超前鉆探預測預報技術在高瓦斯隧道中的應用

李方元

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司 成都 610041）

超前鉆探預測預報技術在高瓦斯隧道中的應用

李方元

（四川公路橋梁建設集團有限公司勘察設計分公司 成都 610041）

近年來高速公路施工過程中瓦斯爆炸事故時有發生，本文以宜賓至敘永高速公路項目都良高瓦斯隧道成功穿越煤系地層為例，分析整理了該隧道施工過程中超前地質預報的工作方法和內容，著重對超前鉆孔進行了闡述，指出采用多種技術方法進行綜合超前地質預報的重要性。

超前鉆探預測預報技術；高瓦斯隧道；應用

近年來我國西部地區的瓦斯隧道數量越來越多，由于煤層與瓦斯的復雜性，勘察期間不可能完全查明，存在一定的誤差，隧道開挖過程中經常會由于掘進前方瓦斯賦存情況不清楚，而造成瓦斯時常超限或者異常涌出的現象，對正常生產造成影響，嚴重時還會由于瓦斯突出而出現設備損壞、人員傷亡等重特大事故。因此施工期間通過預測、預報進一步評定瓦斯等級、調整施工組織是確保施工安全的關鍵。

1 工程概況

宜賓至敘永高速公路項目（以下簡稱宜敘高速）是省“十二五”期間規劃建設的高速公路，是宜賓經瀘州敘永、古藺至貴州習水，是進出川高速公路通道的組成部分，是四川省重要的出川通道。宜敘高速主線起點為宜賓市翠屏區牟平鎮綏慶村，途徑宜賓市翠屏區、長寧縣、興文縣，止于瀘州市敘永縣雙橋鄉，接納黔高速公路。

都良隧道進口位于興文縣古宋鎮都良村一組，距離興文縣城約 3km，隧道全長1228m，進口樁號K76+090，設計高程362.74m，出口樁號K77+318，設計高程388.96m，為“一”字形縱坡，設計縱坡2.5%，最大埋深261m左右，屬于長隧道，是宜敘高速地質條件最復雜的高風險高瓦斯隧道。隧道采用雙車道，設計行車速度80km/h，凈高5.0m，主洞建筑限界凈寬10.0m。

都良隧道位于珙長背斜南東端的北東翼，穿越二疊系長興組、龍潭組和三迭系下統飛仙關組。其中龍潭組為含煤地層，二疊系上統龍潭組含11層煤及煤線，其中主要有C11和C12兩層可采煤層，其煤層厚度分別為1.6m～2.2m及0.6m～0.8m，其余煤線一般10cm～20cm。相關單位對都良隧道進行了瓦斯氣體專項研究，根據隧道巖性特征和含煤情況，綜合判定隧道K76+090～K76+413進口段為非瓦斯工區；隧道K76+413～K76+645段為高瓦斯工區；隧道K76+645～K77+318出口段為低瓦斯工區。

2 瓦斯超前預報的依據和必要性

在煤系地層中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃燒以及粉塵爆炸等地質災害是隧道建設主要應防止發生的地質災害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根據相關單位進行的瓦斯氣體專項研究，都良隧道在里程 K76+413～K76+645 段穿越龍潭組含煤地層，含煤段長232m；段內煤層層數較多，主要有C11和C12兩層煤具有瓦斯突出風險，隧道洞身煤層瓦斯壓力0.60MPa，瓦斯含量約32.38m3/t，煤層瓦斯涌出量估算為2.32m3/min，隧道綜合判定為高瓦斯隧道。

同時經多次地表調查（及對煤礦的調查）及走訪當地群眾，都良隧道附近采煤規模相對較大的主要煤礦有德海煤礦（老煤礦），興文縣大田灣煤礦、興文縣建設煤礦，此三個煤礦均為煤與瓦斯突出礦井，并曾經發生過煤與瓦斯突出事故，均造成嚴重后果。

綜上所訴，從理論和實例出發，按照規程、規范判定標準，都良隧道為高瓦斯隧道。在隧道通過煤系地層施工過程中，應按《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2002 J160-2002）和《煤礦安全規程》等進行瓦斯超前預報預測工作，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發生事故。

3 瓦斯超前預報預測簡述

為探明掌子面前方的地質情況、煤層位置及產狀、瓦斯賦存等，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發生事故，需以地質調查法為基礎（洞內地質素描），以超前鉆探法為主，結合多種物探手段進行瓦斯超前預報。

在具有煤(巖)與瓦斯突出危險地層中開挖施工時，應及時進行隧道地質素描，加強地質預測預報工作。穿越低瓦斯地層地段可采用超前鉆孔進行探測，穿越高瓦斯、突出地層地段必須采用超前鉆孔進行探測。

過煤系地層隧道超前地質預報應在地質分析和物探預測的基礎上，結合臨近煤層的超前鉆探手段，準確查明前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發育情況，煤層分布、厚度、傾角及走向探測，煤的破壞類型等，當采用物探方法預報煤層及采空區時，可同時采用地質雷達、TSP等物探方法，長短結合，綜合評判。

開挖工作面距離煤層較遠時，可采用物探初步判斷前方150m范圍內可能存在的較大煤層異常情況及巖體的完整狀況；臨近煤層30m以內時，煤層瓦斯預測預報應以超前鉆孔為主。

進行突出危險性預測時，超前鉆孔設計應在距煤層10～20m（垂距）處的開挖工作面布置1個超前鉆孔、初探煤層位置；在距初探煤層10m（垂距）處的開挖工作面上布置 3～5個超前鉆孔，分別探測開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置，并采取煤樣和氣樣進行物理、化學分析和煤層瓦斯參數測定，在施工現場進行瓦斯含量、涌出量、壓力等測試工作；按各孔見煤、出煤點計算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系，分析煤層頂、底板巖性。

每個鉆孔深度不宜小于50m，鉆孔終孔點超出隧道開挖輪廓線5m以上，前后兩循環鉆孔搭接長度為5m以上。在鉆孔過程中出現頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現象時，應視該開挖工作面為突出危險工作面。

4 超前鉆探技術在都良隧道工程中的應用

超前鉆探是在開挖階段進行鉆探以查明掘進方向的地質條件, 不但能直接探明掌子面前方斷層破碎帶、軟巖、巖溶陷落柱等不良地質體的性質、位置和規模, 還能準確預測煤層參數、瓦斯參數和巖溶 (裂隙) 水參數, 并且對于煤巖體瓦斯和巖溶 (裂隙 )水具有預排放作用, 保障開挖過程生產安全。針對本隧道為高瓦斯隧道，高瓦斯工區和低瓦斯工區均采用超前鉆孔對瓦斯進行測試和預報，超前鉆孔同時兼作超前地質探孔。

鉆孔布置分為兩個段落，其中高瓦斯工區左右洞分別進行了9個循環超前鉆孔探測，超前鉆孔在上臺階呈三角形布設 3個，鉆孔直徑 65mm，每個鉆孔深度50m，其中拱頂鉆孔為水平鉆孔，上臺階拱腳處兩鉆孔為傾斜鉆孔，傾斜鉆孔終孔點超出隧道開挖輪廓線 5m，前后兩循環鉆孔搭接長度為 5m。打鉆過程中多數鉆孔均有承壓瓦斯，共有8個鉆孔發生夾鉆、頂鉆和噴孔現象，相應增加防突措施孔24個，每個鉆孔直徑65mm，深度30m。

出口段低瓦斯工區考慮到受下覆煤系地層影響，瓦斯可能沿巖層節理裂隙逸散至隧道，左右洞分別進行了15個循環超前鉆孔探測，在上臺階中下部布置1個鉆孔，鉆孔直徑65mm，長度50m，搭接5m，主要做為超前地質探孔，同時對前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量進行測定。

都良隧道左右洞共施工鉆孔108個，鉆孔總長度4920m，其中瓦斯超前預測鉆孔84個，鉆孔總長度4200m；防突措施孔24個，鉆孔總長度720m。每一個超前鉆孔施工完成后對前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數進行測定，并計算在隧道開挖過程中瓦斯涌出量，根據瓦斯涌出量核定施工工區的瓦斯等級，同時預測施工前方可能出現異常瓦斯涌出情況或判斷是否存在煤與瓦斯突出的可能性。測試結果：瓦斯壓力0～0.58MPa；瓦斯流量0～0.12 m3/min；流量衰減系數0～0.05；鉆孔瓦斯濃度除穿煤鉆孔能達到10%以上，其余大部分鉆孔孔內瓦斯濃度均在6%以下。鉆孔施工完成后，24h后多數承壓鉆孔瓦斯壓力下降至0.1 MPa。

通過超前鉆探預測預報技術，不但能準確預報掌子面前方煤巖體的地質情況、有效測定煤層瓦斯壓力和瓦斯含量等參數，還能排泄煤層中的承壓瓦斯，降低煤層瓦斯壓力，極大地提高了瓦斯隧道的施工效率，為隧道安全施工創造了良好條件。

5 結語

綜上所述，瓦斯隧道工程設計應結合煤層瓦斯段圍巖地質條件，提出施工中的瓦斯超前預報預測的相關內容與要求。瓦斯隧道超前預報應采用綜合預報方法，以地質分析為基礎，輔以物探手段，最終采用超前鉆探和瓦斯檢測加以驗證。隨著近年來施工工藝及相關技術的革新，鉆探機具各方面性能均得到了提升，當前實際探測及預測工作中也開始大范圍應用超前鉆探預測技術，在實踐及工程總結過程中，超前鉆探預測預報技術在未來的隧道施工中必定會發揮出更大的作用。

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1007-6344（2016）03-0066-01

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