隧道穿越煤礦采空區安全施工技術研究

文斌　陳藝輝

摘要：由于隧道勘察手段限制，在隧道穿越煤礦施工過程中會意外遇到煤礦采空區。煤礦采空區主要存在突泥突水和瓦斯等有毒有害氣體的地質問題。在設計和施工過程中，采取合理、有效的安全技術確保隧道施工和運營安全極為必要。本文從隧道穿越煤礦采空區的設計對策、跨越施工的安全技術措施、施工工藝等方面進行了研究。保障隧道工程在穿越采空區施工時的人員和設備安全；對類似工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞：穿越 煤礦采空區 安全技術

一、工程概況

萬開周家壩-浦里快速通道工程鐵峰山隧道是重慶在建第一長市政隧道。采用分離式隧道設計，全長9228m，雙向4車道，設計速度80km/h，路基寬24.5m，線路總長11.594km。有四處穿越劉家溝煤礦K3、K5煤層，其上均為采空區，原設計對隧道穿越該煤層段采取IV-瓦型襯砌支護。經調查資料，在穿越K5煤層時隧道路面距離采空區底面約41米，隧道在穿越K3煤層時，隧道拱頂距離采空區設計底面約60米。

二、工程地質概述

劉家溝煤礦位于鐵峰山隧道背斜中段南東翼，總體特征為一單斜構造形態，地質構造簡單，隧洞地段地層為三疊系上統須家河組。K3煤層位于須家河組下亞組頂界的深灰色頁巖、炭質頁巖中，頁巖厚度1m～5m，煤層厚度為0.26～0.57m。K5煤線位于須家河組上亞組中上部深灰色砂質頁巖內，頁巖厚度2m～4m，煤呈透鏡狀、條帶狀、線狀產出，黑褐色，質較輕，煤層厚度為0.28～0.64m。該段巖層產狀傾角約76°～85°。煤層所在的頁巖層呈薄層狀，巖石較破碎，巖體完整性較差。

劉家溝煤礦主巷道入口16年已經進行了查封和斷電處理，目前水位約在+350處，煤礦設計的出水量為40m³/h。其K3煤線+506巷道為積水巷道。

三、煤礦巷道及采空區對隧道施工的影響分析

（一）煤礦巷道對隧道施工的影響

目前K5煤層已開采至400m高程。K5煤層豎向分布有+639.15水井灣井，+512m運輸大巷、+425m運輸大巷，其中+425大巷位于隧道正下方，洞徑約2.5*2.5m，與隧道正交。該段隧洞底板高程約440m，距+425運輸大巷小于15m。

（二）煤礦采空區對隧洞施工的影響

隧道穿越煤線處底板高程分別約為443m、440m，施工至采空區洞段時，地下水位預計在512m主巷道洞口高程，并沿主巷道排出；隧洞底板高程約440m，地下水位最大水頭差約70m，最大水壓力約0.7MPa。因此，隧道施工時可能產生突水突泥和集中涌水現象。

（三）瓦斯等有害氣體對隧洞施工的影響

隧道在該段穿越K3、K5煤層，估計瓦斯涌出量在0.1～0.3m³/min。

四、隧道穿越采空區的主要應對措施

（一）采空區處理原則

隧道施工中，嚴密注意圍巖開挖情況，通過有效的超前鉆探和物探方法進行超前地質預報，預測開挖工作面前方幾米至幾十米的圍巖工程地質和水文地質條件，結合掘進中地質條件的變化，及時提出預報，以便及時采取各種預防和施工措施，保證隧道施工的順利進行。

隧道施工通過有突出危險煤層段時，分段采取區域預抽措施，消除突出危險；采用鉆孔進行采空區瓦斯抽排放；采用自動監控和人工檢測相結合的模式，對隧道重點部位進行全面實時瓦斯監控；施工期間，通風采用壓入式獨頭通風，加快瓦斯排放能力，稀釋瓦斯并防止局部積聚；開挖、支護強調管超前、短進尺、強支護、勤監測、強通風。對隧道施工所可能遇到的含水層、斷層和采空區提前進行探放水，查明水文地質及涌水源，據此經技術經濟比較采取注漿堵水、疏放等措施，涌水處理以排為主。

（二）采空區位于隧道底部或下方的施工方法

當采空區貫穿隧道并位于隧道斷面底部，對于仰拱以下規模較小的采空區可采用洞渣和C15混凝土回填，采空區規模較大時，采用樁基托梁、擴大基礎等方式跨越。采空區位于隧道之下時，采用“探灌結合”的原則處理，在仰拱初期支護封閉成環后，在工字鋼鋼架之間布置150mm鉆孔，鉆孔布置順隧道縱向間距5m，橫向2.5m，壓注M10水泥砂漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，如注漿時漿液消耗量大而壓力無法上升時，應采用帷幕注漿。

施工流程為：超前地質預報→地下水及瓦斯氣體排放（若有）→φ108超前長管棚施工→采空區前段機械開挖及支護→采空區鋼筋混凝土底板及套拱加固→采空區后段機械開挖及支護。

1.超前地質預報

隧道采空區超前探孔施工如下：

隧道開挖接近預計采空區位置前20m（垂距）處掌子面打超前探孔1個（φ80孔），對地下水及瓦斯氣體進行探測，若探測無水且無瓦斯氣體，則繼續朝前掘進至距離采空區10米處，再進行瓦斯氣體及地下水的探測。如此循環至采空區，若通過超前探孔發現有瓦斯氣體或有水，則立即停止施工，按照設計要求施工瓦斯氣體排放孔或排水孔，以確保在超前探水過程中的施工安全。

2.超前長管棚施工

根據超前探孔進行初探后的情況，在距離煤層17米處開始施工長管棚工作室，長管棚工作室長7米，長管棚采用φ108×6無縫鋼管，總長25米，擴挖后應及時支護，待長管棚施工完成后，再進行隧道開挖及支護，見圖5：長管棚施工縱斷面示意圖。

3.采空區前段開挖及支護

待長管棚施工完成后，采用機械開挖工藝，每次開挖進尺不超過鋼架間距，隧道襯砌形式采用采空區加強段襯砌結構，開挖后及時支護，并觀測隧道已開挖段及掌子面出水量，若出水量較大，則按照施工圖文件進行環向注漿堵水等措施。

長管棚工作室起點至采空區段采取機械開挖，長管棚工作室前5米按IV級圍巖瓦斯段襯砌進行擴挖及支護，后2米按抗水壓襯砌進行擴挖及支護，長管棚工作室終點至采空區段采用抗水壓襯砌進行支護。

4.采空區采用套拱加固及C35鋼筋混凝土底板

采空區拱部及邊墻施作1m厚的C15混凝土套拱，采空區下部采用2m厚C35鋼筋砼板，隧道底板以下2m回填C15混凝土，邊墻兩側回填土石宜選用洞渣中的片塊石碼砌。

5.采空區后段開挖及支護

采空區后段10米范圍內采用機械開挖，其支護按抗水壓襯砌進行支護，并觀測隧道已開挖段及掌子面出水量，若出水量較大，則按照施工圖文件進行環向注漿堵水等措施。

（三）隧道通風安全保證措施

施工采用壓入式通風方式，左、右洞外均安裝一臺4SDF-6-N0.15/90*4的軸流送風機，用拉鏈軟風管相連，從而將新鮮空氣送入左洞作業面。用1.3m比托管、U形壓力計以五環10點法測試管道全壓和靜壓，用1.3m比托管、DGm²9型補償式微壓計測試通風管內風的動壓。用電子風速儀以9點法測試風速、風量。

（四）隧道逃生救援通道設置安全保證措施

逃生主通道采用φ800鋼管，壁厚10毫米，連接鋼板連接，同救生管道一樣布置于二襯到掌子面之間。逃生主通道在洞內掌子面與下導坑之間安裝鋪設長度為50m作為逃生管道，發生突發事件后可確保遇險人員順管道脫離危險區。

五、結語

在隧道施工過程中，遇到穿越煤礦的情況比較常見，在施工過程中，必須做好預測、預報、分析工作，從而采取提前措施。防止突發情況發生，確保人員安全與施工的正常進行。對于特殊的地段和地層，需要設置專門的手段和方法，從科學的角度合理的解決問題，以確?，F場施工安全順利進行。