瓦斯隧道煤層超前鉆探及層位控制技術

何晉

中鐵十七局集團第二工程有限公司 陜西西安 710043

1 工程概況

昭通至瀘州高速公路坪上隧道是一座雙線分離式四車道高速公路特長隧道，位于云南省昭通市鎮雄縣。隧道設計起點位于牛場鎮，設計終點位于鎮雄縣坪上鎮，為相距30m分修的雙洞隧道，凈空高度8.0m，寬度12.50m，隧道長約6km，埋深最大達600多m。進出口端雙向掘進。

坪上隧道為高風險隧道，進出口端均穿越二疊系上統宣威組（P2x）含煤地層，隧道中部被F2諸宗斷層分隔左右兩側，煤系地層分布如表1。根據區域地質資料，煤系地層中煤層編號為C1-C7，其中C1、C5煤層為區域主采煤層，C1煤厚1.73m，煤層瓦斯含量3.03m3/t；C5煤厚2.12m，C5煤層在鄰近礦井煤層突出危險性鑒定工作中被鑒定為煤與瓦斯突出煤層，坪上隧道按煤與瓦斯突出隧道管理。

表1 隧道煤系地層分布表

隧道分進口工區、1號斜井工區、出口工區及2號斜井工區四個工區施工。隧道在實際施工過程中，揭露煤層多，盡管隧道設計階段已做了一定程度的勘探，但實際揭煤情況與勘探資料有一定的差異，施工前尚未準確掌握開挖工作面前方各煤層的賦存情況。2號斜井工區設計為低瓦斯工區，不穿過煤系地層。截止2018年8月，2號斜井工區施工至Z2K0+060樁號左右，距正洞相交點約60m。在施工過程中，發現掌子面右下部拱腳處有大量氣泡冒出，通過人工檢測，該氣泡為瓦斯氣體，測得掌子面正常施工的瓦斯濃度從之前的0.04%左右上升到0.1%左右，初步判斷掌子面附近疑似有煤層賦存，為保障掘進安全，對掌子面進行超前鉆探，探測煤層賦存狀況。

2 超前鉆探及層位控制關鍵技術

2.1 技術難點分析

如何施工超前鉆探及對煤層層位的準確控制，是超前鉆探施工的關鍵。

（1）在高瓦斯或突出隧道中施工超前鉆探，選擇既能滿足隧道超前鉆探距離（至少100m），又要考慮符合瓦斯隧道特殊條件下對設備防爆的要求，目前市面上鉆機型號眾多，功能各異，需要進行綜合分析，確定設備的最佳選擇；

（2）由于隧道穿越煤與瓦斯突出礦區，地質條件復雜，煤層多，層間距離不詳，突出風險高，在煤層賦存情況尚未完全掌握下，如何探明開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置，需要合理設置鉆孔布置參數；

（3）施鉆期間，對鉆探人員的操作水平及判斷能力要求較高，準確判斷鉆機鉆探時所表現出來的狀態性質及返水期間鉆屑的物理特征，是影響初步判斷隧道前方煤層和地質構造的重要因素；

（4）煤層層位控制是詳細了解煤層賦存工作的一項重要工作，也是一項難點，特別是在地質構造復雜的煤系地層，煤層層位的判定要綜合考慮各種因素，避免層位誤判，造成誤揭煤層導致安全事故。

2.2 超前鉆探設備選擇

普通無瓦斯隧道現廣泛使用履帶式液壓潛孔鉆機（如TY-370GN履帶式液壓潛孔鉆機）作為超前鉆探工具，該鉆機鉆孔深度一般較短（約30～40m），鉆機廣泛應用于冶金、礦山、建材、鐵路、水電建設、國防施工及土石方等露天工程的爆破孔鉆鑿及水下鉆孔爆破炸礁工程中。鉆頭具有較強沖擊性，若在瓦斯隧道突出煤層段使用，易誘導煤層突出，危險系數高，且鉆機不具備瓦斯隧道特殊作業環境下的防爆功能，同時鉆進深度不能滿足對煤層群超前探測需要。

目前，煤礦專用鉆機主要有ZDY-1250煤礦用液壓坑道鉆機等，鉆機具備安全國家防爆標志，該裝備已在我國煤礦得到了廣泛的推廣應用。可適用于煤礦井下超前探測、鉆瓦斯抽放孔、排放孔及各種工程鉆孔，同樣完全適用于瓦斯隧道的超前鉆探工作，鉆孔深度可達100m以上。ZDY-1250煤礦用液壓坑道鉆機基本參數如表2所示。

表2 ZDY-1250煤礦用液壓坑道鉆機基本參數

2.3 超前鉆孔參數研究

為了探明隧道煤系地層的瓦斯賦存情況及地質狀況，確切掌握煤層的層位、傾角、厚度、頂底板巖性、地質構造等煤層賦存情況，為安全揭煤提供可靠的基礎資料，瓦斯隧道揭煤前，必須對煤層賦存條件進行超前探測，以確定煤層的準確位置及基本參數，準確掌握其賦存情況，本隧道主要以地質調查法為基礎，物探、超前鉆孔等手段為主的綜合超前地質預報。

通常，瓦斯隧道工作面開挖至距煤層位置50m之前，沿隧道前進方向施工一個孔深不小于50m的水平超前探孔，探孔盡可能穿透煤層全厚且進入煤層底板不小于0.5m。水平超前探孔的超前距為20m即工作面距上一循環水平超前探孔終孔20m時，停止開挖，施工下一個循環水平超前探孔。水平超前探孔示意圖見圖1所示：

圖1 水平超前探孔示意圖

在隧道開挖工作面至距推測煤層法距不小于10m時，必須打至少3個超前鉆孔，鉆孔直徑為89mm，必須穿透煤層全厚，并且進人底板巖層不小于0.5m，其終孔位置應控制在開挖輪廓外5m左右，并取巖(煤)芯，分析煤層頂、底板巖性。3個超前鉆孔(1個仰孔和2個水平邊孔)，仰孔起到控制煤層傾角的作用，2個水平邊孔起到控制煤層走向的作用。打鉆過程中應注意觀察孔內排出的漿液、煤屑、瓦斯動力現象等，并作好詳細記錄。超前探孔布置示意圖見圖2。

圖2 超前探孔布置示意圖

坪上隧道依據鉆孔控制范圍，對上述鉆孔參數進行優化設計，隧道超前探孔設計參數如表3所示，超前探孔布置示意圖如圖3所示。

圖3 超前探孔布置示意圖

表3 隧道超前探孔設計參數表

2.4 煤層層位控制技術

施工超前鉆探期間，現場專業鉆探人員及技術員觀察孔內排出的返漿、鉆屑物理特征、鉆機鉆探時所表現出來的狀態性質及鉆進深度等，并做好詳細記錄，依據施工鉆孔參數、鉆孔原始記錄成果作出剖面圖、平面圖進行成果分析，可以準確探測開挖工作面前方煤（巖）層賦存參數（主要為煤層厚度、傾角、走向、層間距及與隧道的幾何關系），對煤層層位進行掌握控制，為揭煤作業預留安全巖柱具有重要指導意義。

根據超前探測鉆孔確定實際煤層平面公式如下：

（1）三孔確定煤層平面

① 假設煤層平面方程為：

② 根據超前探測鉆孔開孔坐標、鉆孔偏角、傾角及孔長，計算見煤點坐標：

3 超前鉆探結果

采用ZDY-1250型煤礦用大功率防爆型鉆機按照鉆孔設計參數在Y2K0+060掌子面施工了3個超前探測鉆孔，鉆孔施工過程中，通過排出的渣樣對探測范圍內巖性進行了判斷。對探測出的煤層，根據各孔的見煤點，采用公式進行計算。探測結果表明，約在現掌子面前方32m處有一層煤層賦存，煤層產狀約為60°∠8°。計算得到煤層厚度約為1.5m。通過觀測，1#、2#、3#鉆探過程實施正常，鉆孔內無瓦斯異常涌出等動力現象。對打鉆前后掌子面瓦斯濃度進行測試，結果如下：掌子面打鉆前瓦斯濃度為0.04%；打鉆后瓦斯濃度為 0.10% ；打鉆過程中最高瓦斯濃度為0.15%。測試表明，在鉆孔過程中隧道施工通風系統態良好，掌子面瓦斯濃度一直控制在較低水平。鉆探過程中，采用WTC型突出參數測定儀測定了煤樣的鉆屑瓦斯解吸指標，測得K1值最大值為0.08mL/g·min1/2，小于《防治煤與瓦斯突出規定》推薦臨界值，判定該煤層無煤與瓦斯突出危險性，因此，可在采取安全措施的前提下，直接掘進揭開煤層。

4 結語

結合坪上隧道的地質資料及現場掘進實際情況，通過采用煤礦用大功率防爆型全液壓鉆機ZDY-1250施工長距離超前探測鉆孔，施工3個鉆孔，分別控制隧道前方80m范圍內，按照“三點定面”的幾何原理，超前鉆探鉆孔的合理布置，可以準確探測開挖工作面前方煤（巖）層賦存參數等（主要為煤層厚度、傾角、走向、層間距及與隧道的幾何關系），對煤層層位進行掌握控制，可以解決地勘期間煤層賦存資料不全的技術難題，避免盲目施工，誤揭煤層導致安全事故。同時隨著技術的進步，鉆孔機具的不斷更新改進和超前鉆探預測技術的不斷實踐和總結，這一技術必將在以后的隧道施工中發揮著更大的作用。