探析深部瓦斯隧道瓦斯治理技術

王登廣

中國鐵建昆侖投資集團有限公司 四川 成都 610093

引言

我國西部多山，鐵路和高速交通線路在穿越山區時必然需要修建大量的隧道工程。截止2017年底，中國鐵路營業里程達12.7萬km，其中投入運營的鐵路隧道14547座，總長15326m[1]。部分隧道要揭穿煤系地層，有些煤系地層埋深較深，局部埋深達到800m以深，瓦斯賦存情況比較復雜，出現“三高一低”現象，即瓦斯壓力瓦斯含量高、地應力高及透氣性低。給隧道建設帶來極大的困難，容易引發瓦斯燃燒、瓦斯窒息、瓦斯爆炸及瓦斯突出等事故[2-3]。如2017年5月2日在建高鐵七扇巖隧道發生重大瓦斯爆炸事故，死亡12人；2019年4月1日的扎西隧道瓦斯爆炸事故，死亡7人。隧道瓦斯問題時長期困擾隧道安全高效施工。

所以對于深部瓦斯隧道除了要做到地質構造精準探測外，還需加強瓦斯治理技術積累。本文通過文獻檢索結合煤礦常用的瓦斯治理措施，探討深部瓦斯隧道瓦斯治理技術。

1 工程概況

成昆鐵路米（易）-攀（枝花）段保安營1 號隧道全長13326m，為客貨共線單線電力牽引鐵路，最大埋深約887m，屬大埋深、特長隧道。

為滿足安全高效施工需要，全隧共設3 座斜井，分別為1#斜井、2#斜井及3#斜井，全長分別為2460m、1898m、884m。其中1#主斜井工區、2#斜井工區原設計為低瓦斯工區由于瓦斯異常均變更為高瓦斯工區。

1#斜井為穿層掘進，設計坡度9.2%，需揭穿三疊系上統寶鼎組下段（T3bd1）煤系地層。保安營1號隧道1號斜井施工至X1DK1+570里程時，開挖工作面揭露一層約0.3m厚的黑色、松軟、顏色暗淡巖層，施工班組在開挖工作面施焊時發生不明氣體燃燒。2#斜井工區正洞為穿越斷層掘進，2#斜井正洞工區施工至LXD4K8+230里程時，開挖工作面出現瓦斯濃度超標，至此工作面停止作業。

2 我國瓦斯隧道瓦斯治理現狀

2.1 瓦斯排采技術

瓦斯排放措施在現掌子面位置實施。鉆孔沿排放層層面呈輻射狀布置，開孔點間距約1m，鉆孔長度5-8m。鉆孔直徑為Φ65mm。每施工完一個排放孔，將排放孔封孔。封孔方法為將一寸PVC管頭部鉆花眼，塞入排放孔內，封孔長度3～5m。排放管管口卷纏棉紗及馬麗散進行封堵。鉆孔孔封好后，用軟管連接至“掃把頭”進行匯流，如圖1所示。

圖1 引排系統布置示意圖

2.2 瓦斯異常涌出段“鉆墻”截流瓦斯技術

對于裂隙瓦斯，根據鉆孔有效抽采瓦斯影響半徑，在隧道兩側設計并施工一定數量的超前鉆孔，在隧道輪廓線外形成截流瓦斯的“鉆墻”，在瓦斯抽采系統的負壓作用下，高效阻止瓦斯異常涌出區（段）的瓦斯進入掌子面，確保治理措施不干擾或者少干擾隧道掘進。

具體做法是：每隔150m，在掌子面10m之后隧道兩側交錯施工一個鉆場，為避免應力集中，兩側鉆場位置錯開30m。使之在隧道輪廓線外約4m的巖（煤）體內形成一堵彎曲的 “鉆墻”，使之“包裹” 要掘進的隧道，抽截煤巖瓦斯。如圖2所示。

圖2 “鉆墻”鉆孔布置設計圖

2.3 揭煤防突技術

對于需要揭穿較穩定煤層的瓦斯隧道，需要根據鐵路行業規范《鐵路瓦斯隧道技術規范》，參照煤炭系統《防治煤與瓦斯突出細則》（2019）、《煤礦安全規程》（2022）等規定，制定瓦斯隧道“四位一體”的綜合防突措施，揭煤過程主要包括突出危險性預測、防突措施、效果檢驗和遠距離放炮安全技術措施四個部分[4-5]，如圖3所示。

圖3 揭煤設計防突流程

3 深部瓦斯治理面臨的問題

3.1 深部瓦斯隧道瓦斯災害威脅巨大

隨著瓦斯隧道埋深的增加，需要揭穿的煤系地層瓦斯賦存條件更加復雜。瓦斯參數（瓦斯壓力和瓦斯含量）、地應力和瓦斯涌出量不斷增大，造成瓦斯災害嚴重。一方面，工區的瓦斯等級提升，由低瓦斯轉變成高瓦斯或高瓦斯轉變成突出工區。與淺層瓦斯為主的突出不同，深部是應力為主的突出、巖爆和煤與瓦斯突出復合動力災害，突出強度增加，誘導突出的原因復雜。另一方面，深部的煤系地層的滲透率一般比較差，抽采和排放時間較長。

3.2 深部煤系地層瓦斯滲流理論不完善

煤巖層的孔隙結構復雜且不均一，瓦斯在煤體中的流動基本上不符合達西定律。而目前的研究手段局限在數值分析及數值模擬，缺乏大量的物理模擬及現場工程試驗數據支撐。瓦斯滲流理論研究進展緩慢，且煤層氣資源評估、煤層瓦斯涌出量預測方法、煤層氣產能預估等仍然多依靠經驗公式，結果與真實情況差別偏大。

3.3 瓦斯防治關鍵技術問題尚未有效突破

西南山區隧道圍巖較破碎，巖性變化頻繁。抽排鉆孔在軟硬巖交替處或破碎段施工時會產生偏移，實際施工的鉆孔終孔位置和設計位置偏差較大，甚至達到10-20m。故瓦斯富集區域很難實現均勻布孔。鉆孔間距較大的區域形成空白帶，間距較小的區域又會產生穿孔，影響瓦斯抽采效果，無法短時間內達到消除煤與瓦斯突出的目的。隧道瓦斯治理技術起步較晚，很多技術參數都是參考煤礦系統，各類技術的實用性還有待商榷。

4 深部隧道瓦斯治理的對策

4.1 瓦斯滲流理論研究

4.1.1 增透理論研究。對低透氣性煤層深入開展氣液固多場多相耦合作用下水力化措施，松動爆破，CO2相變致裂等增透機理及滲透規律試驗研究，積極探索低滲松軟煤層的機械造穴、微波及可控沖擊波、氣潤濕反轉等增透技術原理及適用條件，匹配不同地質條件，不同變質程度煤層的技術適用性。

4.1.2 大斷面巷道松動圈的范圍。鐵路隧道跟煤礦巷道比較具有斷面大的特點，有必要開展大斷面條件下的巷道松動圈的范圍研究，為瓦斯抽采鉆孔的封孔參數提高科學依據。

4.1.3 深部隧道掌子面自卸壓范圍。根據巖石力學采動卸壓理論可知，掌子面會在工作面前方形成卸壓區、應力集中區和原始應力區。其中，卸壓區內各類裂隙均較發育，因而滲透性比較好；靠近卸壓區的部分應力集中區煤體同樣受到采動應力破壞而產生損傷裂隙，使得透氣性顯著增加，鉆孔施工到這些區域瓦斯抽采效果較好。

4.2 加強關鍵技術及裝備研發

研發瓦斯抽采鉆孔的保直防斜技術及裝備，解決打鉆過程中出現的偏斜問題，改善鉆孔的成孔質量，提高瓦斯抽采的效果。研發瓦斯含量、瓦斯壓力精準測試技術及裝備，精確獲得煤系地層真實瓦斯含量和壓力，通過井下物探、鉆探或工程揭露等手段，精準掌握煤層地質構造特征及其展布。研發封孔與漏氣處置一體化的鉆孔封孔技術及裝備，開發能與隧道抽采監測系統聯網的抽采鉆孔封孔質量檢測儀，實現封孔質量在線監測，提高煤層鉆孔瓦斯抽采效果，消除煤層的煤與瓦斯突出危險性。

5 結束語

隨著隧道工程多次穿越煤系地層，瓦斯災害已逐漸發展為瓦斯隧道施工建設過程中重大地質災害之一。鐵路系統目前可執行的規范僅有《鐵路瓦斯隧道技術規范》，因此，為減少和防止隧道建設過程中瓦斯災害的發生，我們仍需在地質構造的精準探測，瓦斯技術參數的測試，低透氣性煤系地層的卸壓增透，瓦斯抽采鉆孔參數優化等方面加強理論、實驗室及現場實測研究。