山區瓦斯隧道相關問題及評價研究

朱啟榮，堯 林，陳柳柳

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司， 貴陽 550001)

隨著我國國民經濟的快速發展，交通基礎設施建設網絡規模不斷壯大，尤其是山區路線工程受地形、地質條件的限制，隧道工程比例日益上升，部分隧道不可避免地穿越煤系地層[1]，給隧道施工帶來了極大的安全隱患，引發了較多的瓦斯事故，給國民經濟和人民生命財產帶來巨大損失。因此，對穿越煤系地層的隧道，開展針對性地質勘察和評價工作尤為重要。本文以貴州省麻江某瓦斯隧道勘察為例，在搜集相關資料和綜合勘察[2]的基礎上，對瓦斯參數進行理論計算并與勘探取樣、測試結果進行對比分析，結合礦產地質相關指標信息進行綜合分析評價，提出瓦斯風險段落及等級，提出針對性的工程措施建議，以供類似工程參考。

1 區域地質特征

1.1 地形地貌

該隧道位于貴州省黔東南麻江縣杏山街道辦谷羊村，地勢整體西高東低，中間高、南北低，地形起伏較大。地貌類型屬溶蝕—構造型低中山地貌[3]，地表受溶蝕、侵蝕作用強烈，地勢起伏較大。隧址區地面高程876.5 m～1 145.4 m，最高點位于隧道中部西側的馬尾沖山頂，海拔高程1 145.4 m，最低點位于隧道出口附近，海拔高程876.5 m，相對高差約268.9 m，地形坡度為30°～75°。隧道貫穿叢狀山體，覆蓋層厚薄不均，植被較發育。

1.2 地層巖性及煤層分布

隧址區上覆地層有第四系殘坡積(Qel+dl)粉質粘土、細角礫土等，下伏二迭系上統吳家坪組(P3w)、中統茅口組(P2m)地層，出露巖性以灰巖、頁巖及硅質巖為主，夾少量炭質頁巖及煤層。

區內含煤地層為二疊系上統吳家坪組一段(P3w1)和二段(P3w2)2層：一段為可采煤層(M2)，煤層厚度較穩定、煤質較好；二段煤層(M3)為薄層條帶狀，分布不均，煤質差，開采價值不大。隧道穿越2組地層和2段煤層[3]，如圖1 所示。

圖1 隧道地質縱斷面示意

2 瓦斯隧道勘察工序

廣泛搜集線路通過區域鄰近煤礦的既有資料，包括區域工程地質、水文地質、礦產地質、有害氣體的檢測資料及類似工程有關瓦斯賦存、突出等地質資料。在現場調查、測繪的基礎上，結合區域地層情況，分析煤層特征、成煤環境及儲氣條件，合理布置勘探孔，鉆探過程中對其進行動態控制追蹤，按要求采取煤層瓦斯樣品并進行現場測試和室內分析；然后作出瓦斯參數分析對比，結合礦產地質相關指標信息進行綜合分析評價，提出瓦斯風險段落，如圖2所示。

3 煤與瓦斯參數分析及評價

3.1 煤層瓦斯資料收集

3.1.1 煤層及煤巖特征

根據鉆探揭示及現場瓦斯測試報告[3]，結合貴州省麻江縣湘黔煤礦、大良田煤礦、鐵沖煤礦、翁威煤礦及賢昌煤礦資源儲量核實報告和1∶5萬(麻江縣幅)區域地質圖，二迭系上統吳家坪組(P3w)煤層主要有2層，煤層分別位于該組地層的中上部和底部，為條帶狀結構，薄層構造，中上部煤層厚0.2 m～1.0 m，煤質差，開采價值不大；底部煤層厚0.5 m～1.2 m，局部達2.0 m，呈暗黑色，半亮型煤，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，煤質較好，為主要開采煤層。兩煤層相距約60.0 m～80.0 m，煤層傾向90°～115°，傾角40°～65°。自然發火傾向性為1～3類，有煤塵爆炸危險性，煤的堅固性系數為1.1～1.7，瓦斯放散初速度為1～8 mmHg。

圖2 瓦斯隧道勘察流程

3.1.2 瓦斯及二氧化碳涌出量

根據麻江縣安全生產監督管理局2008—2010年度隧道附近麻江縣境內的煤礦瓦斯等級鑒定資料，區內瓦斯及二氧化碳涌出量如表1所示。

表1 測區2008—2010年度附近煤礦瓦斯等級鑒定統計

3.2 煤層現場瓦斯測試及分析

根據瓦斯現場測試及室內分析報告中的基礎數據，結合煤層及瓦斯搜集資料，采用理論計算數據與測試數據對比分析的方法進行瓦斯地質評價[4]，為隧道設計提供可靠的瓦斯參數。

3.2.1 瓦斯含量

1) 理論計算

羅漢坡一號隧道BD-SLHP1-05+1號鉆孔揭示的煤層為二迭系上統吳家坪組(P3w)的底部煤層，厚0.5 m～1.2 m，局部厚達2.0 m，煤層采樣深度70.0 m～72.0 m。由于現場鉆孔取芯困難，僅取到了臨近煤層的部分煤芯，造成煤層瓦斯含量無可靠的實際測定數據。為此，根據直接測試的瓦斯壓力及室內測試的有關參數，按照朗格繆爾公式[5]測算瓦斯含量，公式如下：

(1)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；a為吸附常數，cm3/g；b為吸附常數，MPa-1；P為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；F為孔隙率，%；γ為視密度，g/cm3。

根據測試報告中的相關參數，計算得到該煤層瓦斯含量為0.893 m3/t，如表2所示。

表2 瓦斯含量測算

2) 現場測試

根據附近隧道的BD-SWQL-04號鉆孔對上述理論計算的同一層煤揭示，該煤層采樣深度為43.6 m～45.0 m，其瓦斯含量測試結果如表3所示。

表3 含氣量測試結果

測試報告顯示該儲煤層瓦斯含量為1.05 m3/t，與理論計算值0.893 m3/t相差不大。

3.2.2 瓦斯壓力

鉆孔內煤層瓦斯壓力測試是了解煤層氣賦存情況的主要手段，但勘察過程中鉆孔煤層瓦斯壓力測試受影響的因素[6]較多，使得測試的瓦斯壓力數據質量不高。因此，可通過直接測試的瓦斯含量，并依據室內測試的有關參數，按照朗格繆爾公式(式(1))反算進行相互驗證。目前，通過工程實踐中大量實測瓦斯壓力值與理論計算值分析，煤層中瓦斯壓力與地應力和溫度有關系，在一定埋深范圍內，作為一種近似值，可忽略溫度的影響，即瓦斯壓力與地應力近似為線性關系。

根據《采礦工程設計手冊》瓦斯壓力和深度H的關系為下列直線關系：

P=(2.03～10.13)×H

(2)

式中：P為距地表垂深H處煤層瓦斯壓力，kPa；H為垂深，m。

根據區內礦產資料，測區無瓦斯突出情況，均為低瓦斯礦井。參照麻江縣賢昌鄉賢昌煤礦開采方案設計報告，礦井一標高為903 m，煤層埋深130 m，煤層中瓦斯壓力系數取值為3[7]，結合附近煤礦開采后實測統計數據和當地類似工程經驗數據，考慮煤層瓦斯儲藏密閉性受埋深的影響，本次計算時瓦斯壓力系數綜合取值為2.5，如表4所示。

從表4可知，理論計算與現場實測瓦斯壓力基本一致，因此，進一步證明瓦斯壓力和深度H存在一定的線性關系，但關鍵是瓦斯壓力系數的綜合取值。

表4 理論計算與實測瓦斯壓力結果

3.2.3 絕對瓦斯涌出量

工區內絕對瓦斯涌出量是劃分瓦斯工區等級的重要指標之一，通常與巷道開挖斷面面積、煤的瓦斯含量和二氧化碳濃度[8]及風速[9]有關。勘察階段由于實測困難，可結合礦產資料和鉆孔測試基礎數據進行理論計算。

根據TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》[10]附錄L.0.2，獨頭坑道開挖工作面瓦斯涌出量計算公式如下：

q1=VarW/1 440

(3)

式中：q1為絕對瓦斯涌出量，m3/min；Va為每d開挖各循環爆落煤塊總體積，m3；ρ為煤的密度，1.2 t/m3～1.4 t/m3；W為每t煤塊瓦斯逸出量，m3/t,計算公式為：

(4)

式中：W0為每t煤瓦斯含量，m3/t；W0′為煤塊中殘存瓦斯含量，m3/t。

該隧道為Ⅱ級貨運單線，設正在煤層中開挖的獨頭[11]寬約8.0 m，高約7.0 m，開挖速度進尺為2.0 m/d，煤層走向與隧道走向近乎平行，煤層走向與隧道軸線夾角小于20°。基于安全考慮，每d開挖各循環爆落煤塊總體積按全斷面計算。相關參數測試、參數選取與絕對瓦斯涌出量計算結果如表5所示。

通過理論計算，隧道工區內的絕對瓦斯涌出量為0.091 m3/min～0.106 m3/min，平均值為0.099 m3/min；區內附近煤礦工區內絕對瓦斯涌出量為0.29 m3/min～0.62 m3/min，平均值為0.44 m3/min。由此可見，隧道工區內絕對瓦斯涌出量遠小于煤礦工區內的絕對瓦斯涌出量。

3.3 瓦斯地質評價

瓦斯工區等級可根據隧道工區內絕對瓦斯涌出量、瓦斯動力現象等進行分類，含瓦斯地層段隧道襯砌結構[12]的瓦斯地段等級可根據瓦斯壓力和噸煤瓦斯含量進行確定，而判定瓦斯突出工區應同時滿足下列4個指標：1) 瓦斯壓力P≥0.74 MPa；2) 瓦斯放散初速度ΔP≥10；3) 煤的堅固性系數f≤0.5；4) 煤的破壞類型為Ⅲ類及以上。但不同行業的規范標準判定結果有細微的差別，如表6～8所示。

表5 理論計算絕對瓦斯涌出量統計

表6 TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術規范》判定標準(一)

表7 TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[13]判定標準(二)

當按表6中的噸煤瓦斯含量及瓦斯壓力確定的地段等級不一致時，應取較高者。

表7的規范未明確列出隧道瓦斯地段等級，但瓦斯突出工區和高瓦斯工區分別對應表6中的一、二級，低瓦斯工區和微瓦斯工區均對應于三級。

綜合上述瓦斯參數指標及判定標準，該隧道的瓦斯地質[15]評價如表9所示。

根據上述評價表，該隧道為微至低瓦斯工區，二級至Ⅲ級瓦斯地段，無瓦斯突出現象。基于工程安全風險考慮，DK12+750～DK12+950段附近鐵沖煤礦和大良田煤礦，兩煤礦工區絕對瓦斯涌出量和自然發火傾向性指標較高，且鐵沖煤礦曾因發生過瓦斯事故而關停。故建議DK12+750～DK12+950段按高瓦斯工區、二級含瓦斯地段設計施工，DK11+980～DK12+180按低瓦斯工區、二級含瓦斯地段設計施工。瓦斯隧道施工期間，根據預測及揭示的地質資料及時修正[16]設計。

表8 貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南(貴州省交通廳[2014.2])[14]判定標準(三)

表9 瓦斯地質評價匯總

4 結論與建議

1) 山區瓦斯隧道評價須在搜集相關資料和綜合地質勘察的基礎上，結合礦產地質相關指標信息和測試數據進行綜合分析評價，提出準確的瓦斯風險等級段落及其相關參數。

2) 瓦斯含量、瓦斯壓力及絕對瓦斯涌出量是瓦斯地質評價的重要參數，其準確性可通過理論計算與現場測試、檢測數據進行相互驗證，從而提供可靠的測試、計算和評估參數。

3) 基于瓦斯隧道的地質背景，本文的瓦斯理論計算結果與現場實測數據基本一致，采用的理論計算方法基本可行，可供類似工程借鑒。

4) 由于煤層瓦斯復雜性和不確定性，包括煤層段隱伏于非瓦斯段巖層邊側或之下，開挖過程中煤層瓦斯可能沿節理裂隙滲透至隧道內，施工中須加強全隧道煤層瓦斯等有害氣體的探測與檢測，加強隧道超前鉆孔等超前地質預報及施工全過程的瓦斯監控監測。

5) 加強隧道內瓦斯通風、瓦斯排放、瓦斯卸壓等一系列工作，并建立完善的揭煤與瓦斯防突的應急機制及處治工程預案，避免瓦斯集聚，防止瓦斯事故的發生。同時，隧道施工中加強灑水防塵工作，尤其是煤系地層施工段，要防止煤塵爆炸事故及煤層自燃發生，確保施工及隧道安全。