高濃瓦斯隧道超前探測與瓦斯監控方法研究★

張 珍

(中鐵六局集團廣州工程有限公司,廣東 廣州 511400)

我國西南部地處山地,重巒疊嶂,礦產豐富,隨著西部高速公路網規劃的實施,尤其是貴州省6橫-7縱-8聯高速公路網的建設開展,高速公路隧道穿越煤層的工程施工屢見不鮮。由于高速公路瓦斯隧道具有修筑斷面大、圍巖破碎且復雜、煤系地層中瓦斯賦存不穩定、施工工序危險系數大等特點,施工中常出現瓦斯泄露、圍巖垮塌等現象,危及現場施工安全?，F有施工技術中,一方面需建立完善煤系地層施工防護技術,另一方面由于公路瓦斯隧道施工規范還不健全,須依據鐵路瓦斯隧道施工規范和相關經驗進行施工掘進。這必然帶來了以下幾點問題：1)公路隧道現場施工技術和管理人員對隧道穿越煤系地層的關鍵節點和瓦斯擴散機理認識不全;2)煤系地層施工中缺乏對掌子面氣體安全的必要檢測和監測而貿然掘進,導致瓦斯泄露;3)對隧洞內瓦斯運移擴散規律掌握不清,因而缺乏針對性的預防、處置措施。以上所述幾點是導致近年來高速公路瓦斯隧道煤與瓦斯爆炸和坍塌事故頻發的主因[1-4],造成了巨大的人員和財產損失。因此,針對大斷面隧道穿越煤系地層的技術研究,成為了工程界關注的又一重點。

針對高速公路瓦斯隧道穿越煤系地層問題,眾多專家和學者從安全防護措施、抽排防方案、快速揭煤技術等方面開展了一系列研究。黃長國[5]根據結合煤炭總局發布的防治煤與瓦斯等有害物質的相關政策和指南[6],將“優先區域措施,補充局部措施”作為隧道煤氣防治的總則。以此為基礎,探索和推進煤系隧道開挖探煤、瓦斯抽排、隧洞內有害氣體評價、安全防護及通風監控等[7-9]技術。劉敦文等[10]針對各因素對瓦斯隧道施工通風效果影響,開展研究,就隧道施工通風方案進行了優化,并排列出各因素權重和施作效果。呂貴春[11]、武磊等[12]針對大斷面隧道揭煤突發瓦斯泄露的危險性預測方法開展了研究,就如何提高揭煤工作面的安全性和預防高速公路瓦斯隧道事故等措施提出了相關建議。除了傳統的隧洞內抽排方法外,李棟等[13]根據煤系地層隧道施工的特點,提出了多孔割縫定向水壓劈裂法,利用定向水壓力切割大斷面瓦斯隧道,從而實現快速揭煤技術。

綜上所述,現有研究在揭煤探測、防突預測、通風等技術方面取得了不錯成果,但針對大斷面高濃瓦斯隧道煤層探測及通風方法的研究仍鮮有報道。因此,本文以貴州金沙經仁懷至桐梓高速公路黃家嘴大斷面隧道穿越煤系地層為工程背景,對典型煤系地層高濃瓦斯隧道超前鉆孔探測技術及通風方法進行了研究。研究成果可為高速公路穿越煤系地層現場施工提供良好的借鑒經驗及參考價值。

1 工程概況

黃家嘴隧道按照左、右分離式設計,左線隧道里程樁號Z3K89+593—Z3K90+850,長1 257 m;右線隧道里程樁號K89+594—K90+855,長1 261 m,均屬長隧道。隧道左線最大埋深243.83 m,右線最大埋深253.46 m,設計標準為雙向四車道高速公路,整幅路基寬度24.5 m,單幅路基寬度12.25 m,如圖1所示。

2 隧道地質編錄與超前鉆孔探測

瓦斯隧道以便鄰近采礦區,通過對鄰近采礦區的煤系地層地質參數及特點分析,便于施工人員更為清晰全面掌握隧道施工區域范圍內煤系地層、瓦斯分布等基本情況。但受到高速公路與煤礦行業的限制,相關地勘資料收集、分享具有一定難度。因此,鄰近隧道項目并未及時進行煤礦區地質編錄的查詢與整理。在隧道施工前,對各地層按里程編號對隧道進行工程地質勘察,受限于地質勘察取芯長度,對于不同位置的煤系地層與瓦斯含量分布掌握情況較差,地質勘察報告并不全面。因此,為了更好掌握隧道開挖區域的煤系地層的分布、貯存和瓦斯運移情況,從周邊煤礦的煤層與瓦斯資料較豐富、詳實考慮,對隧道施工區域內的煤系地層進行地質編錄。

2.1 地質編錄

含煤地層為中風化砂巖和泥質粉砂巖,該區域地層含煤地層,厚度70 m～116 m,平均厚度84 m,共含煤7層—13層煤,煤層總厚6 m～10 m,平均8 m,含煤系數為10%。區內可采煤層分別為C5,C4,C1號煤層,分層概述如表1所述。

表1 隧道穿越煤層分布特點統計

2.2 超前探孔探測

對隧道施工范圍內地質編錄的分析與整理,可作為隧道探測實施的基礎資料。在隧道施工時須采用超前鉆孔探測法,獲得施工區域煤系地層和瓦斯分布特點,這也是保障瓦斯隧道施工安全的關鍵手段。

高速公路隧道施工所進行的超前地質預報探測距離較短,且無法準確探測前方的煤巖體類型,因此本次設計的隧道煤系地層瓦斯隧道超前探測有別于常規隧道的超前地質預報。采用隧道煤層和瓦斯超前鉆孔探測,通常在進入煤層段前須開始進行,以便及時指導隧道開挖施工。結合超前鉆孔探測結果,及時調整施工方案和現場組織管理,以保證快速、安全和高效的施工過程。針對煤系地層高濃瓦斯隧道采用超前鉆孔探測,除了可準確探明掌子面前方開挖區域煤層和瓦斯分布情況外,還可以以最小探測量實現區域性探孔。

基于煤系地層超前探測與施工要求,對比工程常見物探和鉆探兩種技術特點[14],采用隧道超前鉆孔探測,利用小范圍、小距離探測,對掌子面施工范圍內進行小孔鉆探,實施更為安全、科學與經濟。

其施工核心技術在于對鉆探點和方案優化,工程難點在于鉆孔取芯后的巖性判斷、瓦斯運移后的抽排。

2.2.1 超前探孔探測方案

通過地勘資料可知在HJZ-7,里程為K90+510—K90+860段預計為煤系地層段,隧道超前探孔處見圖2。

具體超前探孔方案如下：

1)利用加深炮眼探測隧洞開挖前掌子面是否存在瓦斯等有害氣體的泄露與溢出。單斷面炮眼數量須大于5個,且由拱頂-拱腰-拱底均勻分布,規定炮眼深度大于5 m。若設置的加深炮眼探測出有毒有害氣體溢出,一方面需要加大掌子面通風量和風速,另一方面采用3臺φ100 mm HQF110全風動水平鉆鉆孔進行超前探測驗證。超前鉆孔后的施工長度設定為20 m,預留5 m的安全距離,可隨時監控掌子面瓦斯溢出情況。

2)探測出有毒有害氣體后,根據現場監測情況立即確定有害氣體涌出位置。利用既有超前探孔驗證瓦斯涌出后,應增加不少于3個φ100 mm超前鉆孔(4號—6號孔)對瓦斯涌出濃度、圍巖破碎程度、涌出速率進行確認。具體新增探孔位置,如圖3所示。

黃家嘴隧道超前鉆孔探測現場施作圖,如圖4所示。

2.2.2 超前探孔探測結果及分析

通過超前鉆孔探測在里程K90+700—K90+860段存在瓦斯氣體,全長160 m,洞身穿越二疊系龍潭組煤系地層,洞室開挖易產生瓦斯溢出,對應可采煤層C5,C4和C1,各層瓦斯成分如表2所示。

表2 瓦斯濃度監測結果分析

從表2中可看出,該段區域無空氣基CH4質量分數(包括重烴)為44.12%～98.62%,平均為74.41%。其中C5煤層平均為65.67%,C4煤層平均為80.71%,C1煤層平均為76.84%。無空氣基N2質量分數為1.10%～55.54%,平均為25.18%,無空氣基CO2質量分數為0.06%～1.45%,平均為0.41%。根據HJZ-7隧道探孔777.34處～779.74處(厚2.4 m)取C5層煤做瓦斯監測,瓦斯壓力為0.5 MPa,參照《鐵路瓦斯隧道技術規范》規定[15],左幅隧道出口里程Z3K90+670—Z3K90+875全長205 m,右幅隧道Y3K90+688—Y3K90+858全長170 m為高瓦斯隧道段。

3 隧道瓦斯監控方法

通過隧道超前鉆孔探測確定施工段瓦斯濃度及區域,同時需要針對煤系地層高濃瓦斯隧道施工過程中有害氣體擴散、運移和溢出進行實時監測[16-17]。

金仁桐高速黃家嘴隧道穿越煤系地層施工期間,預先構建好以自動化監測實施監測結合人工加密探測有毒有害氣體監控系統。該系統利用掌子面附件傳感器記錄測點附近氣流參數、掌子面附近瓦斯濃度、風筒出口處的通風量和流速等關鍵參數,通過數據接口反映至主機端。該瓦斯隧道有毒有害氣體監測系統組成分布見圖5。

具體監控措施如下：

1)自動化系統實現實時監測：該系統通過隧洞內拱頂、拱腰處監測傳感器對掌子面附近、隧洞斷面各處空氣內有害氣體含量進行實時監測,將前端數據反饋至中轉站,通過電信信號傳至地面段主機處,并將隧洞內有害氣體含量顯示至主屏,便于地面管理人員掌握一手洞內信息。自動化監測傳感器設備如圖6所示。

2)結合隧道瓦斯溢出容易在掌子面上隅角聚集的特點,在掌子面、模板臺車頂部的上隅角安設可拆卸式甲烷監測預警儀。當檢測到瓦斯質量濃度ω>0.5%時[18],預警儀自動報警;當ω>1%時,由主控系統切斷作業區電源,工人停止作業,并可及時撤出。隧道內瓦斯監測統計見圖7。

由圖7監測結果可知,隧道左洞瓦斯涌出量最大值為0.88 m3/min,對應開挖工作面最大瓦斯質量濃度為0.12%,而右線瓦斯涌出濃度最大值為1.15 m3/min,對應開挖工作面最大瓦斯濃度為1.15%。根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》可判斷該隧道為高瓦斯隧道。開挖時,應控制掌子面回風流速,以稀釋瓦斯風量,最大程度減小瓦斯濃度,避免隧道拱頂產生瓦斯局部積聚等問題[19-20]。

采用自動化監測與人工監控結合的方法,可針對不同氣體濃度實時監測,設置報警閾值,保障工況作業安全。此外,利用物聯網平臺對監測有害氣體濃度數據可有助于生成圖文報表,掌握時間范圍內氣體濃度波動來了解隧道內氣體運移機制,為下一步工程施工提供可靠的數據支持。

4 結論

1)目前,高速公路穿越煤系地層探測主要采用常規的超前地質預報,單次探測距離短,準確性低。本文依托貴州金沙經仁懷至桐梓高速公路黃家嘴大斷面隧道穿越煤系地層項目,介紹了以煤礦地質編錄為藍本,結合多點鉆探方式來進行超前鉆孔探測的方法,探測精度高、成本低,科學可靠。

2)通過地質編錄與超前鉆孔探測法,確定隧道穿越煤系地層確定高濃瓦斯段為左幅隧道出口里程Z3K90+670—Z3K90+875全長205 m,右幅隧道Y3K90+688—Y3K90+858全長170 m為高瓦斯隧道段。

3)示范式構建了自動化監測與人工監測相結合的高濃瓦斯監控系統。該系統可針對不同氣體濃度實時監測,設置報警閾值,保障工況作業安全。