夾巖水利工程瓦斯突出隧洞綜合防突技術研究

任明武

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 520001)

0 引言

當前國民經濟的高速發展對水資源的需求越來越高，國內的大型水利工程建設也逐漸增多，在建設過程中會穿越不同的地質構造，面臨很多復雜的工程難題，瓦斯突出隧洞就是其中的一種。瓦斯突出隧洞具有安全風險高、施工技術難度大的特點，往往會成為一個工程項目的重難點和控制性工程，因而對于瓦斯突出隧洞的防突技術研究就成了許多工程人員及學者的重點領域。

文獻[1-2]以公路瓦斯隧道為例，開展了瓦斯隧道施工技術試驗并取得了較好的效果；楊正東[3]以貴州某隧道為例，介紹了在大斷面公路隧道中采用以區域穿層鉆孔預抽煤層瓦斯為主的區域防突技術措施；文獻[4-5]從超前地質預報、瓦斯監測、施工通風、安全管理、信息化管理以及瓦斯抽采與引排等方面探討了瓦斯隧道的施工技術及重難點；文獻[6-8]以渝黔鐵路天坪隧道為例，詳細介紹了穿層網格式瓦斯集中抽排技術在鐵路瓦斯隧道中的應用；渝黔鐵路新涼風埡隧道[9-11]采用水力壓裂增透技術，同時采取多煤層集中抽采結合下導坑自然排放的瓦斯抽排方案，不僅減少了鉆孔數量，而且縮短了瓦斯抽排時間，取得了很好的抽排效果；吳璋[12]以四川龍灘煤礦礦井回風石門的高瓦斯段治理為例，介紹了管棚帷幕高壓注漿(孔口壓力5MPa)方法在高瓦斯治理中的應用，灌漿封閉后鉆孔完全無瓦斯溢出，但治理時間很長；玉京山隧道[13]通過方案比選，采用雙風機獨頭壓入式通風，在平行導坑輪廓線左側設置鉆場，采取平行導坑與正洞煤層瓦斯整體一次抽放，取得了很好的效果，并對抽放參數進行了詳細說明。

上述文獻中的瓦斯隧道防突技術措施均為公路、鐵路或煤礦中采用的，由于水利工程的隧洞往往具有造價低、工期緊、斷面小的特點，因此很多在公路、鐵路和煤礦上適用的瓦斯突出防治技術措施并不一定適用于水利工程瓦斯突出隧洞的治理。楊漢銘等[14]對水利工程瓦斯突出隧洞的瓦斯抽放工藝進行了相關研究，但因其抽排設計參數與施工工藝并未完全考慮現場實際，方案還不夠完善和合理，實際應用效果不理想，瓦斯治理時間較長。根據水打橋隧洞進口瓦斯突出洞段的防突治理實踐，從施工通風、鉆孔及灌漿工藝流程優化、瓦斯抽排及效果檢驗方案優化等方面對水利工程瓦斯突出洞段的綜合防突技術措施進行了認真分析研究和總結，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是國務院納入規劃建設的172項重大水利工程之一，也是貴州省水利建設“三大會戰”的龍頭項目。水打橋隧洞為其灌區骨干輸水工程的一部分，隧洞全長約 20.36km，開挖半徑為3.5m，初期支護及二襯后半徑為2.7m，是夾巖水利工程中長度最長的隧洞。水打橋隧洞進口為高瓦斯隧洞且在K1+410掌子面發生過煤與瓦斯突出，幸無人員傷亡。該隧洞施工安全風險高、施工技術難度大、施工工序繁瑣，加之設計及施工方案還處于試驗完善階段，導致施工進度緩慢，而水打橋隧洞進口段為整個灌區骨干輸水工程的關鍵性控制工程，其施工進度直接關系到整個工程的通水時間。因而在施工過程中不斷做好設計及施工方案的優化完善工作，在保證安全和質量的前提下盡可能加快工程施工進度就成為了工程管理工作的重中之重。

1.2 工程難點及重點

1)隧洞穿越的6中煤層為中厚煤層，隧洞軸線與煤層斜交且傾角較小，導致隧洞穿煤距離較長。

2)煤層瓦斯含量高、壓力較大、煤質較軟，存在較高的煤與瓦斯突出風險。

3)工期緊，進度壓力大

4)參建各方參與高瓦斯隧洞建設的經驗不足。

2 工程地質條件

瓦斯突出情況發生后，設計單位立即開展了地質補勘工作，經鉆孔取樣測得6中煤層瓦斯含量最低值為12.254 4m3/t，最高值為 14.774 8m3/t；同時通過補勘得知K1+600之前為龍潭組(P31)煤系地層段，其中K1+520之前為6中煤層分布位置，在此區段內的煤層最厚處，隧洞將完全從煤層中穿過；K1+520—K1+600段巖性為砂巖夾灰黑色頁巖及薄煤層，賦存瓦斯，為高瓦斯段；K1+600—K1+800為非煤系地層段。同時委托有煤礦專業資質的科研院所對K1+410 掌子面揭露的 6 中煤層開展了煤與瓦斯突出危險性鑒定，并出具了鑒定報告，結論如下：水打橋隧洞穿越的6中煤層為具有煤與瓦斯突出危險煤層，穿越6中煤層的洞段為煤與瓦斯突出隧洞。6 中煤層突出危險性4個單項指標測定結果如表1所示。

表1 單項指標測定結果

3 瓦斯抽排

3.1 瓦斯抽排方案制定

煤與瓦斯突出情況發生后，在建設單位的組織領導下，參建各方積極開始進行專項方案的設計工作。期間方案多次經過專家評審和論證，最后結合本工程的實際特點，綜合考慮施工安全、工期、投資等因素，決定采取“瓦斯抽排與灌漿封堵相結合、分段多循環、強初支、勤監測”的綜合防突治理方案。具體技術要求及施工工藝如下。

1)以25m作為1個循環，即開挖25m，預留10m作為下一個循環的保護段。第1循環(以K1+410掌子面為起點)設計共布置29個鉆孔，其中瓦斯抽排孔5個，灌漿孔25個，效果檢驗孔4個(見圖1)。鉆孔采用ZDY1250型煤礦用全液壓坑道鉆機，孔徑為76mm。將掌子面中心灌漿孔④和部分灌漿孔②前期也用做瓦斯抽排孔，灌漿孔②利用4個孔，隔孔利用，抽排深度與灌漿深度相同，瓦斯抽排采用2BEA303型水環式真空泵。

圖1 K1+410掌子面設計布孔

2)先施作1m厚C20混凝土止漿墻封閉掌子面，然后對外序②，③序孔進行造孔施工，造孔完成后再通過抽排孔進行瓦斯抽排，抽排過程中要經常對孔內瓦斯濃度進行測定，當瓦斯濃度都低于10%或瓦斯壓力低于0.2MPa時，即可結束隧洞開挖輪廓線外圍的瓦斯抽排，開始進行灌漿施工，達到對外圍瓦斯進行封閉的目的。

3)當②，③序灌漿孔的灌漿完成后，再進行內序①，④序孔的造孔施工，造孔完成后再進行瓦斯抽排，即對掌子面中心的④序孔進行瓦斯抽排，當抽排后孔內瓦斯濃度低于10%或瓦斯壓力低于0.2MPa時，即可結束隧洞開挖輪廓線范圍內的瓦斯抽排，然后對①，④序號灌漿孔進行灌漿施工，灌漿完成后再進行瓦斯抽排效果檢驗孔的造孔施工并開展效果檢驗工作，判定標準采用鉆屑瓦斯解吸指標K1值達標和無瓦斯動力現象兩個指標控制，只有當全部檢測孔的兩個指標都達標時才能進行下步開挖，同時在施工過程中一定要加強洞內的瓦斯監測工作。

3.2 瓦斯抽排方案改進和優化

第1循環因瓦斯抽排效果較差，期間多次增加抽排孔進行抽排，第三方檢測單位先后進行了3次抽排效果檢驗，顯示在距離掌子面20m以后如繼續開挖仍有瓦斯突出風險，故只開挖及支護了20m，未達到設計預期效果。同時在效果檢驗孔造孔過程中，發現鉆孔在20m之后有卡鉆及瓦斯噴孔現象，說明抽排瓦斯及灌漿效果不明顯。經分析發現主要原因有兩方面：一是盡管設計布置的鉆孔較多，但用于瓦斯抽排的鉆孔很少，只有5個；二是由于鉆孔太深，孔斜難以控制，鉆孔在20m之后孔位偏差擴大，使瓦斯抽排及灌漿范圍難以全部重合，造成部分瓦斯抽排孔瓦斯濃度不能收斂或收斂極慢，難以滿足結束標準。因而將第2循環(以K1+430掌子面為起點)的開挖長度由原來的25m調整為20m，預留5m作為下一個循環的保護段，并對抽排孔、灌漿孔、效果檢測孔的設計參數做了相應調整，如圖2所示；造孔、抽排及灌漿施工順序同第1循環一樣。然而第2循環抽排效果仍然較差，期間多次增加抽排孔進行抽排，第三方檢測單位先后進行了2次抽排效果檢驗，顯示在距離掌子面12m以后如繼續開挖仍有瓦斯突出風險，故只開挖及支護了12m。

圖2 K1+430掌子面設計布孔示意

經分析發現第2循環未達到預期效果的原因有三方面：①用于瓦斯抽排的鉆孔仍然偏少，僅9個孔；②隨著隧洞進尺的增加，隧洞穿煤厚度逐漸增加，瓦斯含量也逐漸增高；③隨著瓦斯抽排孔和灌漿孔孔深的增加，瓦斯抽排及灌漿效果會逐漸降低。同時經過煤礦行業的專家到場指導，發現盡管實際布置的鉆孔較多，但是能針對突出煤層有效進行瓦斯抽采的鉆孔數量并不多。第1,2循環在施工過程中都因抽排效果較差而多次增加抽排鉆孔或對已經施工好的鉆孔進行重新掃孔后作為抽排孔使用，且多次進行效果檢驗，不僅耽誤了很長時間還沒有達到預期的開挖進尺，證明瓦斯抽排技術方案還有待進一步改進和優化。

因而第3循環(以K1+442掌子面為起點)在進行抽排方案設計時將開挖長度調整為15m，預留5m作為下一個循環的保護段；在進一步增加瓦斯抽排孔數量的同時還對鉆孔方位、角度和孔深進行了調整(見圖3)，充分考慮鉆孔角度與煤層的對應關系，使瓦斯抽排孔盡可能沿煤層走向布置；在鉆孔過程中對瓦斯動力現象較多的鉆孔，在其附近再增加1～2個抽排孔。鉆孔按“②→①→③→④”的順序實施，同時對抽排順序進行了調整，不再分序抽排，而是待全部抽排孔施工完成后再將鉆用抽排管埋入所有抽排孔進行集中抽排，以達到集中對煤層進行瓦斯抽排的目的，可以減少開挖控制范圍內的瓦斯抽采空白帶，抽排合格后再進行灌漿施工，達到既提高瓦斯抽排效率又降低煤與瓦斯突出危險性的目的；灌漿按“②→①→③”序孔的順序實施；4個檢驗孔孔深仍為20m，位置由第三方檢測單位現場指定。第3循環實際布孔47個(原設計37個，不包括效果檢驗孔，如圖3所示)，盡管瓦斯含量越來越高，但因抽排效果較好，一次檢驗合格，開挖進尺15m，基本達到設計預期效果。第3循環頂鉆、卡鉆、噴孔等異常現象特別嚴重，但治理仍能一次達標，且施工進度明顯提高，證明改進調整后的方案是有效的。

圖3 K1+442掌子面設計布孔示意

通過第1～3循環方案實施效果分析發現瓦斯抽排孔過少、施工循環過長均達不到預期的瓦斯抽排效果和提高施工效率的目的，經過分析和比較，將后續每一循環施工長度調整為15m，同時進一步增加瓦斯抽排孔。優化后的掌子面布孔如圖4所示、優化后的縱剖面如圖5所示，具體施工工藝及要求如下。

圖4 優化后的布孔示意

圖5 優化后的縱剖面示意

1)先施作混凝土止漿墻封閉掌子面。

2)對掌子面設計的所有孔進行一次性鉆孔。因鉆機很重，不便于頻繁移動，為節省造孔時間，加快施工進度，經分析發現只要在洞內通風量有保證的情況下，鉆孔可不分序。因而決定造孔不分孔序，從掌子面下部開始向上部對設計的瓦斯抽排孔、灌漿孔(共24個)進行造孔施工，先造好的孔作為瓦斯自然排放孔使用；在鉆孔過程中遇見瓦斯動力現象較多的孔時，可在其附近再增加3個瓦斯抽排孔，增加的瓦斯抽排孔位置以異常孔為中心，間距0.5～0.8m，三角形布置，孔深和孔斜同異常孔一樣。

3)當所有抽排孔、灌漿孔都造孔完成后，選擇不少于30個孔作為瓦斯抽排孔對瓦斯進行一次性集中抽排；要將造孔過程中存在瓦斯動力現象的鉆孔和造孔結束后孔內瓦斯濃度較高的鉆孔都作為瓦斯抽排孔進行集中抽排。

4)當所有抽排孔孔內的瓦斯濃度都低于10%時才可結束瓦斯抽排(因測定抽排后的孔內瓦斯壓力需要重新封孔，施工工序比較繁瑣，耗時較長，且效果并不好，經與設計單位溝通，從第3循環開始就不再采用測定孔內壓力的方式)，開始進行灌漿施工，灌漿按“③→②→①”的順序實施，灌漿壓力按1.5MPa控制，水灰比采用 2∶1，1∶1和0.5∶1(先灌稀漿，后灌濃漿)，灌漿結束標準為注入率不大于 1L/min后繼續灌注30min。

5)按設計要求進行抽排并灌漿完成后，再由第三方檢測單位布孔開展瓦斯抽排效果檢驗；為了確保施工安全，對鉆孔過程中出現瓦斯動力現象較多的部位應增加效果檢驗孔，故檢驗孔數量應在4個以上，孔深仍為20m。合格判定標準不變，只有當全部檢驗孔都達標時才能進行下步開挖，否則應在檢測不合格的孔附近增加瓦斯抽排孔進行抽排，當新增加的瓦斯抽排孔都達標時，再重新施作效果檢驗孔進行抽排效果檢驗，直至合格為止。

6)在實際施工過程中要根據煤層分布、走向及瓦斯情況進行孔位及角度調整或將更多的灌漿孔先作抽排孔使用后再進行灌漿施工。

4 其他輔助措施

4.1 加強施工通風

經過計算前期采用(2×110+2×75)kW軸流通風機匹配2根雙抗風管進行壓入式通風，隨著向前開挖掘進過程中煤層厚度逐漸增大，瓦斯含量也逐漸增高，為了增強通風效果，確保施工安全，2019年8月17日將原配置通風機換成2×110kW。同時為防止局部瓦斯聚集，在每個避車洞位置均安置了YBT-5.5kW礦用隔爆型軸流式局部通風機進行通風，并安排專人對通風設備進行管理，認真開展通風設備及風管的檢修維護，定期對洞內的風速、風量等進行測試，確保洞內通風滿足要求，使施工現場安全始終處于可控狀態。

4.2 加強現場組織管控

1)建設單位、設計單位、監理單位和施工單位分別成立了瓦斯隧洞施工全過程動態管理小組，由各自單位的主要領導任組長、分管領導和現場主要負責人任副組長，負責瓦斯突出隧洞施工期間的領導、組織實施與應急處置等全部工作。

2)在洞口、掌子面、避車洞和回風巷等位置安裝瓦斯探頭16個，購置光感式瓦斯檢測儀3臺(1臺備用)，并用電纜串聯至洞口值班室主機，與顯示屏相連，構建瓦斯濃度超標智能報警系統(超過0.5%自動報警，超過0.75%自動斷電)，采取人工檢測與智能式瓦斯檢測系統互相校核進行雙控；同時構建了風電閉鎖系統。

3)對進洞人員嚴格實行實名制管理，嚴格控制進洞人數不超過9人，禁止攜帶手機、打火機及身穿化纖類衣服的人員進洞，所有人員進洞前必須觸摸靜電釋放樁；配備專業瓦斯監測員2名，實行洞內24h跟班作業，嚴格執行“一炮三檢”制；隧洞內拍照必須使用防爆相機，其他非防爆拍照設備禁止帶入洞內；對洞口周邊加設全封閉圍欄，在除施工人員及車輛進出之外的時間將進洞大門關閉，防止無關人員進入洞內，從而減少安全隱患。

4.3 加強全過程技術咨詢

為了在施工過程中更好地指導施工、優化施工方案和確保施工安全，多次邀請安全專家和煤礦行業的專家進行方案咨詢和現場技術指導，不斷對設計和施工方案進行優化完善。

建設單位還與有煤礦專業資質的科研院校簽訂了技術咨詢合同，委托其對水打橋隧洞K1+410掌子面后每一循環施工開展煤與瓦斯突出危險性鑒定，并出具鑒定報告，以指導現場施工。施工項目部也與多家有煤礦專業資質的企業和科研院所簽訂了技術咨詢合同，聘請瓦斯專家開展全過程技術咨詢，并聘請了1名具有煤礦瓦斯隧洞施工經驗的專家常駐現場，全程跟蹤、指導現場施工。

與附近的專業礦山救援隊簽訂救援協議，并邀請專業救援人員現場開展應急避險與救援培訓，并定期開展聯合應急演練，做到常備不懈，為現場的安全生產和救援提供可靠保障。

5 結語

水打橋隧洞進口瓦斯突出洞段自恢復施工以來，因各項防突治理技術措施落實到位，未發生安全事故，尤其是在施工過程中通過對設計方案和施工方案的不斷改進和優化，至第4循環方案已基本趨于完善，加之各工序的銜接更加順暢，盡管瓦斯含量越來越高，但施工進度較之前卻明顯提高，實踐證明改進和優化后的防突治理方案效果很好。通過水打橋隧洞進口瓦斯突出洞段防突治理的成功實踐，取得以下經驗。

1)在工程項目管理中，建設單位要充分發揮好主導作用，通過加強建設單位在工程建設中的管理，尤其是在遇見重大工程技術難題時，要積極調動參建各方的主動性，共同推進重大技術方案的制定、完善和落實，可以確保工程安全、質量、進度和投資目標的實現。

2)采用2臺(2×110+2×110)kW軸流風機匹配2根雙抗風管進行壓入式通風，使洞內通風量有充分保證，為鉆孔施工不再分序和所有孔全部鉆孔完成后再集中進行整體一次抽排創造了條件，避免了頻繁移動鉆機進行造孔施工，節省了大量造孔和抽排時間。

3)通過增加或局部加密瓦斯抽排孔，使瓦斯抽排孔盡可能沿煤層走向布置，并采取集中整體一次抽排，提高了瓦斯抽排效果，避免了每一循環多次重復造孔、抽排和檢驗，使得施工進度明顯提高。

盡管水打橋隧洞瓦斯突出洞段的建設管理取得了較好的效果，但仍有值得改進的地方：應將BIM技術運用到隧洞的全過程項目管理中，以實現不同單位、不同部門間的多方協同工作，可以使施工組織和建設管理的效率得到進一步提高；同時瓦斯抽排孔的孔位布置、方位及抽排孔數量仍需優化，要結合掌子面揭露的煤層走向、分布及瓦斯含量，同時結合超前地質預報探明的地質情況，盡可能一次性將所有瓦斯抽排孔布設到位，避免出現瓦斯抽排真空區，減少重復造孔、抽排和檢驗的工程量。