煤與瓦斯突出隧道穿越采空區緩傾煤層揭煤防突關鍵技術研究

曾妙林 ZENG Miao-lin

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545007）

1 項目背景及工程概況

貴州省某高速公路建林巖隧道為分離式特長隧道，總長約3900m。隧道襯砌內輪廓采用三心圓，內輪廓設計高程距拱頂高度5m，凈寬10.75m。隧道施工為進、出口兩端開挖掘進，設計出口端穿過鑫源煤礦屬煤與瓦斯突出工區。通過設計圖紙及相關資料綜合分析，建林巖隧道（左幅ZK9+595～ZK9+795/右幅YK9+610～YK9+810 段）穿越鑫源煤礦煤系地層，共穿過三層煤（C6、C5、C1），穿煤段瓦斯含量高、瓦斯壓力大，存在煤與瓦斯突出危險性。建林巖隧道瓦斯段左幅縱斷面圖如圖1 所示。

圖1 建林巖隧道瓦斯段左幅縱斷面圖

2 揭煤防突系統準備

2.1 監控檢測系統

建立了瓦斯自動監控系統+人工監測系統，自動監控系統采用KJ73X 型瓦斯監控系統，實現了隧道內迎頭瓦斯、一氧化碳、風速等環境參數的實時監測，重要通風設備的開停狀態監測，實現風電閉鎖和瓦電閉鎖功能。

2.2 通風系統

通風是瓦斯治理的重要手段，高瓦斯及煤與瓦斯突出隧道須配備雙風機雙電源，風機供電實現“三專”供電（即專用變壓器、專用開關、專用線路）。

2.3 供電系統

隧道洞口地面設置3 臺箱式變壓器，其中1 臺變壓器為兩隧道（左、右線）的通風機專用供電；1 臺變壓器（KS11礦用一般型、中性點不接地）負責隧道洞內動力、照明等設備的供電；1 臺變壓器負責地面壓風、照明及地面的其他負荷；另各配備1 臺柴油發電機組，主要是保證隧道主（備）用風機的供電，從而實現通風的“雙風機、雙電源”，同時進入隧道的動力供電實現“瓦斯電閉鎖”“風電閉鎖”的閉鎖控制，以保證瓦斯隧道的安全施工。

2.4 作業設備改裝

隧道內施工的電氣設備與作業機械均使用防爆型，固定設備：電力線路、襯砌臺車，照明燈具，開關設備、射流風機、洞內掌子面抽水機等。行走作業機械：出碴車輛、挖掘機、裝載機、小型車輛、混凝土罐車、輸送泵等移動設備全部進行防爆改裝。

3 揭煤綜合防突技術措施

對具有突出危險性的煤層，揭煤時采用兩個“四位一體”綜合防突技術措施。即區域綜合防突措施，局部綜合防突措施。

3.1 地質預報

超前地質預測預報目的主要是通過物探、鉆探等手段，探測掌子面前方、周圍的地質情況，力圖在施工前掌握前方、周邊的巖土體結構、性質、狀態，以及地下水、瓦斯等的賦存情況。主洞超前地質預測預報是在結合綜合物探工作基礎上，施作3 個地質超前鉆孔予以驗證。當綜合物探有異常時，則施作5 個鉆孔，超前鉆孔直徑為?89，鉆孔與煤層頂板（底板）交點應控制在襯砌開挖輪廓線外10m 范圍內，保證正洞開挖在遇到煤層前20m 外了解煤層的大概位置。鉆孔過程中現場做好鉆探記錄，包括孔位置、開孔時間、終孔時間、孔深、鉆進壓力、鉆進速度隨鉆孔深度變化情況、孔內有毒有害氣體、返水顏色等詳細情況，施鉆過程采用水鉆，禁止使用干鉆，必要時更換相應取芯鉆頭對掌子面圍巖進行取芯。同時每班開挖過程中在掌子面施工5 個加深炮孔，單孔斜長5m，打孔過程做好詳細記錄。

3.2 煤層探測

3.2.1 煤層初探測 在掌子面掘進至距煤層法向距離20m 處位時，正洞上臺階位置施作5 個?89 超前鉆孔，鉆孔應穿過煤層并進入巖層不小于0.5m。鉆孔過程中詳細記錄各煤層的見煤點深度、煤層厚度、有無噴孔等異常現象，以初步掌握隧道掌子面與煤層間的距離，防止施工過程中誤揭煤層。該隧道屬頂板揭煤，除判別墻角煤層揭煤位置外，還應根據地質雷達預報判斷煤層是否存在褶皺或斷層。

3.2.2 煤層精探測及預測探孔 為了進一步探明隧道煤系地層的瓦斯賦存情況及地質狀況，在掌子面掘進至距煤層法向距離10m 處位置時，施工7 個穿透左、右洞煤層全厚的測壓及取芯鉆孔，詳細記錄巖芯資料，確定煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關系，并分析煤層頂、底板巖性，掌握并收集探孔施作過程中的瓦斯動力現象，為安全揭煤提供可靠的基礎資料。煤層精探測布置圖如圖2 所示。

圖2 煤層精探測布置圖

3.3 區域綜合防突措施

3.3.1 區域突出危險性預測 根據對現掌子面施工的7 個鉆孔揭露地質資料分析，掌子面前方地層產狀為82°∠38°，煤（巖）層走向與隧道夾角73°，經過換算揭露的C6和C5 煤層真視厚度為0.28m、1.22m，C6 煤層小于0.3m（沒有突出危險）與C5 煤層平均間距為3.87m，間距小于5m。因此，可將隧道出口端擬揭露C6、C5 煤層作為一個整體進行評定預測。

①C5 煤層瓦斯壓力測試：采用直接法測定煤層瓦斯壓力，即利用施工穿層鉆孔穿透煤層，封孔后直接用壓力表測定煤層瓦斯壓力。②C5 煤層瓦斯含量測試：采用直接法測定煤層瓦斯含量，即在隧道施工鉆孔時采集煤樣進行解吸瓦斯，根據煤樣解吸的瓦斯規律推算取樣過程煤樣的損失瓦斯量，然后在實驗室測定煤樣的煤層殘存瓦斯含量，最后根據損失瓦斯量、現場解吸瓦斯量、實驗室煤層殘存瓦斯含量和煤樣重量計算煤層瓦斯含量。③經過有資質的第三方預測單位測定本次煤層瓦斯含量最大值Wmax=11.94m3/t，大于臨界值8m3/t，瓦斯壓力最大值0.78MPa，超過臨界值0.74MPa。因此該隧道C5 煤層工作面為突出危險工作面，必須對其執行區域防突措施。

3.3.2 區域防突技術措施 區域防突措施一般采取洞內鉆孔抽放措施，抽放鉆孔需控制到隧道安全輪廓線范圍，瓦斯抽放后進行煤層區域檢驗。

①抽放鉆孔準備。隧道高度約10.24m，上臺階高約7.18m，下臺階高度約3.06m，首先在掌子面打設樹脂錨桿、掛塑料網片并噴射C25 混凝土封閉。確保掌子面及端頭噴射平整，防止端頭局部積聚瓦斯。然后回填渣土，修筑施鉆平臺及排水溝，同時下臺階設置三級沉淀池，抽放孔施工由上至下的順序進行。

②抽放鉆孔設計。距離煤層最小法向距離10m 位置設計抽放孔，終孔需穿過煤層底板0.5m。按照規范要求抽放鉆孔控制隧道輪廓線拱頂及左、右邊墻外不小于12m、底部不小于12m（急傾斜煤層不小于6m），拱頂控制范圍的外邊緣到隧道輪廓線的最小法向距離不小于5m，抽放半徑不得大于2.0m。根據現場區域防突效果檢驗結論，進一步進行現場防突措施方案動態調整，終孔間距按2.8m×2.8m 網格重疊布置（杜絕終孔空白帶存在）。

實際控制范圍：左邊墻13.33m、右邊墻14.57m、上部14.61m、下部13.56m。

隧道掌子面抽放鉆孔采用上、下兩臺階布置，其中：上臺階布置14 排，即第一至四排的間排距離為0.50m（孔間距）×0.35m（排間距），第五至十四排的間排距離為0.70m（孔間距）×0.35m（排間距）。下臺階布置3 排，即第十五至十七排的間排距離為0.70m（孔間距）×0.35m（排間距）。抽放孔布置圖見圖3。

圖3 抽放孔布置圖

③瓦斯抽采量計算。按照《防治煤與瓦斯突出細則》要求，區域防突措施需治理揭煤區域煤層瓦斯含量至8m3/t以下，遇地質構造帶，需治理揭煤區域煤層瓦斯含量至6m3/t 以下。該隧道超前地質預報顯示前方無地質構造帶，按治理至煤層瓦斯含量8m3/t 以下進行計算。

1）煤炭儲量計算。

式中：L—單元煤層走向長度，m；1—單元抽采鉆孔控制范圍內煤層平均傾向長度，m；H1、H2—分別為單元走向方向兩端巷道瓦斯預排等值寬度，m。h1、h2—分別為單元傾向方向兩側巷道瓦斯預排等值寬度，m。R—抽采鉆孔的有效影響半徑，m；m—單元平均煤層厚度，m；酌—評價單元煤的密度，t/m3。

2）瓦斯抽采量量計算。

抽采過程中采取自動計量裝置統計抽采期間的瓦斯抽采總量Q，預抽瓦斯后煤層的殘余瓦斯含量應小于臨界指標8m/t，為保證安全煤層殘余瓦斯含量按7.5m3/t 指標進行計算：Q=W0G-WCYG

式中：WCY——煤的殘余瓦斯含量，7.5m3/t；W0——煤的原始瓦斯含量，11.94m3/t；Q——評價單元抽排瓦斯總量，m3；G——評價單元參與計算煤炭儲量，4306.3t。

經計算單洞抽排瓦斯總量Q=（11.94-7.5）×4306.3=19120m3。

④排放參數測定。根據《煤礦安全規程》第一百八十四條（采用干式抽采瓦斯設備時，抽采瓦斯濃度不得低于25%）。本隧道設計抽采瓦斯濃度為30%，采用水環式抽放泵，按最大抽采瓦斯純量19120m3，瓦斯抽放時間最少按20 天計算，抽采混合流量約2.21m3/min。

每天測定孔口瓦斯濃度，并做好瓦斯排放臺賬，分析孔口瓦斯濃度衰減情況，根據煤層計算的原始瓦斯含量與瓦斯抽采過程中所測定的抽采參數計算煤層的殘余瓦斯含量進行區域防突措施效果檢驗。

⑤區域防突措施效果檢驗。區域防突措施效果檢驗測試點設計在距離C5 煤層10m 最小法向距離處施工，鉆孔分別位于預抽區域內的上部、下部和兩側，檢驗孔不少于4 個。

結合《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》規定，對煤層進行防突效果檢驗時，按照抽放最小控制范圍進行檢驗，采用煤層瓦斯壓力、殘余瓦斯含量及鉆屑瓦斯解析指標（K1值）檢驗。

當殘余瓦斯含量、瓦斯壓力、鉆屑瓦斯解析指標均小于規范臨界值，且未發現其他異?，F象，判定預抽措施有效，該區域為無突出危險區域；反之其中任何一項指標大于規范臨界值，則說明預抽措施效果無效，預抽區域仍為突出危險區，補充實施區域防突措施。

若防突效果檢驗判定有效，則采取全洞撤人、斷電、遠距離放炮措施開挖至C5 煤層最小法向距離5m 和2m 處，分別再次進行區域驗證（即對工作面突出危險性預測），效果檢驗達標后進行揭煤施工。

4 結語

本項目通過對煤層地質預報、超前探測、瓦斯突出性預測，制定了有效的區域綜合防突技術措施，并通過區效果檢驗論證了防突技術措施可行性，消除了瓦斯突出危險，力保了瓦斯突出隧道的安全揭煤施工，合理的防突技術措施也極大縮短瓦斯工區的施工周期，防止瓦斯工區施工中的大量窩工、停工與資源浪費問題，最大化地節省施工經濟成本，并為類似的煤與瓦斯突出隧道揭煤防突施工提供借鑒和參考。