非煤系地層瓦斯隧道瓦斯涌(突)出機(jī)理及防治措施

曹 偉

(山西交通控股集團(tuán)有限公司長治高速公路分公司,山西 長治 046000)

1 非煤系地層瓦斯隧道瓦斯涌(突)出地層概況

汶馬高速穿越了龍門山斷裂、米亞羅斷裂、松崗斷裂，深大斷裂斷層發(fā)育密集，地勘難度極大；所穿越地層主要是泥盆系月里寨群、危關(guān)群組，三疊系雜谷腦組、侏倭組、新都橋組等非煤系地層，全線隧道原設(shè)計(jì)均為無瓦斯隧道，但施工過程中，鷓鴣山隧道、米亞羅3號隧道、合同段王家寨1號隧道先后涌(突)出高濃度瓦斯，經(jīng)鑒定為高瓦斯隧道，約占全線隧道的10%，突顯了非煤系地層瓦斯分布的不均勻性，涌(突)出的隨機(jī)性、偶然性和突發(fā)性。

1.1 瓦斯來源

1)巖層具備生烴能力。三座隧道穿越雜谷腦組、侏倭組和新都橋組，存在炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖等含炭質(zhì)地層，具備生烴能力，是瓦斯的有機(jī)來源。2)無機(jī)成因烴類氣體?？拷讈喠_斷層的大、小溝均存在花崗斑巖，隨著該區(qū)域巖漿火山活動，深部C-O-H流體物質(zhì)不斷向淺部釋放，無機(jī)成因烴類氣體也利用深大斷裂由深部向上運(yùn)移并富集于局部區(qū)域。3)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈。三座隧道位置相鄰，工程區(qū)域位于北西向鮮水河斷裂帶和北東向龍門山斷裂帶所圍限的川青斷塊的小金弧形構(gòu)造帶之西翼近頂端的次級構(gòu)造族郎帚狀構(gòu)造帶上，區(qū)域控制性主干斷裂為NE向龍門山斷裂帶，小金—較場弧形構(gòu)造帶(西翼)構(gòu)成了區(qū)域次一級斷裂構(gòu)造格架，斷裂構(gòu)造由一系列倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜、復(fù)向斜組成。米亞羅斷裂走向順褶皺構(gòu)造線方向呈北西—南東向展布，屬壓扭性逆斷層，對米亞羅3號隧道造成影響；鷓鴣山隧道受米亞羅斷裂影響并穿越鉆金樓倒轉(zhuǎn)背斜；王家寨1號隧道通過羅斗寨復(fù)式背斜。三座隧道所受的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈，破碎帶寬40 m～100 m，貫通裂隙發(fā)育，在壓力差的作用下，瓦斯氣體通過斷裂、貫通裂隙等封閉性構(gòu)造通道運(yùn)移并富集于儲氣帶(如褶皺軸部)或瓦斯氣囊，造成瓦斯分布不均勻和局部聚積大量承前壓瓦斯。

1.2 瓦斯賦存規(guī)律

地應(yīng)力影響瓦斯壓力和儲存：隧道埋藏越深，地應(yīng)力就越大，瓦斯含量及壓力就越大，三座瓦斯隧道埋深約200 m～1 200 m，高地應(yīng)力造成瓦斯壓力較大。

瓦斯賦存受地質(zhì)構(gòu)造影響較大：斷裂構(gòu)造影響了瓦斯在巖層中運(yùn)移，對瓦斯產(chǎn)生積聚或釋放作用。斷層附近伴生和派生構(gòu)造發(fā)育，導(dǎo)致瓦斯分布不均，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中和高壓瓦斯。如米亞羅逆斷層屬封閉性構(gòu)造能形成良好的貯存瓦斯條件。

1.3 非煤系地層瓦斯隧道瓦斯涌(突)出特點(diǎn)

1)涌出。隧道開挖后，臨空面有利于儲存在巖體中的瓦斯順節(jié)理、裂隙向隧道內(nèi)運(yùn)移，不間斷地在臨空面上緩慢、均勻的涌出。圍巖暴露的時(shí)間越長，瓦斯涌出量越大，涌出時(shí)間長、速度緩慢均勻。2)噴出。隧道開挖后，大量瓦斯在一定動力作用下，從巖體裂縫中噴出。汶馬高速非煤系地層瓦斯噴出的時(shí)間較短，幾小時(shí)到幾天，單點(diǎn)噴出量每晝夜十幾方至幾千方，噴出時(shí)伴有嘶嘶聲，同時(shí)伴隨水柱噴出。3)巖與瓦斯突出。當(dāng)遇到斷裂帶和裂隙等構(gòu)造帶高壓瓦斯或高壓瓦斯氣囊，隧道開挖后，局部完整性較好的板巖等隔氣層受到破壞，很短時(shí)間內(nèi)儲存于斷裂帶和裂隙等構(gòu)造帶附近巖層中的裂隙瓦斯或囊狀瓦斯的膨脹集中釋放，推動破碎的巖塊由巖體內(nèi)突然向隧道內(nèi)大量噴出，伴隨很強(qiáng)的沖擊波和響聲，巖石突出量從幾十方到幾千方，瓦斯突出量從幾萬方到幾十萬方。

2 非煤系地層瓦斯隧道管理及瓦斯涌(突)出防治措施

2.1 非煤系地層瓦斯隧道管理

非煤系地層瓦斯隧道瓦斯分布存在不確定性，地勘工作困難，準(zhǔn)確分析評價(jià)瓦斯類別難度大，難將其劃定為瓦斯隧道，也未設(shè)置相關(guān)防治措施，業(yè)主在招標(biāo)文件中未針對性提出滿足瓦斯隧道監(jiān)理、施工單位的人員、設(shè)備要求。待進(jìn)場發(fā)現(xiàn)瓦斯后，若經(jīng)驗(yàn)不足，極易引發(fā)瓦斯災(zāi)害。非煤系地層原設(shè)計(jì)無瓦斯隧道在施工過程中發(fā)現(xiàn)有瓦斯涌(突)后，為確保施工安全，立即停工，完善瓦斯隧道鑒定和變更程序，相關(guān)工作完成后繼續(xù)施工。

2.2 非煤系地層瓦斯隧道主動防治措施

主動防治措施主要是指在掌子面未開挖，瓦斯尚未被揭露涌(突)出之前，主動采取相關(guān)預(yù)防性措施，如采用瓦斯隧道超前預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，探明掌子面未開挖前方區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、圍巖完整性、流體(瓦斯或水等)賦存壓力P、流量Q、衰減系數(shù)q等狀況，還可主動采取抽、排等措施對瓦斯等進(jìn)行預(yù)處理，對開挖爆破進(jìn)行嚴(yán)格要求等瓦斯主動防治措施。

1)瓦斯隧道超前預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)。

瓦斯隧道超前預(yù)測預(yù)報(bào)是預(yù)防瓦斯涌(突)出的重要手段，要堅(jiān)持“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，以物探法為手段，采用長短結(jié)合預(yù)報(bào)模式”的原則選擇具體預(yù)測預(yù)報(bào)方法，對于瓦斯隧道，地質(zhì)法選擇地質(zhì)素描法和瓦斯超前鉆孔探測；物探法選擇HSP聲波反射法或地質(zhì)雷達(dá)。

瓦斯超前鉆孔探測：瓦斯超前鉆孔布設(shè)5個(gè)瓦斯超前鉆孔。其中上臺階布設(shè)4個(gè)，下臺階布設(shè)1個(gè)，每個(gè)鉆孔深度為60 m～80 m，非煤系地層瓦斯隧道前后兩循環(huán)鉆孔搭接長度(鉆孔超前距離)20 m為宜，如圖1，圖2所示。

2)瓦斯隧道鉆爆作業(yè)防治措施。

鉆爆法開挖，必須嚴(yán)格審批鉆爆設(shè)計(jì)，編制瓦斯隧道鉆爆作業(yè)安全技術(shù)措施。開挖前采用超前注漿導(dǎo)管(錨桿)注漿，加固巖體堵塞巖體裂隙，減少或阻止瓦斯外溢。開挖堅(jiān)持“多打眼、少裝藥、短進(jìn)尺，快噴錨、強(qiáng)支護(hù)、勤檢測、加強(qiáng)通風(fēng)”的原則。采用正臺階法開挖，拱部開挖一次成形，開挖后及時(shí)噴混凝土封閉圍巖減少瓦斯溢出。采用光面爆破、嚴(yán)格控制噴混凝土平整度，以減少巖面和噴混凝土表面坑洼不平造成局部瓦斯積聚。

2.3 非煤系地層瓦斯隧道被動防治措施

1)強(qiáng)化隧道施工支護(hù)管理。在軟弱圍巖中掘進(jìn)時(shí)，爆破后必須及時(shí)噴錨支護(hù)，封閉瓦斯；采用冷粘連接防水板材，杜絕熱焊連接而產(chǎn)生火花；確保二襯不低于設(shè)計(jì)抗?jié)B等級要求。2)嚴(yán)格執(zhí)行瓦斯檢測與監(jiān)測監(jiān)控管理。瓦斯檢測要貫穿瓦斯隧道施工全過程，無論是否瓦斯工區(qū)，都必須進(jìn)行瓦斯檢測；做好在鉆眼、裝藥、放炮前及放炮后四個(gè)環(huán)節(jié)上及隧道施工中氧、電焊等動火作業(yè)時(shí)瓦斯巡回檢測工作；對瓦斯易積聚區(qū)域做好瓦斯巡回檢測工作；瓦斯超前鉆孔作業(yè)和開挖作業(yè)面瓦檢員須全天候跟班作業(yè)。3)瓦斯隧道施工通風(fēng)管理。非煤系地層瓦斯隧道必須編制通風(fēng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。通風(fēng)是保證瓦斯隧道施工安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是被動防護(hù)瓦斯災(zāi)害的重要舉措，必須進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)量計(jì)量，選用合理的通風(fēng)設(shè)備，執(zhí)行嚴(yán)格通風(fēng)管理，防止瓦斯積聚，為工人勞動和設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，以保證安全生產(chǎn)。4)瓦斯隧道施工防火防爆設(shè)備設(shè)施要求。低微瓦斯工區(qū)段：在瓦斯預(yù)測預(yù)報(bào)工作、瓦斯?jié)舛葒?yán)格控制下，鉆爆設(shè)備、施工電氣設(shè)備采用防爆型式，機(jī)械設(shè)備可采用非防爆設(shè)備。

高瓦斯工區(qū)段和突出瓦斯工區(qū)段：所有電氣設(shè)備與作業(yè)機(jī)械均采用礦用防爆設(shè)備。安裝后的設(shè)備，必須經(jīng)過外觀、防爆性能、操作性能的檢查，合格后方可使用。

2.4 非煤系地層瓦斯隧道巖與瓦斯突出防突措施

1)突出危險(xiǎn)性預(yù)測。非煤系地層可借鑒采用煤系地層綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法來預(yù)測掌子面的突出危險(xiǎn)性，也可充分運(yùn)用突出征兆。大多數(shù)巖與瓦斯在突出之前都有預(yù)兆，現(xiàn)場作業(yè)人員若能熟悉和掌握，并及時(shí)發(fā)布警報(bào)，采取相應(yīng)的技術(shù)安全措施，對于減少突出危害，保障人身安全都有非常重要意義。

有聲預(yù)兆：巖體發(fā)生震動或沖擊，伴有響聲。圍巖變形發(fā)出劈裂聲、鞭炮聲等。初期支護(hù)出現(xiàn)裂縫，頂部下壓，發(fā)現(xiàn)斷裂聲，支架被壓斷，發(fā)出折斷聲。

無聲預(yù)兆：掌子面壓力增大，巖層垮落，局部隆起，掉渣、噴出，鉆孔卡鉆，裝藥頂炮。地壓力活動激烈，工作面瓦斯涌出量增大或忽大忽小或呈噴出狀，溫度下降，空氣變冷。在掌子面感到頭昏，發(fā)冷。

2)防治突出技術(shù)措施。當(dāng)掌子面預(yù)測結(jié)果具有突出危險(xiǎn)性時(shí)，必須采取排放鉆孔、抽放瓦斯、水力沖孔、超前松動爆破、金屬骨架或其他經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)踐證明有效的防突措施。

在防突措施實(shí)施過程中，專職瓦檢人員必須經(jīng)常檢查瓦斯，發(fā)現(xiàn)瓦斯大量增加或其他異狀時(shí)，必須停止掘進(jìn)，撤出人員，進(jìn)行處理。

優(yōu)先采用打排放鉆孔排放瓦斯措施進(jìn)行消突，鉆孔直徑一般為75 mm～120 mm，工作面距瓦斯裂隙或高壓瓦斯氣囊法線距離的最小值為3 m，鉆孔控制的范圍達(dá)到掌子面輪廓線外至少5 m。

若瓦斯涌出量較大，達(dá)到抽放條件(瓦斯涌出量大于3 m3/min)時(shí)，需設(shè)置抽放系統(tǒng)，并編制專門的抽放設(shè)計(jì)，抽放瓦斯工作面距瓦斯裂隙或高壓瓦斯氣囊法線距離的最小值為3 m。抽放瓦斯到允許程度可結(jié)合打排放鉆孔排放瓦斯措施加快消突。

經(jīng)效果檢驗(yàn)無突出危險(xiǎn)后，在采取安全防護(hù)措施后采用遠(yuǎn)距離爆破揭露前方圍巖，爆破時(shí)必須請救護(hù)隊(duì)參加以備防患。

3)防治巖與瓦斯突出措施效果檢驗(yàn)。采取防治突出的技術(shù)措施后，開檢驗(yàn)鉆孔數(shù)不得少于5個(gè)，分別位于掌子面的上部、中部、下部和兩側(cè)，如果檢驗(yàn)結(jié)果的各項(xiàng)指標(biāo)都在突出危險(xiǎn)臨界值以下，且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況，則判定為措施有效，否則，判定為措施無效。

4)巖與瓦斯突出安全防護(hù)措施。遠(yuǎn)距離放炮：爆破地點(diǎn)必須設(shè)在隧道外或安全洞室內(nèi)，遠(yuǎn)距離爆破時(shí)，回風(fēng)系統(tǒng)必須停電撤人，指派專人負(fù)責(zé)，并做好警戒，嚴(yán)禁人員進(jìn)入。進(jìn)入掌子面檢查時(shí)間要在放炮后30 min以后。相關(guān)區(qū)域工作的所有人員，在放炮前必須撤離至指定地點(diǎn)，確保放炮時(shí)該區(qū)域內(nèi)無人。

設(shè)置避難所：若有突出危險(xiǎn)的瓦斯隧道施工距離超過500 m后，可將車(人)行通道設(shè)置成臨時(shí)避難所，避難所設(shè)置向外開啟的隔離門，隔離門設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)按照反向風(fēng)門標(biāo)準(zhǔn)安設(shè)避難所內(nèi)設(shè)置供給空氣的設(shè)施，配備足夠數(shù)量的隔離式自救器。

佩戴隔離式自救器：有突出危險(xiǎn)的瓦斯隧道施工的管理人員和操作人員每人都應(yīng)佩戴完好的隔離式自救器進(jìn)入施工場所進(jìn)行作業(yè)。

3 結(jié)語

煤系地層瓦斯隧道，煤層位置相對固定，可通過相關(guān)勘測手段預(yù)測對隧道施工的危害程度，采取針對性較強(qiáng)的施工措施和防治措施。非煤系地層瓦斯分布存在不均勻性，瓦斯涌(突)出有突發(fā)性、偶然性、隨機(jī)性，使這種瓦斯災(zāi)害的危害性更大，預(yù)防更困難，所以對非煤系地層瓦斯隧道瓦斯涌(突)出機(jī)理研究并制定防治措施有非常重要的意義。