導、正洞共設置鉆孔約750孔，總長約40 000 m，瓦斯抽采方量共約20萬方，抽放時間約3個月。

(3)抽放后噸煤瓦斯含量均小于6 m3/t，區域防突措施效果明顯。

(4)揭煤施工過程中，分煤層區域驗證均無瓦斯突出危險，未啟動工作面防突措施。

(5)平導于2020年4月揭煤完成。截止2020年7月底，正洞揭煤已基本完成。

鷂子巖隧道揭煤工程的順利實施，表明鷂子巖隧道揭煤防突流程體系及工程措施可用于指導極復雜地質的突出煤層施工。

4 結論及建議

4.1 結論

鷂子巖隧道于背斜核部、大斷層附近連續6次穿過突出煤層，同時煤層厚度大、間距小，瓦斯壓力大，兼有地下水影響，工程地質條件極其復雜。且該隧道為穿越中梁山脈的第一座瓦斯突出隧道，相關設計施工經驗欠缺。為確保施工安全，制定了系統的安全保障體系，采用了長距離綜合超前地質預報，區域瓦斯抽放前提前實施水力壓裂增透，制定了“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突體系，首先以背斜核部小凈距突出煤層作為整體，一次性穿透所有煤層實施區域突出危險性預測、區域防突措施及效果檢驗，然后分煤層循環進行區域驗證、局部綜合防突措施及揭煤作業。

本文以穿越中梁山脈的首座瓦斯突出隧道揭煤防突為工程背景，本著“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的指導思想，在充分探明煤層地質特征的基礎上，系統制定復雜地質突出煤層揭煤防突流程體系及工程措施，成功指導了鷂子巖隧道的揭煤防突作業，可為類似地質條件的隧道揭煤防突作業提供指導，同時有助于拓展和完善瓦斯突出隧道揭煤防突設計的理念和方法，具有重要的工程實際意義。

4.2 建議

(1)鷂子巖隧道突出煤層施工過程中，瓦斯動力現象十分明顯，噴孔十分嚴重，突出風險極高。鑒于瓦斯突出隧道的極高風險，工程選線應盡量繞避。

(2)為確保施工安全，瓦斯突出隧道應嚴格執行“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突工作原則。

(3)應將間距較小、構造復雜的多層煤視為整體，納入一次性超前地質預報及區域防突措施控制范圍，這對提高施工效率、確保施工安全效果明顯。

(4)水力壓裂增透可有效提高瓦斯抽放效果，大大縮短抽放時間，應結合工程實際合理選用。