探煤專項方案及揭煤防突預案分析

吳建標

（中鐵十二局第三工程有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

高坡隧道全長7939m，我單位承擔進口端4568m的施工任務，其中高坡隧道1#橫洞工區(qū)為低瓦斯工區(qū)，承擔正洞施工任務1789m；高坡隧道2#橫洞工區(qū)為高瓦斯工區(qū)，承擔施工任務為：正洞2779m，平導及橫通道2977.56m，橫洞440m。

該隧區(qū)位于云貴高原北部揚子準地臺滇東臺褶帶，地質(zhì)構(gòu)造復雜。斷裂褶曲均比較發(fā)育，地層巖體破碎，以東西向構(gòu)造為主，線路多大角度穿越構(gòu)造線。隧道在區(qū)域上位于三眼井向斜北部翹起端，次一級斷裂，褶曲相當發(fā)育。

2 探煤專項方案

2.1 超前地質(zhì)預報設計概況

主要預報方法為地質(zhì)調(diào)查法、物探法、超前探鉆法、超前導坑法。隧道穿越含煤地層段，超前地質(zhì)預報以超前鉆探為主。超前鉆探法主要采用加深炮孔探測和超前鉆孔探測的方法。

其中，對穿越煤層段超前鉆探的目的：

a.前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育情況探測。b.煤層分布、厚度、傾角及走向，煤的破壞類型探測。c.前方巖體瓦斯賦存及瓦斯壓力探測。d.瓦斯涌出預測及涌出初速度測試。

超前探孔具體要求：在距煤層法線距離30m或進入高瓦斯段開始，進行超前鉆孔探測；距離煤層法線距離10m，進行突出危險性預測。前探鉆孔長度按穿透煤層頂?shù)装宀恍∮?m考慮，并且搭接長度不應小于5m。根據(jù)前探鉆孔情況，確定進行突危險性預測的合理掌子面位置。

2.2 垂直煤層探測

進入2#橫洞工區(qū)范圍后，根據(jù)設計煤層傾角首先進行一個與煤層接近垂直的鉆孔，鉆孔直徑65mm，鉆孔傾角約79°，預計鉆孔長度35m，以后每隔20m進行一次，直至探測到煤層。垂直煤層鉆孔示意圖如圖1。

圖1 垂直煤層鉆孔示意圖

2.3 加深炮孔

加深炮孔在高坡隧道全段落實施，布孔方式根據(jù)《關于進一步加強高風險隧道超前地質(zhì)預報工作要求的通知》 (成貴畢節(jié)指函 [2015]83號)文的相關要求，布置在隧道開挖輪廓線周邊范圍（原則上不大于40cm），外插角按20～30度控制；隧道底部加深炮孔（超長炮孔）位置距離隧道軌頂不大于40cm，俯角不小于30度；孔深應較爆破孔（或循環(huán)進尺）深2m以上。風鉆在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息，平導每斷面均勻選取5孔，正洞可根據(jù)實際情況增加，孔深不小于5m。加深炮眼施工時做好記錄，記錄內(nèi)容為：鉆進速度是否均勻，卡鉆情況、及對應鉆孔深度；眼孔出水情況，出水對應鉆眼深度，水流色澤、流量；眼孔是否有氣泡溢出、氣泡溢出情況描述；碴樣色澤、碴屑是否含泥或其它雜質(zhì)，碴屑雜質(zhì)情況描述，來探測前方圍巖的地質(zhì)情況。平導加深炮孔布置如圖2、正洞加深炮孔布置如圖3所示。

圖2 平導加深炮眼布置示意圖

圖3 正洞加深炮眼布置示意圖

3 煤與瓦斯突出危險性預測的指標及方法

3.1 預測方法

依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》 (TB10120-2002)之6.2.2規(guī)定“瓦斯突出危險性預測應從以下五種方法中選用兩種方法，相互驗證。石門揭煤可采用瓦斯壓力法、綜合指標法或鉆屑指標法，對于煤巷掘進宜采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑指標法或‘R’指標法。”

1） 瓦斯壓力法；2） 綜合指標法；3） 鉆屑指標法；4）鉆孔瓦斯涌出初速度法；5）“R”指標法。

本次工作是進行煤與瓦斯突出危險性預測，屬石門揭煤瓦斯突出危險性預測，同時參照隧道煤層賦存條件以及隧道施工技術條件，本次煤與瓦斯突出危險性預測采用以下四種方法作為主要預測指標。

1） 煤層瓦斯含量測定法；2） 瓦斯壓力法；3） 綜合指標法；4）鉆屑指標法。

3.2 煤與瓦斯突出危險性預測指標測定

1）煤層瓦斯含量測定，首先向煤層施工取樣鉆孔，及時采取煤層新鮮煤樣，然后裝入煤樣罐進行密封，在井下進行常壓自然解吸，并測定瓦斯解吸速度，將解吸后的煤樣罐送入地面實驗室，進行粉碎前常壓瓦斯解吸，之后進行粉碎常壓瓦斯解吸，記錄地面瓦斯解吸量；根據(jù)煤樣瓦斯解吸模型、井下瓦斯解吸速度、采樣損失事件計算取樣過程中的瓦斯損失量；根據(jù)實驗室工業(yè)分析、孔隙率等參數(shù)，計算常壓不可解吸瓦斯含量；將常壓解吸的瓦斯量校正后，與常壓不可解吸瓦斯含量相加即為煤層瓦斯含量。

煤層瓦斯含量W可由下式進行計算：

式中：Wk—可解吸瓦斯量，cm3/g；

W1—井下解吸瓦斯量，cm3/g；

W2—損失瓦斯量，cm3/g；

W3—粉碎前瓦斯解吸量，cm3/g；

W4—粉碎后瓦斯解吸量，cm3/g；

Wb—常壓不可解吸瓦斯量，cm3/g，Wb采用下式進行計算：

式中：Wb—常壓不可解吸瓦斯量，cm3/g；

a，b—煤的吸附常數(shù)；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

F—煤的孔隙率，m3/m3；

γ—煤的容重（視密度），t/m3。

2）煤層瓦斯壓力測定，瓦斯壓力是標志煤層瓦斯賦存狀態(tài)的一個重要參數(shù)。在研究礦井煤與瓦斯突出、瓦斯涌出、瓦斯抽采時，它是一個關鍵性的基礎參數(shù)。瓦斯以游離和吸附狀態(tài)賦存于煤的微孔隙和裂隙中。一般情況下，瓦斯壓力越大，煤層瓦斯含量就越大，瓦斯壓力與埋藏深度和局部構(gòu)造應力等因素有關，與成煤年代、煤的變質(zhì)程度無關；淺部瓦斯壓力較小，隨著開采深度的增加，瓦斯壓力一般近似線性增加，在地質(zhì)構(gòu)造帶，強大的構(gòu)造應力作用可使煤體中的孔隙和裂隙變小，甚至閉合，瓦斯流通性大大減弱，瓦斯占據(jù)孔隙減小，出現(xiàn)局部瓦斯壓力增高帶；在一些開放性構(gòu)造帶，瓦斯運移使瓦斯壓力減小，因而，瓦斯壓力在煤層中將呈現(xiàn)與采深的線性相關性和局部的非均勻性。

煤層原始瓦斯壓力的測定嚴格按國家安全生產(chǎn)行業(yè)標準的規(guī)定進行。采用注漿封孔，主動式測壓法，采用N2罐補氣，補氣壓力0.5MPa，每個鉆孔補氣時間為1h。瓦斯壓力測定步驟如下：

準備測壓器材，壓力表：根據(jù)地質(zhì)勘探測定的瓦斯壓力值約為1MPa，選用量程為其1.5倍以上的壓力表，本次用的壓力表量程2.5MPa，精確到0.01MPa；測壓管：本次測壓管為φ8×2mm的紫銅管；注漿管：施工現(xiàn)場配備，選用φ16×2mm的無縫鋼管；封孔材料：采用水泥、膨脹劑、速凝劑混合封孔，水灰比為 2∶1，水泥∶膨脹劑∶速凝劑=8∶1∶1，封孔深度為4m；生膠帶：密封各測壓管接頭用；三通：連接測壓管、氮氣罐與壓力表。；氮氣罐：施工現(xiàn)場配備，壓力0.5MPa。

布置測壓鉆孔，采用超前探測鉆孔，封孔與補氣

①封孔：進行測壓設備安裝并封孔，孔口2m左右采用錨固劑、木屑加速凝劑進行封孔，成型后進行注漿。注漿采用手持式注漿泵，待控漿管流出水泥漿液停止注漿，控漿管采用2m一根的無縫鋼管連接，共2根4m。封孔長度4m，鉆孔穿過煤層0.5m左右。封孔示意圖如圖4。

②補氣：采用N2罐補氣，補氣壓力0.5MPa，每個測壓鉆孔補氣時間為1h。

圖4測壓封孔示意圖

3）鉆屑瓦斯解吸指標測定，鉆孔取樣同第2條，使用儀器為WTC型突出預測儀，測定時每鉆進2m，取一次鉆屑作解吸特征測定。取樣時，應備好秒表、篩子，鉆孔鉆到預定深度時，用組合篩子在孔口接鉆屑，同時啟動秒表，一面取樣，一面篩分，當鉆屑量不少于100 g時，停止取樣，并繼續(xù)進行篩分，最后把已篩分好的φ1-3mm的煤樣裝入WTC儀器的煤樣罐內(nèi)，蓋好煤樣罐，準備測試。當秒表走到t。時（通常規(guī)定t。為1～2 min)，啟動儀器采樣鍵進行測定，經(jīng)5 min后，當儀器顯示t。時，用鍵盤輸人to，按監(jiān)控鍵，儀器顯示Lo，輸人Lo按監(jiān)控鍵，儀器進行計算

4）平均堅固性系數(shù)f測定，測定步驟：①將搗碎筒放置在水泥地板或2cm厚的鐵板上，放入試樣一份，將2.4kg重錘提高到600mm高度，使其自由落下沖擊試樣，每份沖擊3次，把5份搗碎后的試樣裝在同一容器中；②把每組 (5份)搗碎后的試樣一起倒入孔徑0.5mm分樣篩中篩分，篩至不再漏下煤粉為止；③把篩下的粉末用漏斗裝入計量筒內(nèi)，輕輕敲打使之密實，然后輕輕插入具有刻度的活塞尺與筒內(nèi)粉末面接觸。在計量筒口相平處讀取數(shù)L即粉末在計量筒內(nèi)實際測量高度，讀至毫米)。

當L≥30mm時，沖擊次數(shù)n，即可定為3次，按以上步驟繼續(xù)進行其他各組的測定。

當L＜30mm時，第一組試樣作廢，每份試樣沖擊次數(shù)n改為5次，按以上步驟進行沖擊、篩分和測量，仍以每5份作一組，測定煤粉高度L。

堅固性系數(shù)的計算

堅固性系數(shù)按下式計算：

式中：f—堅固性系數(shù)；

n—每份試樣沖擊次數(shù)，次；

L—每組試樣篩下煤粉的計量高度，mm。

測定平行樣3組 (每組5份)，取算數(shù)平均值，計算結(jié)果取一位小數(shù)。

3.3 軟煤堅固性系數(shù)的確定

如果取得的煤樣粒度達不到測定f值所要求粒度 (20～30mm)，可采取粒度為1～3mm的煤樣按上述要求進行測定，并按下式換算：

當 f1～3＞0.25 時，f=1.57f1～3-0.14

當 f1～3≤0.25 時，f=f1～3

式中：f1～3—粒度為1～3mm時煤樣的堅固性系數(shù)。

5）放散初速度測定

測定步驟

①把2個試樣用漏斗分別裝入△P測定儀的2個試樣瓶中；②啟動真空泵對試樣脫氣1.5h；③脫氣1.5h后關閉真空泵，將甲烷瓶與試樣瓶連接，充氣 (充氣壓力0.1MPa)使煤樣吸附瓦斯1.5h；④關閉試樣瓶和甲烷瓶閥門，使試樣瓶與甲烷瓶隔離；⑤開動真空泵對儀器管道空間進行脫氣，使U型管汞真空計兩端汞面相平；⑥停止真空泵，關閉儀器空間通往真空泵的閥門，打開試樣瓶的閥門，使煤樣瓶與儀器被抽空的死空間相連并同時啟動秒表計時，10s時關閉閥門，讀出汞柱計兩端汞柱差P1(mm)，45s時再打開閥門，60s時關閉閥門，再一次讀出汞柱計兩端差P2(mm)。

瓦斯放散初速度指標的計算

瓦斯放散初速度指標按下式計算：

同一煤樣的兩個試樣測出△P值之差不應大于1，否則需要再重新進行測定。

4 揭煤施工

根據(jù)施工組織設計的要求，平導超前于正洞施工，因此先進行平導的揭煤工作。根據(jù)設計資料顯示，該隧道揭露的煤層為近水平煤層，平導采用一次性全斷面揭煤較困難，采用分段揭煤方法，在進行瓦斯排放措施并檢驗有效以后首先進行平導揭煤施工，先揭掌子面的下半段，再揭掌子面的上半段。

正洞采用上下臺階法進行揭煤施工，在進行瓦斯排放措施并檢驗有效以后進行正洞揭煤施工，先揭下臺階煤層，再揭上臺階煤層。

5 結(jié)語

隧道執(zhí)行了兩個“四位一體”的綜合防突措施后，經(jīng)效果檢驗為無突出危險工作面。正常情況下，掌子面是安全可靠的，但由于形成突出的因素隨機性很大，還有可能由于施工水平、儀器誤差、工作人員的知識水平、責任心等一系列因素，發(fā)生誤判。為此，必須采取安全防護措施，其目的在于當突出預測失誤，避免造成人員傷亡的一種措施，從而建立起防止突出事故的第二道保障線。