煤與瓦斯突出隧道穿越采空區(qū)緩傾煤層揭煤防突關(guān)鍵技術(shù)研究

曾妙林 ZENG Miao-lin

（中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司，柳州 545007）

1 項(xiàng)目背景及工程概況

貴州省某高速公路建林巖隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，總長(zhǎng)約3900m。隧道襯砌內(nèi)輪廓采用三心圓，內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)高程距拱頂高度5m，凈寬10.75m。隧道施工為進(jìn)、出口兩端開挖掘進(jìn)，設(shè)計(jì)出口端穿過鑫源煤礦屬煤與瓦斯突出工區(qū)。通過設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)資料綜合分析，建林巖隧道（左幅ZK9+595～ZK9+795/右幅YK9+610～YK9+810 段）穿越鑫源煤礦煤系地層，共穿過三層煤（C6、C5、C1），穿煤段瓦斯含量高、瓦斯壓力大，存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。建林巖隧道瓦斯段左幅縱斷面圖如圖1 所示。

圖1 建林巖隧道瓦斯段左幅縱斷面圖

2 揭煤防突系統(tǒng)準(zhǔn)備

2.1 監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)

建立了瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)+人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采用KJ73X 型瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)迎頭瓦斯、一氧化碳、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，重要通風(fēng)設(shè)備的開停狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電閉鎖和瓦電閉鎖功能。

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

通風(fēng)是瓦斯治理的重要手段，高瓦斯及煤與瓦斯突出隧道須配備雙風(fēng)機(jī)雙電源，風(fēng)機(jī)供電實(shí)現(xiàn)“三?！惫╇姡磳Ｓ米儔浩?、專用開關(guān)、專用線路）。

2.3 供電系統(tǒng)

隧道洞口地面設(shè)置3 臺(tái)箱式變壓器，其中1 臺(tái)變壓器為兩隧道（左、右線）的通風(fēng)機(jī)專用供電；1 臺(tái)變壓器（KS11礦用一般型、中性點(diǎn)不接地）負(fù)責(zé)隧道洞內(nèi)動(dòng)力、照明等設(shè)備的供電；1 臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)地面壓風(fēng)、照明及地面的其他負(fù)荷；另各配備1 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，主要是保證隧道主（備）用風(fēng)機(jī)的供電，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”，同時(shí)進(jìn)入隧道的動(dòng)力供電實(shí)現(xiàn)“瓦斯電閉鎖”“風(fēng)電閉鎖”的閉鎖控制，以保證瓦斯隧道的安全施工。

2.4 作業(yè)設(shè)備改裝

隧道內(nèi)施工的電氣設(shè)備與作業(yè)機(jī)械均使用防爆型，固定設(shè)備：電力線路、襯砌臺(tái)車，照明燈具，開關(guān)設(shè)備、射流風(fēng)機(jī)、洞內(nèi)掌子面抽水機(jī)等。行走作業(yè)機(jī)械：出碴車輛、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、小型車輛、混凝土罐車、輸送泵等移動(dòng)設(shè)備全部進(jìn)行防爆改裝。

3 揭煤綜合防突技術(shù)措施

對(duì)具有突出危險(xiǎn)性的煤層，揭煤時(shí)采用兩個(gè)“四位一體”綜合防突技術(shù)措施。即區(qū)域綜合防突措施，局部綜合防突措施。

3.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)目的主要是通過物探、鉆探等手段，探測(cè)掌子面前方、周圍的地質(zhì)情況，力圖在施工前掌握前方、周邊的巖土體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)，以及地下水、瓦斯等的賦存情況。主洞超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是在結(jié)合綜合物探工作基礎(chǔ)上，施作3 個(gè)地質(zhì)超前鉆孔予以驗(yàn)證。當(dāng)綜合物探有異常時(shí)，則施作5 個(gè)鉆孔，超前鉆孔直徑為?89，鉆孔與煤層頂板（底板）交點(diǎn)應(yīng)控制在襯砌開挖輪廓線外10m 范圍內(nèi)，保證正洞開挖在遇到煤層前20m 外了解煤層的大概位置。鉆孔過程中現(xiàn)場(chǎng)做好鉆探記錄，包括孔位置、開孔時(shí)間、終孔時(shí)間、孔深、鉆進(jìn)壓力、鉆進(jìn)速度隨鉆孔深度變化情況、孔內(nèi)有毒有害氣體、返水顏色等詳細(xì)情況，施鉆過程采用水鉆，禁止使用干鉆，必要時(shí)更換相應(yīng)取芯鉆頭對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行取芯。同時(shí)每班開挖過程中在掌子面施工5 個(gè)加深炮孔，單孔斜長(zhǎng)5m，打孔過程做好詳細(xì)記錄。

3.2 煤層探測(cè)

3.2.1 煤層初探測(cè) 在掌子面掘進(jìn)至距煤層法向距離20m 處位時(shí)，正洞上臺(tái)階位置施作5 個(gè)?89 超前鉆孔，鉆孔應(yīng)穿過煤層并進(jìn)入巖層不小于0.5m。鉆孔過程中詳細(xì)記錄各煤層的見煤點(diǎn)深度、煤層厚度、有無噴孔等異常現(xiàn)象，以初步掌握隧道掌子面與煤層間的距離，防止施工過程中誤揭煤層。該隧道屬頂板揭煤，除判別墻角煤層揭煤位置外，還應(yīng)根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)判斷煤層是否存在褶皺或斷層。

3.2.2 煤層精探測(cè)及預(yù)測(cè)探孔 為了進(jìn)一步探明隧道煤系地層的瓦斯賦存情況及地質(zhì)狀況，在掌子面掘進(jìn)至距煤層法向距離10m 處位置時(shí)，施工7 個(gè)穿透左、右洞煤層全厚的測(cè)壓及取芯鉆孔，詳細(xì)記錄巖芯資料，確定煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關(guān)系，并分析煤層頂、底板巖性，掌握并收集探孔施作過程中的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，為安全揭煤提供可靠的基礎(chǔ)資料。煤層精探測(cè)布置圖如圖2 所示。

圖2 煤層精探測(cè)布置圖

3.3 區(qū)域綜合防突措施

3.3.1 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè) 根據(jù)對(duì)現(xiàn)掌子面施工的7 個(gè)鉆孔揭露地質(zhì)資料分析，掌子面前方地層產(chǎn)狀為82°∠38°，煤（巖）層走向與隧道夾角73°，經(jīng)過換算揭露的C6和C5 煤層真視厚度為0.28m、1.22m，C6 煤層小于0.3m（沒有突出危險(xiǎn)）與C5 煤層平均間距為3.87m，間距小于5m。因此，可將隧道出口端擬揭露C6、C5 煤層作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)定預(yù)測(cè)。

①C5 煤層瓦斯壓力測(cè)試：采用直接法測(cè)定煤層瓦斯壓力，即利用施工穿層鉆孔穿透煤層，封孔后直接用壓力表測(cè)定煤層瓦斯壓力。②C5 煤層瓦斯含量測(cè)試：采用直接法測(cè)定煤層瓦斯含量，即在隧道施工鉆孔時(shí)采集煤樣進(jìn)行解吸瓦斯，根據(jù)煤樣解吸的瓦斯規(guī)律推算取樣過程煤樣的損失瓦斯量，然后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤樣的煤層殘存瓦斯含量，最后根據(jù)損失瓦斯量、現(xiàn)場(chǎng)解吸瓦斯量、實(shí)驗(yàn)室煤層殘存瓦斯含量和煤樣重量計(jì)算煤層瓦斯含量。③經(jīng)過有資質(zhì)的第三方預(yù)測(cè)單位測(cè)定本次煤層瓦斯含量最大值Wmax=11.94m3/t，大于臨界值8m3/t，瓦斯壓力最大值0.78MPa，超過臨界值0.74MPa。因此該隧道C5 煤層工作面為突出危險(xiǎn)工作面，必須對(duì)其執(zhí)行區(qū)域防突措施。

3.3.2 區(qū)域防突技術(shù)措施 區(qū)域防突措施一般采取洞內(nèi)鉆孔抽放措施，抽放鉆孔需控制到隧道安全輪廓線范圍，瓦斯抽放后進(jìn)行煤層區(qū)域檢驗(yàn)。

①抽放鉆孔準(zhǔn)備。隧道高度約10.24m，上臺(tái)階高約7.18m，下臺(tái)階高度約3.06m，首先在掌子面打設(shè)樹脂錨桿、掛塑料網(wǎng)片并噴射C25 混凝土封閉。確保掌子面及端頭噴射平整，防止端頭局部積聚瓦斯。然后回填渣土，修筑施鉆平臺(tái)及排水溝，同時(shí)下臺(tái)階設(shè)置三級(jí)沉淀池，抽放孔施工由上至下的順序進(jìn)行。

②抽放鉆孔設(shè)計(jì)。距離煤層最小法向距離10m 位置設(shè)計(jì)抽放孔，終孔需穿過煤層底板0.5m。按照規(guī)范要求抽放鉆孔控制隧道輪廓線拱頂及左、右邊墻外不小于12m、底部不小于12m（急傾斜煤層不小于6m），拱頂控制范圍的外邊緣到隧道輪廓線的最小法向距離不小于5m，抽放半徑不得大于2.0m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域防突效果檢驗(yàn)結(jié)論，進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防突措施方案動(dòng)態(tài)調(diào)整，終孔間距按2.8m×2.8m 網(wǎng)格重疊布置（杜絕終孔空白帶存在）。

實(shí)際控制范圍：左邊墻13.33m、右邊墻14.57m、上部14.61m、下部13.56m。

隧道掌子面抽放鉆孔采用上、下兩臺(tái)階布置，其中：上臺(tái)階布置14 排，即第一至四排的間排距離為0.50m（孔間距）×0.35m（排間距），第五至十四排的間排距離為0.70m（孔間距）×0.35m（排間距）。下臺(tái)階布置3 排，即第十五至十七排的間排距離為0.70m（孔間距）×0.35m（排間距）。抽放孔布置圖見圖3。

圖3 抽放孔布置圖

③瓦斯抽采量計(jì)算。按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求，區(qū)域防突措施需治理揭煤區(qū)域煤層瓦斯含量至8m3/t以下，遇地質(zhì)構(gòu)造帶，需治理揭煤區(qū)域煤層瓦斯含量至6m3/t 以下。該隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示前方無地質(zhì)構(gòu)造帶，按治理至煤層瓦斯含量8m3/t 以下進(jìn)行計(jì)算。

1）煤炭?jī)?chǔ)量計(jì)算。

式中：L—單元煤層走向長(zhǎng)度，m；1—單元抽采鉆孔控制范圍內(nèi)煤層平均傾向長(zhǎng)度，m；H1、H2—分別為單元走向方向兩端巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m。h1、h2—分別為單元傾向方向兩側(cè)巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m。R—抽采鉆孔的有效影響半徑，m；m—單元平均煤層厚度，m；酌—評(píng)價(jià)單元煤的密度，t/m3。

2）瓦斯抽采量量計(jì)算。

抽采過程中采取自動(dòng)計(jì)量裝置統(tǒng)計(jì)抽采期間的瓦斯抽采總量Q，預(yù)抽瓦斯后煤層的殘余瓦斯含量應(yīng)小于臨界指標(biāo)8m/t，為保證安全煤層殘余瓦斯含量按7.5m3/t 指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算：Q=W0G-WCYG

式中：WCY——煤的殘余瓦斯含量，7.5m3/t；W0——煤的原始瓦斯含量，11.94m3/t；Q——評(píng)價(jià)單元抽排瓦斯總量，m3；G——評(píng)價(jià)單元參與計(jì)算煤炭?jī)?chǔ)量，4306.3t。

經(jīng)計(jì)算單洞抽排瓦斯總量Q=（11.94-7.5）×4306.3=19120m3。

④排放參數(shù)測(cè)定。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百八十四條（采用干式抽采瓦斯設(shè)備時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛炔坏玫陀?5%）。本隧道設(shè)計(jì)抽采瓦斯?jié)舛葹?0%，采用水環(huán)式抽放泵，按最大抽采瓦斯純量19120m3，瓦斯抽放時(shí)間最少按20 天計(jì)算，抽采混合流量約2.21m3/min。

每天測(cè)定孔口瓦斯?jié)舛龋⒆龊猛咚古欧排_(tái)賬，分析孔口瓦斯?jié)舛人p情況，根據(jù)煤層計(jì)算的原始瓦斯含量與瓦斯抽采過程中所測(cè)定的抽采參數(shù)計(jì)算煤層的殘余瓦斯含量進(jìn)行區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。

⑤區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)。區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)設(shè)計(jì)在距離C5 煤層10m 最小法向距離處施工，鉆孔分別位于預(yù)抽區(qū)域內(nèi)的上部、下部和兩側(cè)，檢驗(yàn)孔不少于4 個(gè)。

結(jié)合《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)煤層進(jìn)行防突效果檢驗(yàn)時(shí)，按照抽放最小控制范圍進(jìn)行檢驗(yàn)，采用煤層瓦斯壓力、殘余瓦斯含量及鉆屑瓦斯解析指標(biāo)（K1值）檢驗(yàn)。

當(dāng)殘余瓦斯含量、瓦斯壓力、鉆屑瓦斯解析指標(biāo)均小于規(guī)范臨界值，且未發(fā)現(xiàn)其他異?，F(xiàn)象，判定預(yù)抽措施有效，該區(qū)域?yàn)闊o突出危險(xiǎn)區(qū)域；反之其中任何一項(xiàng)指標(biāo)大于規(guī)范臨界值，則說明預(yù)抽措施效果無效，預(yù)抽區(qū)域仍為突出危險(xiǎn)區(qū)，補(bǔ)充實(shí)施區(qū)域防突措施。

若防突效果檢驗(yàn)判定有效，則采取全洞撤人、斷電、遠(yuǎn)距離放炮措施開挖至C5 煤層最小法向距離5m 和2m 處，分別再次進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證（即對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)），效果檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)后進(jìn)行揭煤施工。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目通過對(duì)煤層地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前探測(cè)、瓦斯突出性預(yù)測(cè)，制定了有效的區(qū)域綜合防突技術(shù)措施，并通過區(qū)效果檢驗(yàn)論證了防突技術(shù)措施可行性，消除了瓦斯突出危險(xiǎn)，力保了瓦斯突出隧道的安全揭煤施工，合理的防突技術(shù)措施也極大縮短瓦斯工區(qū)的施工周期，防止瓦斯工區(qū)施工中的大量窩工、停工與資源浪費(fèi)問題，最大化地節(jié)省施工經(jīng)濟(jì)成本，并為類似的煤與瓦斯突出隧道揭煤防突施工提供借鑒和參考。