瓦斯隧道工程地質(zhì)勘察與評價(jià)

徐世靜

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

1 概述

近年來，隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展,鐵路等級不斷提高,長大、深埋隧道大大增加,部分隧道不可避免的穿越煤系地層,給隧道工程的施工帶來隱患。由于瓦斯?jié)舛扰c煤(巖)中的瓦斯含量常有對應(yīng)關(guān)系,對隧道施工、運(yùn)營安全產(chǎn)生很大影響。因此，對穿越煤系地層的隧道,應(yīng)開展瓦斯隧道的地質(zhì)工作。以山西呂梁地區(qū)某瓦斯隧道的勘察為例,對瓦斯隧道的勘察方法及煤層瓦斯、煤塵指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià),并提出合理的工程措施建議。

2 工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

該隧道位于晉西呂梁山西麓,屬黃土丘陵溝壑地形,是呂梁山向黃河峽谷的延續(xù)。地形總體是東高西低,北高南低,溝谷切割嚴(yán)重,大多呈“V”形,溯源侵蝕強(qiáng)烈,溝深、谷窄、坡陡。隧道區(qū)內(nèi)山脊主要呈北東-南西向展布,形成分水嶺。

2.2 地層巖性和煤層分布

隧道區(qū)分布的地層從老至新有下古生界奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)、峰峰組(O2f)，上古生界石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t)，二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)及上統(tǒng)上石盒子組(P2s)，新生界第三系上新統(tǒng)保德組(N2b)，第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l)、上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)地層。石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)分布于隧道區(qū)中部,為全區(qū)主要含煤地層之一。底部以灰白色中-粗粒石英砂巖連續(xù)沉積于本溪組(C2b)地層之上,與下伏地層呈整合接觸,總厚度約114 m。二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)為區(qū)內(nèi)另一主要含煤地層,總厚度約58 m，為深灰色或灰黑色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖互層。隧道區(qū)穿越兩組全部地層和煤層。

3 瓦斯隧道勘察方法

廣泛收集資料,包括鄰近煤礦和油氣田的既有資料,區(qū)域工程地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、水文地質(zhì)、有害氣體的實(shí)測資料,油氣田氣井資料及有關(guān)瓦斯賦存、突出的其他地質(zhì)資料。在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域地層情況,分析煤系地層深度、煤層數(shù)量,合理布置勘探孔,并進(jìn)行詳細(xì)的勘探孔設(shè)計(jì),施鉆過程應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)程,及時進(jìn)行巖心鑒定,按要求采取煤層瓦斯樣品進(jìn)行測試、分析。最后根據(jù)所采樣品的測試結(jié)果,對隧道工程瓦斯情況進(jìn)行綜合評價(jià),并提出相應(yīng)的工程措施建議。

4 隧道煤層瓦斯、煤塵分析評價(jià)

4.1 收集既有相關(guān)資料

(1)瓦斯分帶規(guī)律

根據(jù)《山西省河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)三交勘探區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告》和《河?xùn)|煤田離石礦區(qū)詳查勘探報(bào)告》,該隧道區(qū)屬二氧化碳-氮?dú)鈳?瓦斯含量0.03～3.15 mL/g,CH4百分含量<20%,隧道區(qū)瓦斯含量等值線呈近東西向展布。

瓦斯變化梯度,是指煤層中沼氣含量平均每增1 ml/g的煤層下延深度。計(jì)算公式來自1987年全國礦產(chǎn)儲量委員會頒發(fā)的《煤炭資源地質(zhì)勘探規(guī)范說明》。瓦斯變化梯度計(jì)算結(jié)果：5號煤層為15.7～111.26 m,平均59.02 m；8號煤層為11.08～316.53 m,平均107.04 m；9號煤層為12.44～118.54 m,平均53.02 m。2、3、4、10號煤層未進(jìn)行計(jì)算。

(2)瓦斯及二氧化碳涌出量

通過收集呂梁市煤炭工業(yè)局文件“呂煤安字[2007]661號”《關(guān)于對臨縣銀富煤業(yè)有限公司等18對礦井2007年度瓦斯等級及二氧化碳涌出量鑒定的批復(fù)》2007年度瓦斯鑒定結(jié)果： 5號煤層絕對涌出量為0.51～0.7 m3/min,相對涌出量為1.24～1.87 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；8號煤層絕對涌出量約0.64 m3/min,相對涌出量約1.92 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；9號煤層絕對涌出量為0.51～0.61 m3/min,相對涌出量1.74～2.29 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級。2007度二氧化碳鑒定結(jié)果：5號煤層絕對涌出量為0.64～0.91 m3/min,相對涌出量1.53～2.43 m3/t；8號煤層絕對涌出量約0.83 m3/min,相對涌出量約2.49 m3/t；9號煤層絕對涌出量0.66～0.74 m3/min,相對涌出量2.04～2.96 m3/t。

收集呂梁市臨縣煤炭工業(yè)局文件“臨煤發(fā)[2008]117號”《關(guān)于我縣十八對礦井2008年度礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果的報(bào)告》2008年度瓦斯鑒定結(jié)果：4號煤層絕對涌出量0.52～4.97 m3/min,相對涌出量1.53～9.39 m3/t,瓦斯鑒定礦等級為低級； 5號煤層絕對涌出量0.25～0.55 m3/min,相對涌出量0.70～4.00 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級；8號煤層絕對涌出量約0.52 m3/min,相對涌出量約1.63 m3/t,瓦斯鑒定礦等級為低級；9號煤層絕對涌出量0.48～0.52 m3/min,相對涌出量1.63～2.23 m3/t,瓦斯鑒定礦測定等級為低級。本年度二氧化碳鑒定結(jié)果：4號煤層絕對涌出量0.36～1.64 m3/min,相對涌出量0.68～2.79 m3/t；5號煤層絕對涌出量0.28～0.74 m3/min,相對涌出量1.06～4.80 m3/t；8號煤層絕對涌出量約0.66 m3/min,相對涌出量約2.07 m3/t,9號煤層絕對涌出量0.61～0.72 m3/min,相對涌出量1.87～3.11 m3/t。

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB10120—2002)劃分標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)全工區(qū)的瓦斯絕對涌出量小于0.5 m3/min時,為低瓦斯工區(qū)；大于或等于0.5 m3/min時,為高瓦斯工區(qū)。本區(qū)賦存的4、8號煤層均屬高瓦斯工區(qū),5、9號煤層局部處于低瓦斯工區(qū),大部為高瓦斯工區(qū)。

4.2 勘探取樣

通過現(xiàn)場調(diào)查,在綜合分析地層和煤層埋藏的基礎(chǔ)上,在DK21+750附近施工了WS-1號地表垂直鉆孔,孔深268.65 m,穿越了7號煤層,厚度0.60 m,在鉆進(jìn)7號煤層下的泥巖和砂巖中,多層巖石破碎,該鉆孔在石炭系上統(tǒng)太原組地層中共揭露3層標(biāo)志層：K2灰?guī)r、7號煤層、K1砂巖。終孔地層為奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r地層。并及時采取了煤芯樣和瓦斯樣(現(xiàn)場解吸),送交山西省煤炭工業(yè)局綜合測試中心進(jìn)行化驗(yàn)測試工作。

4.3 煤層瓦斯測試及分析

二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)及石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)是該隧道穿越的主要的含煤地層,據(jù)勘探結(jié)果及區(qū)域地質(zhì)資料,工作區(qū)主要穿越2、3、4、5、8、9(8+9)號煤層、10號煤層為主要可采煤層。

(1)瓦斯含量

瓦斯及二氧化碳含量,見表1。

表1 7號煤層瓦斯含量試驗(yàn)報(bào)告 cm3/g·daf

通過表1可換算出7號煤層瓦斯含量為0,二氧化碳含量為0.31 m3/t。通過自然瓦斯成分分析：CO2=5.52%,N2=94.48%,H2=0, C2～C8=0,說明7號煤層處在二氧化碳-氮?dú)鈳?與《山西省河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)三交勘探區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告》和《河?xùn)|煤田離石礦區(qū)詳查勘探報(bào)告》勘察成果一致。

(2)煤層吸附常數(shù)(a、b)

本次7號煤層吸附常數(shù)測試與上述測試工作同時進(jìn)行,成果見表2。

表2 7號高壓容量吸附試驗(yàn)報(bào)告

(3)工作區(qū)各主要可采煤層瓦斯賦存壓力(P)

根據(jù)《山西省河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)三交勘探區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告》和《河?xùn)|煤田離石礦區(qū)詳查勘探報(bào)告》,工作區(qū)瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之間。因7號煤層與本區(qū)其他煤層煤質(zhì)特性相近,故參考7號煤層測試的吸附常數(shù)(a、b),概略計(jì)算本區(qū)其他主要可采煤層瓦斯賦存壓力(P),供參考。

計(jì)算公式為朗格繆爾計(jì)算公式

式中V——瓦斯含量[cm3(mL)/g或m3/t]；

a、b——吸附常數(shù)；

P——煤層瓦斯賦存壓力(MPa)。

則

經(jīng)上述概略計(jì)算,工作區(qū)內(nèi)各主要可采煤層瓦斯賦存壓力在0.002 6～0.299 4 MPa。

(4)煤塵

據(jù)《山西省河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)三交勘探區(qū)詳查地質(zhì)報(bào)告》和《河?xùn)|煤田離石礦區(qū)詳查勘探報(bào)告》,該區(qū)實(shí)驗(yàn)室煤塵爆炸性鑒定結(jié)果顯示：2、3、4、5、8、9、10號煤層煤塵均有爆炸性,爆炸指數(shù)為30.4%～40.2%。該區(qū)實(shí)驗(yàn)室煤的自燃試驗(yàn)結(jié)果顯示：2、3、4、5、8、9、10號煤層均屬Ⅱ級自燃煤層。

據(jù)呂煤安字[2007]661號《關(guān)于對臨縣銀富煤業(yè)有限公司等18對礦井2007年度瓦斯等級及二氧化碳涌出量鑒定的批復(fù)》,煤塵亦均有爆炸性,煤與瓦斯突出次數(shù)為0,瓦斯噴出次數(shù)為0,煤層自燃傾向性為Ⅱ～Ⅲ級,煤層最短發(fā)火期為6～8月。

根據(jù)“臨煤發(fā)[2008]117號”《關(guān)于我縣十八對礦井2008年度礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果的報(bào)告》,煤塵亦均有爆炸性,煤與瓦斯突出次數(shù)為0,瓦斯噴出次數(shù)為0,煤層自燃傾向性為Ⅱ～Ⅲ級,煤層最短發(fā)火期為6～8月。

4.4 評價(jià)

該隧道區(qū)內(nèi)各主要可采煤層均處在二氧化碳-氮?dú)鈳?瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之間,CH4百分含量<20%,瓦斯賦存壓力在0.002 6～0.299 4 MPa之間,本區(qū)賦存的4、8號煤層均屬高瓦斯工區(qū),5、9號煤層局部處于低瓦斯工區(qū),大部為高瓦斯工區(qū),無煤與瓦斯突出現(xiàn)象,無瓦斯噴出現(xiàn)象。

隧道區(qū)內(nèi)各主要可采煤層煤塵均有爆炸性,煤層最短發(fā)火期為6～8個月,自燃傾向性均屬Ⅱ～Ⅲ級。

隧道穿越的煤系地層位置在DK21+540～DK22+450和DK24+30～DK24+530段,總長度為1410 m,穿越煤層有2、3、4、5、8、9、10號煤層。

5 瓦斯隧道施工工程措施建議

隧道進(jìn)入煤系地層時,必須提前進(jìn)行瓦斯超前探測、試驗(yàn)工作,邊探邊掘,循環(huán)施工,以防瓦斯大量涌出。

堅(jiān)持“預(yù)測預(yù)報(bào),有疑必探,先探后掘,先治后掘”的方針。

隧道施工中加強(qiáng)灑水防塵工作,尤其在煤系地層施工段,以免發(fā)生煤塵、巖塵爆炸事故,同時防止煤層自燃現(xiàn)象發(fā)生。

施工中必須加強(qiáng)通風(fēng)管理工作,杜絕掘進(jìn)面上隅角局部瓦斯積聚,從而引發(fā)瓦斯事故。

加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備管理工作,杜絕機(jī)電設(shè)備的失爆現(xiàn)象發(fā)生。

加強(qiáng)隧道施工的支護(hù)管理工作,杜絕空頂作業(yè)。

加強(qiáng)隧道施工中的防滅火工作,杜絕隧道內(nèi)明火。

[1] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[2] TB 10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[3] TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S]