淺談水工隧洞煤與瓦斯突出防治方法

【摘要】水工隧洞煤與瓦斯突出的防治方法，應根據具體的工程特點合理安排施工，滿足工程實體質量的需要，文中以具體的工程實例為基礎，論述了防止方法的可行性和實用性。

【關鍵詞】隧洞；煤；瓦斯；突出；防治方法

通過在重慶市忠縣白石水庫擴建工程總干渠4#隧洞工程的具體施工管理，對水工隧洞煤與瓦斯突出有了一定的了解，根據本工程的施工特點并結合水利工程的相關理論知識，就水工隧洞如何防治煤與瓦斯突出談一點體會。

1.工程概況

此隧洞地處重慶市忠縣巴營山脈，進口位于白石鎮華富村陳家溝騎龍嘴，出口位于忠州鎮松柏村下韓家溝，全長7238米，只有進、出口兩個施工作業面，無施工支洞。設計隧洞斷面為城門型（直墻半園拱），開挖斷面尺寸為：洞寬3.4米，洞高3.45米，直墻高1.75米，半園拱半徑1.7米，設計斷面面積10.49平方米，4#隧洞經對總干渠4#隧洞就按照瓦斯隧洞施工要求，重慶煤炭科學研究院瓦斯專家現場勘察確定4#隧洞為高瓦斯隧洞。

2.瓦斯概述

瓦斯的成份比較復雜，其主要成份是甲烷（CH4，俗稱沼氣），占80%～90%以上，另外還含有其它烴類及CO2和稀有氣體。沼氣無色、無味、無毒，比空氣輕，難溶于水，遇火即燃燒或爆炸。瓦斯主要是以游離狀態和吸附狀態存在于煤、巖體中。瓦斯的游離狀態和吸附狀態是在一定溫度和壓力條件下的動平衡，當壓力升高或溫度降低時，一部分瓦斯將由游離狀態轉化為吸附狀態，即吸附；反之，如果壓力降低或溫度升高時，一部分瓦斯就由吸附狀態轉化為游離狀態，即解吸。而當隧洞施工揭穿吸附有瓦斯的巖層時，巖層中的吸附瓦斯就會大量解吸為游離瓦斯。

3.煤與瓦斯突出的原因和特征

3.1突出原因和后果

煤與瓦斯突出是施工過程中發生的一種煤與瓦斯的突然運動現象。飽含瓦斯的煤層或地質構造，在地質構造力、地層靜壓力的綜合作用下，積蓄了一定的彈性潛能，處于彈性變形狀態，然而，由于隧洞施工，必然引起平衡狀態的煤與瓦斯壓力體系遭到破壞，彈性潛能和游離瓦斯突然釋放，煤、巖層內裂隙迅速增加，吸附瓦斯在瞬間大量解吸，煤、巖體進一步破壞，瓦斯壓力迅速上升，瓦斯將大量涌向隧洞空間，當瓦斯壓力大于煤（巖）壁的強度，高壓瓦斯就能沖破煤（巖）壁，攜帶著破碎了的煤、巖以極快的速度噴向隧洞空間，在氣流運動過程中，煤、巖進一步粉碎形成大量粉狀煤、巖，含有細粒煤、巖的氣流產生的動力沖擊作用，能破壞隧洞內的設備和設施，噴出的瓦斯能充滿隧洞，造成人員窒息，引起瓦斯燃燒或爆炸。危機施工安全，增大施工難度，且嚴重影響施工工期。

3.2煤與瓦斯突出的基本特征

煤與瓦斯突出按動力現象分為突出、壓出和傾出三種，突出的動力現象明顯，突出的煤向外拋出的距離較遠，且破碎程度較好，破壞性尤為嚴重，瓦斯涌出量遠遠超過突出煤的瓦斯含量，壓出的動力現象較明顯，壓出的煤位移和距離較小，且呈塊狀，瓦斯涌出量增大；傾出無明顯動力現象，傾出的煤就地按自然安息角堆積，瓦斯涌出量明顯增加。

4.隧洞穿越有突出危險瓦斯巖層的防治措施

4.1鉆屑瓦斯解吸指標法預測煤層突出危險性

當隧洞施工接近突出危險吸附瓦斯巖層10m（垂距）以前，打兩個穿透煤層全厚且進入煤層頂（底）板≥0.5m的前探鉆孔，進一步探明煤層的賦存狀態（煤層傾角、厚度）和瓦斯情況，同時起到加速排放瓦斯的作用，在距煤層5m（垂距）時，至少打兩個直徑50～70mm的預測鉆孔。在預測鉆孔進煤層時，用孔徑1mm和3mm的篩子篩分鉆屑，用MD-2型解吸儀測定解吸指標△h2（Pa），用ATY型突出預測儀測定瓦斯解吸指標K1，當實測任一解吸指標大于表1中的突出危險臨界值時，則預測為突出危險煤層，反之無突出危險。

4.2隧洞穿越有突出危險煤層的施工

在隧洞施工中，當隧洞穿越有突出危險煤層時，常采用抽放瓦斯或排放瓦斯的防治措施，但執行這些措施的時間均較長（>3個月），而水工隧洞施工往往工期較緊，因此，結合水工隧洞的施工手段及工期需要，采取超前管棚與震動放炮的方法穿越有突出危險的煤層。

4.2.1超前管棚的架設

當隧洞巖石工作面距煤層2m（垂距）時，沿隧洞頂部和兩側邊墻布置超前管棚，管棚間距0.2～0.4m（圍巖破碎時取小值），使泥漿對井壁及裂隙的影響盡量減小，以提高滲透力，增大出水量。

4.2.2震動放炮

震動放炮的炮眼布置按光面爆破要求，炮眼數量為通常放炮的2～3倍，煤眼、巖眼交錯布置，也就是煤眼穿透煤層，巖眼不得打入煤層。如果巖眼打入煤層，必須在巖眼底部充填0.2m炮泥，打穿煤層的炮眼都在炸藥與封泥間裝1～2個水炮泥，封泥密實地裝至孔口。震動放炮的單位耗藥量為正常施工時的1.5～2倍。采用電毫秒雷管，一次性全斷面揭穿或揭開煤層，若煤層傾角較緩，采用臺階法施工，但必須保證隧洞工作面距煤層的巖柱厚度≥2m，然后采用震動放炮一次性全斷面揭穿或揭開煤層。

4.2.3適用條件和特點

超前管棚的架設可有效地控制動壓對圍巖的破壞，震動放炮一次性揭穿或揭開煤層，避免了大量瓦斯突然涌出造成的安全危害，并極大地縮短了隧洞穿越煤層的施工時間。這種方法適用于具有壓出特征的煤層。對于具有突出特征的煤層，要與抽放瓦斯或排放瓦斯的措施相結合。管棚穿透煤層進入頂（底）板0.5m，管棚直徑≥50mm，并通過管棚向煤層和圍巖注漿，超前管棚與鋼拱架配套施工，超前管棚架設在鋼拱架上。

4.2.4施工中的要點

（1）超前管棚起支撐、穩固圍巖的作用，架設必須牢固。

（2）震動炮眼的布置要嚴格按設計要求施工，裝藥結構要合理，達到一次性揭穿或揭開煤層的目的。

（3）施工中要加強瓦斯的檢查，發現異常，必須采取措施，嚴禁超限作業。

（4）必須打前探鉆孔，避免施工中誤穿煤層，超前探鉆孔超前距≥2m。

5.隧洞穿越無突出危險煤層的施工

隧洞穿越無突出危險煤層時，由于煤層中吸附瓦斯大量解吸，涌向隧洞空間，所以，當隧洞施工至煤層2m（垂距）時，仍然采用震動放炮一次性揭穿或揭開煤層，以免施工中瓦斯涌出量突然增大而造成安全危害。

6.瓦斯防范

6.1按隧洞的最大瓦斯突出量供給足夠的風量，根據隧洞施工的最大長度選擇風機和風筒，保證足夠的風量達到工作面。

6.2在隧洞施工過程中，要加強瓦斯監測，建立瓦斯監測制度，必須進行日常的瓦斯檢查工作，回風流中瓦斯濃度必須≤1%。若發現異常，應及時采取措施。

6.3隧洞內的電氣設備（包括電機車、裝巖機、電線電纜、開關、照明、接線盒、放炮器等所有施工用機電設備）全部使用防爆型設備且安設風電閉鎖（停風停電）和瓦斯電閉鎖（瓦斯超限停電）裝置。工人照明用燈也要使用煤礦專用礦燈

6.4風流中安設瓦斯自動報警檢測斷電裝置，斷回風流中的電器設備。

6.5工作面掘進必須要先探后掘，超前探孔應不小于30-50米，以探明前方的瓦斯，硫化氫、地下水和地質構造等情況。

7.結論

煤與瓦斯突出是地壓、瓦斯、煤、巖體的物理機械性和重力綜合作用的結果，是十分復雜的動力現象。水工隧洞施工中，如何安全、有效地防治煤與瓦斯突出是值得研究的課題。超前管棚與震動放炮施工穿越動力現象不十分明顯的有突出危險煤層，效果是比較好的（依照礦山石門穿煤層的施工經驗和方法）。同時，對施工工期十分有利，而且避免了瓦斯涌出量突然變化給隧洞施工帶來的安全危害。