非煤系地層瓦斯隧道超前地質預報方法及特點分析

趙天彪

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000）

0 引言

瓦斯隧道分為煤系地層瓦斯隧道和非煤系地層瓦斯隧道，這種分類的根據是隧道中的瓦斯是否與煤層伴生，瓦斯與煤系伴生的是煤系地層瓦斯隧道，瓦斯未與煤層伴生的是非煤系地層瓦斯隧道。進行煤系地層瓦斯隧道的研究較多，也取得了豐碩的研究成果，形成了較全面且完善的施工技術體系。對于非煤系地層瓦斯隧道的研究也呈現出逐漸增加的趨勢[1-3]，但至今仍未形成成熟的施工技術體系，亟需加強相關方面的研究。

非煤系地層瓦斯隧道中由于瓦斯分布不具有明顯的規律，難以形成一套行之有效的預測方法，施工中極難判斷瓦斯逸出的位置和逸出的速率，一旦發生瓦斯災害事故，就會造成不可挽回的重大生命財產損失[4-5]。2005 年12 月22 日，都江堰市董家山隧道發生瓦斯爆炸事故，造成重大的傷亡，直接經濟損失超過1.5 億元[6]。2015 年2 月24 日，成都洛帶古鎮附近一座在建隧道（五洛路1 號隧道）發生瓦斯爆炸，造成多人傷亡，定為重大施工安全事故[7]。由此可知，利用各種不同的技術或者方法對非煤系地層瓦斯隧道開展超前地質預報，尤其是對隧道掌子面前方的瓦斯賦存情況以及地質工程條件進行及時有效的預測，是提前制定預防措施，避免隧道瓦斯災害發生，保證隧道安全施工的重要前提條件。

國外很早就開展瓦斯隧道超前地質預報工作，在隧道施工過程中，英國、法國、德國以及瑞士等國都將超前地質預報工作視為非常重要并且不可缺少的工序。在隧道施工過程中加強超前地質預報工作，已經成為工程技術人員和管理部門的共識。自20 世紀80年代我國引入超前地質預報方法以來，經過幾十年的不斷發展和實踐探索，取得了豐碩的理論研究成果和良好的實踐應用效果。本文調研了國內外大量非煤系地層瓦斯隧道超前地質預報方法的研究成果，對這些預報方法及特點進行綜述，以供相關技術人員參考。

1 地質分析法及特點

地質分析法是最常用、最基礎并且成本最低的超前地質預報方法。非煤系地層瓦斯隧道施工中常用的地質分析法有2 種，即地面地質調查法和掌子面地質素描法[8-9]，其特點見表1所示。

表1 常用地質分析法及其特點

1.1 地面地質調查法

在非煤系地層瓦斯隧道施工中開展超前地質預報，運用時間最早、使用頻率最高的就是地面地質調查法。地面地質調查法首先開展的是隧道區域地表地質條件的調查與分析，主要是掌握隧道區域巖體結構的特征，根據地下構造與地表構造的相關性原理，就能夠對隧道施工區域的地質條件和瓦斯有利富集區進行預測。調查的內容比較多，主要包括地層巖性、結構面的發育程度、斷裂帶的發育規模、發育位置和走向等。該方法適用性強，成本較低，但是工作難度相對較大，瓦斯預報的準確性較低，而且對于埋深大的地層以及巖性復雜的地層不適用。

1.2 掌子面地質素描法

開展掌子面地質素描工作能夠如實和準確地反映非煤系地層瓦斯隧道掌子面的地質情況。隧道開挖過程中的各個環節，需要工作人員認真、準確地描述和記錄開挖面的地質特征、信息，根據開挖以來的地質特征以及瓦斯分布的變化規律，預測前方施工區域的地質條件和瓦斯賦存情況。這種方法可以在不影響正常施工的情況下開展，不會影響施工進度，而且使用的設備簡單，非常容易操作，描述完成后可以迅速得到預測結果。但是對于描述和分析人員的技術要求較高，在構造復雜地區預測的準確性相對較低。

2 超前地質探孔與導坑法及其特點

超前地質探孔與導坑預測法具有技術要求高、投入成本大、能夠直觀觀測等特點，其特點見表2所示。

2.1 超前地質探孔法

超前地質探孔法也是非煤系地層瓦斯隧道超前地質預報中最常用的方法之一[10-11]。采用超前地質探孔，可以直接將掌子面前方的巖石取出，分析巖石是否利于瓦斯儲集，也可以采用儀器直接測量鉆孔中是否含有瓦斯。采用這種方法的主要缺點是鉆孔速度慢并且費用很高，鉆孔時無法開展施工，會影響施工的進度。另外，對于與隧道軸線平行的結構面不能預報，而結構面往往也是瓦斯運移的通道。

2.2 超前導坑法

超前導坑法在非煤系地層瓦斯隧道施工中應用相對較少[12]。根據導坑的位置可以將超前導坑法又分為超前正洞導坑法以及超前平行導坑法。超前正洞導坑法就是將導坑布置在正洞中，小導坑沿著瓦斯隧道正洞軸線進行開挖，可以探明隧道掌子面前方的地質條件。與平行導坑相比，超前正洞導坑預測的效果更好，但是施工成本比較高，還有可能對全洞進行導坑開挖，而且在地質構造相對復雜的地區預測的準確率比較低。超前平行導坑與隧道正洞平行，但是與隧道正洞相隔一定的距離，通過觀察、描述、分析超前平行導坑中已經揭露的地質情況，從而預測正洞隧道的地質條件。采用超前平行導坑法能夠非常直觀地掌握隧道正洞附近的地質情況，具有較高的探測精度以及較長的預報距離。另外，超前平行導坑開挖還能夠起到排水減壓、改善通風條件以及加大工作面等作用。

3 地球物理方法及特點

超前地質預報方法中的地球物理方法有很多類型[13-16]，能夠應用在非煤系地層瓦斯隧道中的主要是地質雷達探測法（GPR）和隧道地震波探測法（TSP），其特點見表3所示。

表3 常用地球物理方法及其特點

3.1 地質雷達探測法

地質雷達探測技術是一種光譜電磁技術，因其具有重量比較輕、操作十分簡便、屏蔽效果好、掃描速度快、分辨率高、圖像直觀等優點，在非煤系地層瓦斯隧道施工中的應用較多。該技術可以用于探測地下巖體介質的分布情況，在非煤系地層瓦斯隧道中可以結合其他手段預測瓦斯聚集的地段。

電磁波信號由地質雷達發射機發射以后，便會以較快的速度在地下巖體介質中傳播。電磁波信號在地下巖體介質傳播的過程中，如果遇到存在電性差異的地下目標體（空洞、斷裂、結構面等）時，就會發生反射。反射的電磁波信號會快速返回到地面，被提前布置好的接收天線所接收，利用專業設備就能夠對接收到的電磁波信號開展處理和分析工作。根據接收到的電磁波信號的強度、波形以及雙程走時等參數就能夠預測地下目標體的空間位置、結構特征以及幾何形態，從而實現對地下隱蔽目標物的探測。

3.2 隧道地震波探測法

隧道地震波探測法是當前超前地質預報中的一種重要方法，在非煤系地層瓦斯隧道中也得到了廣泛的應用。隧道施工過程中，施工人員會在掌子面上鉆孔，將小型炸藥放置在鉆孔中，引爆炸藥后就會產生地震波；隨后，地震波會以很快的速度在地層巖體中傳播；如果地震波在地層中遇到不同介質的分界面就會發生反射。在地層巖體中，常見的溶洞、斷裂帶以及各種復雜結構面都存在傳播介質發生變化的情況，它們也是非煤系地層中瓦斯賦存的空間以及易于運移的通道。由此可知，地震波在這些巖體介質中快速傳播時，遇到界面便會發生反射和散射，可以通過收集反射波的各種信息（頻率、振幅、波速）進行計算和推導，便可評價前方可能存在的地質條件，預測是否存在利于瓦斯富集和逸散的地質條件。

4 結束語

非煤系地層瓦斯隧道施工過程中，開展合理有效的超前地質預測預報工作，可以為施工方案的編制以及預防措施的制定提供依據。常用的超前地質預報方法主要有地質分析法、超前地質探孔與導坑法以及地球物理方法，各種方法具有不同的優點和缺點。施工中應根據非煤系地層瓦斯隧道的實際情況，選用兩種或者多種方法結合使用，提高預測預報的準確性，保障施工安全。