某水電站地下廊道瓦斯涌出量預測研究

李永沖，崔曉立

（1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院，四川成都610091；2.四川省康泰安全評價咨詢有限責任公司，四川成都610091）

1 概述

某水電站位于西藏自治區山南地區，是雅魯藏布江干流中游規劃設計的梯級電站。水電站樞紐工程主要建筑物由混凝土溢流壩段、廠房擋水壩段、沖砂底孔壩段及河床式廠房等建筑物組成，水庫總庫容0.3×108m3，電站裝機容量360MW。壩體內布置了基礎灌漿廊道、壩基排水廊道等結構，同時兼顧壩內交通和原型觀測。根據設計要求，在大壩廊道不同位置設置傾斜、鉛直、垂直等不同類型的排水孔，深入基巖5～17m不等。

壩址區位于雅魯藏布江縫合帶內，距雅魯藏布江北界斷裂較近，經過前期地表測繪、調查、鉆孔和平硐揭示，壩區內未見較大規模的斷裂構造發育，主要構造形跡為節理裂隙和少量小斷層。大壩地層主要為郎杰學群的姐德秀組第一段T3j1的硅質板巖、變質砂巖及炭質板巖，第四系沉積物主要為沖積（Q3～4al）、洪積（Q3pl）、崩坡積（Q4col+dl）等。

大壩灌漿廊道和排水廊道等基礎廊道通過灌漿孔及排水孔與其下部的基巖地層聯系，電站廊道在建設和運營期，受揭露地層影響，來自于河床基巖的有毒有害氣體（主要為瓦斯）將涌向壩體廊道，嚴重威脅著水電站施工及運營的安全，因此需進行專門的研究。

2 瓦斯參數獲取及排水孔調查統計

為準確獲取水電站地層炭質板巖瓦斯參數，對排水孔排出氣體進行采樣檢測，采集廊道底部基巖巖芯，測定其瓦斯含量并對其進行碳含量測測定。同時，通過統計調查方法，對排水孔瓦斯排放情況進行了仔細的調查。

2.1 瓦斯參數測定

2.1.1 廊道鉆孔氣體檢測

施工單位在廠房壩段、溢流壩段灌漿廊道進行帷幕灌漿施工過程中，孔內有不明氣體涌出。研究人員前后分兩次，共采集氣體樣品6份送實驗室檢測，甲烷體積含量為6.34%～16.46%，硫化氫為0～0.11ppm。鉆孔內涌出有毒有害氣體主要為甲烷。

2.1.2 瓦斯含量測定

依據《頁巖含氣量測定方法》（SY/T 6940-2013），頁巖含氣量指單位質量頁巖中所含天然氣折算到0℃，101.325kPa 時的體積，按測量過程分為解吸氣、殘余氣、損失氣，頁巖含氣量為三者之和。水電站壩址區地層主要為炭質板巖，未發現煤層，瓦斯含量測定方法參照《頁巖含氣量測定方法》進行測定。研究人員根據前期調查及鉆孔涌出氣體情況，選取氣體涌出豐富鉆孔巖樣4 份，經現場及實驗室測試，平均瓦斯含量為0.036m3/t，最大瓦斯含量為0.06m3/t。

2.1.3 工業分析

本次采集炭質板巖采用煤質工業分析方法進行測試分析，以測定其水分、灰分、揮發分、固定碳含量。研究人員選擇氣體涌出量大、顏色深的巖樣1份進行實驗室分析，其中水分Mad=0.21%，灰分Ad=94.69%，揮發分Vd=3.65%，固定碳FCd=1.45%。

2.2 廊道排水孔瓦斯排放調查

為了掌握大壩廊道各灌漿孔、排水孔瓦斯氣體涌出狀況，研究人員對廊道灌漿孔、排水孔瓦斯氣體涌出情況進行了詳細的調查與統計分析，大壩瓦斯涌出情況整體呈現如下的規律。

（1）不同壩段氣體涌出存在差異性。灌漿廊道標高最低部位氣體涌出量大，向標高增大方向（左、右）氣體涌出逐漸減弱。

（2）隨排水孔深度加大，氣體涌出量增加。隨排水孔深度加大，氣體涌出量有增大趨勢。

（3）水位高氣體涌出量大。排水孔水位（相對各孔的孔口）高，氣體涌出量相對較大，排水孔水位（相對各孔的孔口）低，氣體涌出量相對較少。

研究人員對水電站排水孔氣體涌出情況進行調查、統計分析，根據排水孔涌出氣體解析量及涌出氣體的瓦斯濃度，將排水孔定性劃分為三類。第一類排水孔氣體股狀涌出，間隔時間30～40s，排氣量為現場實測值；第二類排水孔氣體微弱小氣泡涌出或零星氣泡涌出，排氣量取第一類的70%；第三類排水孔沒有明顯氣體涌出，排氣量取第一類的40%。根據設計資料及現場統計，第一類排水孔1443m，第二類排水孔1732m，第三類排水孔201m，合計3376m。

3 瓦斯涌出量預測

3.1 基于分源法瓦斯涌出預測

煤礦掘進工作面瓦斯涌出來源包括兩部份，一是暴露煤壁涌出瓦斯，二是破落煤塊涌出瓦斯。大壩廊道灌漿孔、排水孔施工過程中瓦斯涌出類似煤礦掘進工作面，瓦斯涌出量包括排水孔揭露巖壁涌出瓦斯及排水孔鉆出巖芯涌出瓦斯，運營過程中廊道排水孔涌出瓦斯只有排水孔揭露巖壁涌出瓦斯[1]。

式中：Q排——排水孔絕對瓦斯涌出量，m3/min；

D——排水孔斷面內暴露巖壁面周邊長度，m；

V——排水孔平均掘進速度（或使用排水孔深度），m/min；

L——排水孔深度，m；

q0——排水孔巖壁瓦斯涌出初速度，m3/（m2·min）；q0=0.026[0.0004×(Vr)2+0.16]×W0

式中：Vr——排水孔揭露巖層（炭質板巖）揮發份，%；

W0——排水孔揭露巖層（炭質板巖）瓦斯含量，m3/t。

根據選取的4 個廊道排水孔巖樣瓦斯含量解析數據，運營期間廊道瓦斯涌出量預測結果如表1所示，廊道平均絕對瓦斯含量為0.16m3/min，最大絕對瓦斯含量為0.27m3/min。參照《公路瓦斯隧道技術規程》（DB51/T2243-2016）、《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2019），水電站廊道瓦斯等級為微瓦斯。

表1 運營期間廊道瓦斯涌出量預測結果表

3.2 基于統計法瓦斯涌出預測

3.2.1 預測方法

根據前期對瓦斯來源的調查與分析，大壩廊道瓦斯主要由壩體炭質板巖通過排水孔涌入。通過測定廊道所有排水孔瓦斯涌出量，即可計算廊道內總的瓦斯涌出量。基于此，采用排水法原理，研究人員自行設計、加工了水氣分離裝置，并利用實驗室自行加工的氣體測量裝置，對排水孔瓦斯涌出量進行了準確的測定。

為準確測定排水孔瓦斯涌出量及瓦斯涌出趨勢變化，選擇氣體涌出量大、鉆孔深、分布范圍具有代表性的鉆孔進行測定。研究人員于2019.11.19～22 對水電站廊道10-3、6-7、11-1、9-6、左排水廊道15#排水孔進行了現場瓦斯涌出量測定，并以此作為計算廊道瓦斯涌出量的基礎。

3.2.2 預測結果

根據選取的5個廊道排水孔平均瓦斯涌出量、平均瓦斯濃度、排水孔入巖深度等計算，廊道正常/最大瓦斯涌出量如表2 所示。廊道平均絕對瓦斯含量為3.64×10-4m3/min，最大絕對瓦斯含量為1.37×10-3m3/min。參照《公路瓦斯隧道技術規程》（DB51/T2243-2016）、《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2019），水電站廊道瓦斯等級為微瓦斯。

表2 廊道正常/最大瓦斯涌出量估算

4 瓦斯來源分析及防治措施

4.1 瓦斯來源分析

水電站壩基圍巖地層主要為炭質板巖，炭質板巖的原巖為炭質泥巖，炭質泥巖沉積時通常含較豐富的植物遺體，在成巖過程中發生生物化學變化，生成CH4、CO2等氣體，在后期的變質過程中，發生物理化學變化，生成以CH4為主的氣態烴，由于埋藏深度大，氣體不宜散失，儲存于炭質板巖、硅質板巖、變質砂巖等孔隙、裂隙中。水電站壩基圍巖地層中的炭質板巖、硅質板巖中的炭質充填物、變質砂巖中的炭質膠結物都具有生烴的能力，是大壩廊道瓦斯的主要來源。

4.2 瓦斯防治措施建議

施工期間瓦斯防治措施：①通風措施。電站地下廊道多，布置錯綜復雜，對外的洞口較少，施工期間通風系統復雜。施工過程中，應確保建立穩定可靠的通風系統，并由專人進行管理[2]。②人工瓦斯監測監控。建立專職人工瓦斯監測監控隊伍，對廊道內不同位置進行瓦斯監測，特別加強對動火作業及盲巷內作業的瓦斯監測。

運營期間瓦斯防治措施：①安全監控系統。設置安全監控系統，廊道內通風系統與甲烷、硫化氫傳感器進行聯鎖運行，當甲烷、硫化氫傳感器監測到相應氣體濃度超過其閾值時，系統自動啟動風機進行通風作業。②通風設計。廊道通風采用機械式通風，自動監控系統與通風機聯鎖，在瓦斯濃度未超標情況下，設置合理的通風時間與間隔進行定期通風，當任意一個瓦斯監控傳感器達到0.3%，啟動所有風機排放瓦斯。③其他安全措施。運營期間，對廊道內安全監控系統、通風系統進行定期檢查，作業人員進入廊道前先通風，同時攜帶檢測報警儀，一旦發現報警停止前行并立即退出[3-4]。

5 結論與建議

①通過采用不同方法對電站廊道瓦斯進行預測，瓦斯涌出量最大為0.27m3/min，根據相關規范要求，大壩廊道瓦斯等級為微瓦斯區；②瓦斯涌出量雖然不大，但廊道中仍可能出現風流瓦斯超限或局部瓦斯積聚，將對安全施工和營運構成威脅，建議廊道在施工和運營過程中，須嚴格按照瓦斯防治措施進行管理。③通過對大壩廊道進行瓦斯涌出量預測及瓦斯來源分析，提出相應的瓦斯防治措施，有效降低廊道在施工及運營期間瓦斯爆炸風險。雖瓦斯災害在煤礦行業研究較為深入，但在國內外水電行業，瓦斯研究涉及較少，本文研究內容可以為水電站廊道瓦斯防治提供參考借鑒。