含煤地層隧道工程瓦斯突出危害及防突施工分析

韋祝軍

（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津300000）

0 引言

在含煤地層隧道施工中如果含有瓦斯，不僅會影響施工的進度及安全，而且會影響后期的運營安全。隧道工程在經過瓦斯含煤地層時任何一個環節控制不當，都會造成無法估量的破壞和損失。在具體施工過程中，如果挖掘到瓦斯地層，就會導致瓦斯快速擴散到整個隧道中，達到一定濃度后，一旦遇到明火，就會發生劇烈的爆炸[1]。國際上在含煤地層隧道工程瓦斯防突施工的案例比較多，但我國在含煤地層中建設隧道的工程比較少。基于此，開展含煤地層隧道工程瓦斯突出危害及防突研究就顯得尤為必要。

1 案例分析

玉京山隧道全長6 306.208 m，進口里程D3K277+860，出口里程D1K284+164。為雙線隧道，地處云南威信縣，隧洞最大埋深347 m，線間距4.6 m，單面坡設計為30‰。玉京山隧道工程范圍涉及的主要巖土為含煤地層、可溶巖及非可溶地段。地層巖性為三疊系茅草鋪組灰巖、白云巖夾泥質灰巖和泥巖，二疊系長興組灰巖、泥灰巖夾頁巖。玉京山隧道洞身D3K278+990～D3K279+061段，D3K279+061～D3K279+500段，D3K280+300～D3K280+325段，D3K280+935～D3K281+545段，D3K282+580～D3K284+134段，均位于含煤地層中。其中D3K279+061～D3K279+500段439 m洞身穿越二疊系龍潭組頁巖、砂巖、泥巖、鋁土巖夾煤和灰巖地層，為煤層與瓦斯突出地段，穿越范圍可能遇11～31層煤，煤層總厚度最大4～6 m。

2 瓦斯突出的一般規律及危害

2.1 瓦斯突出的一般規律

第一，大量研究及實例表明，瓦斯突出和地質結構關系比較大，通常情況下，在斷層或者褶曲明顯的地質結構中更容易發生瓦斯突出。

第二，含煤地層瓦斯突出區域承受的壓力普遍比較大，并且瓦斯的含量也明顯高于未突出區域。壓力和瓦斯含量越大，引發瓦斯突出的概率也就越大，造成危險系數也就越大。特別是在應力集中區域發生突出的危險性更大[2]。

第三，瓦斯突出和含煤地層構造之間的關系，指的是含煤地層中煤層的破壞類型和強度。通常情況下，煤層破壞類型越高，瓦斯突出危險性就越大。因此，在軟煤層中發生瓦斯突出的概率和危險性遠遠大于普通地層結構。

2.2 瓦斯突出的危害

瓦斯突出是含煤地層施工過程中常見的危害，從結構和本質上而言，瓦斯突出屬于一種比較復雜的動力現象，在隧道開挖過程中，拋出大量煤巖，并涌出大量瓦斯，從而影響施工的安全性[3]，造成的危害主要體現在以下幾個方面：

第一，突出煤流充塞隧道，破壞隧道施工中的機械設備、機電設備、通風系統等；

第二，會造成財產損失及人員傷亡；

第三，遇到明火，會引發瓦斯燃燒和爆炸。

3 防突措施

3.1 突出危險性預測

對區域瓦斯突出情況全面系統的預測，并按照預測結果，制定合理的預防措施，可有效降低瓦斯突出造成的危害[4]。如果煤層中瓦斯壓力及含量超出警戒值，則需要邀請專業單位進行全面檢測，確定突出臨界值。本工程瓦斯壓力、含量測定孔分布情況如圖1所示：

圖1 煤層瓦斯測定孔分布圖

通過專業的瓦斯壓力測定儀器如M-IV進行壓力測試，再通過DGC測定瓦斯含量。還要對含煤層的壓力進行全面測定，保證各項參數測定的精確性。就案例而言，布置了6個測點，按照圖1所示的位置進行合理布置[5]。

3.2 煤層瓦斯含量的測定

DGC是測定瓦斯含量最常用的一種方法，具有精度高、測定過程安全等優勢。在可測定有限時間內，通過測定一定質量的煤芯解吸出來的瓦斯的體積，從而測算出含煤層瓦斯的總體含量。如果測得的結果有一項（如瓦斯壓力、含量）大于臨界值，則表明該煤層為突出煤層。為保證施工的安全性，需進行防突處理[6]。如果測定值均小于臨界值，則可繼續掘進5 m后再進行突出危險預測。

3.3 區域防突措施

經過一系列系統規范的檢測，發現瓦斯的含量或者壓力，超過允許范圍值，應立即采取處理措施，避免發生嚴重的瓦斯突出安全事故，且進行全面系統的防突處理。具體而言，可以從以下幾個方面同時入手：

3.3.1 合理選擇抽放泵

根據施工現場實際情況和類似工程施工的經驗，在本工程施工過程中，選擇了2臺2BEA-303真空泵進行瓦斯抽放，其工作效率為48 m3/min，工作功率為75 kW，能有效滿足本工程施工過程中瓦斯抽放的需求。

3.3.2 選擇抽放瓦斯管路

在本工程瓦斯抽放過程中，選取的主管路直徑為200 mm，支管路直徑為150 mm，材質為礦用無縫鋼管，敷設在隧道邊墻的位置[7]。

3.3.3 布置瓦斯抽放鉆孔

瓦斯抽放鉆孔的質量對排放瓦斯效率有很大影響，因此，在鉆孔中必須保證各項標準都符合設計要求，如：上部輪廓線要盡量控制在12 m左右，下部控制在6 m左右，每個瓦斯抽放鉆孔之間的距離控制在40 cm左右，鉆孔深度也要嚴格控制，進入含煤層2.0 m為最佳。

圖2 瓦斯抽空放孔孔口布置圖（單位：mm）

3.3.4 瓦斯抽放

在本工程施工過程中，為避免在施工中發生瓦斯突出或者爆炸，瓦斯抽放鉆孔施工完成之后，要立即開展封孔操作，通過專業的抽放泵排除瓦斯，避免發生安全事故。如果發現漏氣問題及時處理，確認達到設計標準后，才能進行抽放操作[8]。在具體抽放過程中，還要對抽放管路進行全面保護，避免在施工過程中發生砸撞管路的現象，一旦發生碰撞損壞，立即停泵，及時上報，及時處理，避免發生更大的瓦斯擴散事故。

4 防突措施效果檢驗

當瓦斯連續抽放達到20天以后，可進行防突效果檢驗，具體指標如表1所示。

表1 區域防突措施效果檢驗指標及臨界值

為保證防突檢驗的效果，本工程在處理煤層中布置了5個檢測試驗點，具體布置情況如圖3所示。

進行效果檢測時也應用到了DGC瓦斯檢測裝置對含煤層瓦斯的含量進行全面檢測，再利用MZJWF測定瓦斯解吸指標△h2、K1值[9]。突出危險性預測指標臨界值如表2所示。

圖3 檢驗孔布置縱斷面圖

表2 工作面突出危險性預測指標臨界值表

如果檢測結果顯示，檢驗指標D、K、△h2、K1值中任一項指標超過標準值，則表示工作面防突措施不合格，需要繼續抽放，直到全部合格后才能繼續挖掘。防突措施結束后，掘進到距離煤層垂直距離2 m的位置停止掘進，進行防突處理[10]。當檢測的鉆孔瓦斯涌出初速度Qm和鉆屑瓦斯解吸指標△h2、K1值任意一項超過標準值時，工作面2 m防突措施失效，需繼續進行瓦斯抽放待到Qm（瓦斯涌出初速度）以及△h2、K1值（鉆屑瓦斯解吸指標）全部符合要求后才可繼續掘進。

5 結束語

綜上所述，本文結合工程實例，分析了含煤地層隧道工程瓦斯突出危害及防突施工。施工結果表明，在含煤地層隧道工程瓦斯防突施工中，重點在于如何釋放瓦斯，防治技術的關鍵在于明確瓦斯突出的一般規律和危害。根據工程特性從突出危險性預測、煤層瓦斯含量的測定、瓦斯抽放泵選型、抽放瓦斯管路選擇及敷設、抽放鉆孔布置、瓦斯抽放等各方面同時入手，才能保證施工的安全性。