傾斜突出煤層排放設(shè)計(jì)方法優(yōu)選

吳銘芳，周 雅

(中鐵二院貴陽設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴陽 550002)

0 引言

在煤系地層中修建隧道往往存在3大問題:1)煤系地層多數(shù)含有瓦斯，有瓦斯爆炸危險(xiǎn);2)瓦斯壓力高的地層，存在煤與瓦斯突出的可能，在地應(yīng)力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤和瓦斯突然噴出，造成災(zāi)害;3)煤系地層一般為軟弱圍巖，尤其是煤層中的軟分層，穩(wěn)定性差，支護(hù)施工要求高。因此，為降低煤層瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)，瓦斯隧道在施工中須降低瓦斯壓力，瓦斯排放就顯得尤為重要。

我國現(xiàn)行的《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》［1］未給出穿越多層煤的設(shè)計(jì);肖錫莊等［2］介紹的孫家寨煤層隧道施工經(jīng)驗(yàn)及金強(qiáng)國［3］介紹的圓梁山隧道進(jìn)口揭煤防突施工技術(shù)也是隧道穿越單層煤的情況，且煤層傾角較大;李偉等［4］研究的立井揭穿強(qiáng)突煤層瓦斯排放鉆孔方案也是針對單層煤展開的。而對隧道穿越多層距離較近且傾角較小的傾斜煤層來說，在相同垂距下，石門水平長度較長，會(huì)存在1次排放不完，排放孔較長等問題。本文以改建鐵路重慶至貴陽擴(kuò)能改造工程新涼風(fēng)埡隧道為工程背景，研究了隧道穿越具突出性危險(xiǎn)的多層距離較近且傾角較小傾斜煤層的排放設(shè)計(jì)方法，可為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

新涼風(fēng)埡隧道位于云貴高原構(gòu)造剝蝕—巖溶侵蝕地貌區(qū)，穿越地被喻為渝黔交通咽喉，全國聞名的“七十二道灣”所在地涼風(fēng)埡風(fēng)景區(qū)。隧道全長7 618 m(DK149+846～DK157+464)，為越嶺瓦斯、巖溶長隧道。隧道進(jìn)口端1 386 m位于R為9 000的右偏曲線上，出口端3 873m位于R為7 000的右偏曲線上，中間段2 359 m為直線段。隧道為人字坡，變坡點(diǎn)里程DK154+800，縱坡分別為 17.8‰上坡、18.0‰上坡、9‰上坡、－3‰下坡。軌面設(shè)計(jì)高程為903.740～984.131 m，隧道最大埋深約563 m。隧道于線路左側(cè)30 m處設(shè)平導(dǎo)，進(jìn)口平導(dǎo)長4 700 m，出口平導(dǎo)長1 873 m，中間預(yù)設(shè)計(jì)泄水洞1 054m。隧址區(qū)地層眾多，巖性復(fù)雜。隧道在DK155+413～+588段穿越含煤地層龍?zhí)督M(P2l)，含可采煤層5層，分別為 K2，K4，K5，K8和K9，主采 K2，K4 和 K5，厚度 1.5 ～2 m，層位較穩(wěn)定，煤層傾角為28°，與隧道軸線夾角65°。煤層隧道中線縱斷面及路肩平面如圖1和圖2所示。煤系地層處于本隧道出口工區(qū)范圍，出口工區(qū)為高瓦斯工區(qū)，隧道在穿越該段煤系地層時(shí)，采用CRD法施工，隧道斷面分部如圖3所示。

煤層最大瓦斯壓力1.5MPa，瓦斯含量21.34mL/g。據(jù)DZ－新涼風(fēng)埡－11鉆孔煤層自燃與煤塵爆炸鑒定報(bào)告、隧址區(qū)及周邊煤礦瓦斯等級鑒定報(bào)告和桐梓煤礦在2004年7月14日和2006年6月30日發(fā)生的煤層瓦斯突出爆炸分析，該段含煤地層段為高瓦斯并具有突出風(fēng)險(xiǎn)［5］。因此，在設(shè)計(jì)中須制訂安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效、切實(shí)可行的瓦斯排放方案，以確保隧道安全通過煤層。

圖3 隧道斷面分部示意圖Fig.3 Cross-section of tunnel

2 防治煤與瓦斯突出技術(shù)要求

新涼風(fēng)埡隧道在穿越煤系地層時(shí)，須嚴(yán)格按照圖4進(jìn)行作業(yè)［6］，以保證施工安全。

首先在煤系地層段開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以預(yù)測煤層位置、產(chǎn)狀(走向、傾向、傾角)、煤層厚度等，實(shí)施范圍為DK155+410～+610(200m)，同時(shí)對是否存在采空區(qū)及采空區(qū)規(guī)模、性質(zhì)等進(jìn)行預(yù)報(bào)。物探主要實(shí)現(xiàn)對煤層位置、采空區(qū)位置及規(guī)模的宏觀預(yù)報(bào)。在綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)合物探工作的基礎(chǔ)上，施作地質(zhì)超前鉆孔，探明前方地層巖性、是否遇煤層、采空區(qū)及位置等，超前鉆孔直徑為108 mm。

當(dāng)超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)前方有煤層時(shí)，平導(dǎo)掌子面在距推測煤層10 m垂距處，施作3孔φ89探測孔。探測孔必須穿透煤層全厚且進(jìn)入頂(底)板煤層不小于0.5 m，詳細(xì)記錄巖芯資料，以掌握煤層位置、走向、傾向、傾角、煤層厚度和瓦斯賦存情況。利用平導(dǎo)煤層資料推測正洞煤層位置，并于正洞①部掌子面距推測煤層(平導(dǎo)探測孔推測、正洞①部超前鉆孔預(yù)測)10 m垂距處施作3孔φ89探測孔，探測孔施作要求同平導(dǎo)探測孔，以掌握正洞煤層位置、走向、傾向、傾角、煤層厚度和瓦斯賦存情況等。

正洞①部掌子面在距煤層5 m垂距處施作3孔φ89穿透煤層全厚的預(yù)測孔，測定煤層瓦斯壓力、煤的瓦斯放散初速度與堅(jiān)固性系數(shù)和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等。

圖4 揭煤防突設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flowchart of coal outburst prevention design

經(jīng)預(yù)測有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)時(shí)，施工單位應(yīng)在揭煤前制訂技術(shù)、組織、安全、通風(fēng)、搶險(xiǎn)、救護(hù)等措施，采用鉆孔排放措施防治煤與瓦斯突出?！斗乐蚊号c瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定“立井工作面距煤層最小垂距為3 m時(shí)，打直徑為75～90mm的排放鉆孔，鉆孔必須穿透煤層全厚，外圈鉆孔超出輪廓線外的距離不得小于2 m，鉆孔間距一般取1.5～2.0 m，在控制斷面內(nèi)均勻布孔?！北舅砭蜻M(jìn)至距離煤層5 m垂距處開始施作排放孔，排放孔應(yīng)布置到開挖輪廓外5 m范圍的煤層內(nèi)，鉆孔直徑為75 mm，孔底間距為2 m，開孔間距為0.4 m。

排放措施實(shí)施后，布置5個(gè)檢驗(yàn)孔。1個(gè)效果檢驗(yàn)孔布置在揭煤斷面中部，并應(yīng)位于排放孔之間;其他效果檢驗(yàn)孔位于隧道上部和兩側(cè)，終孔應(yīng)位于措施控制范圍的邊緣上［7］。根據(jù)每孔每m的鉆屑量Smax和每2 m鉆屑解吸指標(biāo)K1綜合判斷，經(jīng)檢驗(yàn)若Smax＜6.0kg/m，K1＜0.5 mL/(g·min1/2)時(shí)，則認(rèn)為措施有效;否則，認(rèn)為措施無效，應(yīng)采取延長排放時(shí)間、增加排放孔數(shù)量或采用瓦斯抽放等補(bǔ)救措施。

3 瓦斯排放(排放孔)設(shè)計(jì)

由于新涼風(fēng)埡隧道所穿越煤層傾角較小(僅28°)，在相同垂距下，石門水平長度較長，如每次揭開煤層，其水平鉆孔深度長，每次用藥量也大，可能發(fā)生頂部坍塌，引起突出，因此可采用長臺(tái)階分部排放或刷斜面排放。另外，K7，K8和K9 3層煤間距較小，K8和K9間距為3.8 m，K7和 K8間距為2.5 m。若分層單獨(dú)排放，布孔太多，容易引起坍孔，達(dá)不到排放效果，3層煤應(yīng)盡量1次排放完成，以減少排放孔個(gè)數(shù)，避免坍孔。距離較大的K2，K4和K5煤層則可進(jìn)行每層煤單獨(dú)排放。掌子面上布孔采用矩形行列結(jié)構(gòu)，開孔間距為40 cm，終孔間距為2m，鉆孔采用ZYG－150型鉆機(jī)，鉆孔直徑為75mm。針對K7，K8和K9 3煤層，結(jié)合煤層產(chǎn)狀及隧道情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了以下3種排放方式進(jìn)行優(yōu)化比選。

3.1 排放方式1——掌子面垂直開挖排放

隧道穿越煤系地層地段采用CRD法施工，先開挖①部，首次排放范圍即為①部上、下、左、右各5 m范圍。由于煤層傾角較小，在縱斷面上實(shí)現(xiàn)1次排放比較困難，故將①部分為上、下2部分進(jìn)行2次排放。另外，通過平面方程修正計(jì)算得知，若將K7，K8和K9 3層煤1次排放，其孔長較長(約65 m)，鉆桿易折斷，鉆孔速度慢，時(shí)間長，效率低。故先1次排放K8和K9 2層煤，再排放K7煤層，以減短孔長。

在掌子面距離K9煤層5m垂距處先施作①部下側(cè)排放孔，經(jīng)檢驗(yàn)排放措施有效后，掌子面可開挖至距離K9煤層1.5 m垂距處，在此處進(jìn)行①部上側(cè)煤層的排放。同時(shí)，利用①部底板向底部施作排放孔排放②部，再利用①部側(cè)壁沿煤層走向排放③部和④部，直至排放完成。此處僅示意①部排放設(shè)計(jì)，如圖5和圖6所示。

圖5 排放方式1:①部排放設(shè)計(jì)圖(下部)Fig.5 Gas discharging through part 1(lower)of option 1 of gas discharging design

圖6 排放方式1:①部排放設(shè)計(jì)圖(上部)Fig.6 Gas discharging through part 1(upper)of option 1 of gas discharging design

排放方式1排放K7，K8和K9 3層煤共需要5步進(jìn)行排放，最長排放孔為39.2 m。間距較大的K2，K4和K5 3層煤分別進(jìn)行單層排放，各層煤縱斷面均需分上、下2部完成，再利用①部底板施作排放孔排放隧底范圍，利用①部側(cè)壁施作徑向排放孔排放③部和④部，每層煤需進(jìn)行4步排放。

3.2 排放方式2——刷斜面排放

由于煤層傾角較小，1次排放孔長較長，不利于排放孔的施作，為縮短排放孔長度，考慮將掌子面開挖為與煤層面平行再進(jìn)行排放設(shè)計(jì)。K7，K8和K9 3層煤1次排放，平面上分為左、右2部分別排放，縱斷面上分為下、中、上3部分別排放。此處僅示意①部排放設(shè)計(jì)，如圖7和圖8所示。②—④部排放同排放方式1，即利用①部底板向底部施作排放孔排放②部，利用①部側(cè)壁沿煤層走向排放③部和④部。

此種排放方式能將K7，K8和K9 3層煤進(jìn)行1次排放，最長排放孔長度為46.2m，較排放方式1中3層煤1次排放最長孔65 m縮短了18.8 m，有效地縮短了排放孔長度。K7，K8和K9 3層煤共需要8步進(jìn)行排放，間距較大的K2，K4和K5 3層煤分別進(jìn)行單層排放，與排放方式1相同，每層煤需4步排放。

3.3 排放方式3——利用輔助橫通道排放

考慮到前2種排放方式在進(jìn)行K7，K8和K9 3層煤排放時(shí)分步較多，結(jié)合隧道情況，利用出口平導(dǎo)施作1條與煤層走向一致的橫通道，保證橫通道距離K9煤層有5m的安全距離，且設(shè)足坡度上坡(10%)，將橫通道設(shè)置在隧道拱頂上方，以縮短孔長。橫通道平面布置如圖9所示。利用橫通道側(cè)壁和底板同時(shí)施作排放孔，將3層煤進(jìn)行1次排放，此處僅示意①部排放設(shè)計(jì)，如圖10所示。②—④部排放同排放方式1和排放方式2，即利用①部底板和側(cè)壁進(jìn)行排放。

此種排放方式能將K7，K8和K9 3煤層①部進(jìn)行1次排放，且只需1步排放，最長排放孔長度為38.4 m。K2，K4和K5 3層煤的排放同排放方式1和排放方式2，每層煤需4步排放。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)要求

隧道在施工過程中須加強(qiáng)通風(fēng)，將開挖工作面風(fēng)流中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)稀釋到0.5%以下;平行導(dǎo)坑僅作巷道式通風(fēng)的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.75%。施工過程中需加強(qiáng)H2S，SO2等有害氣體的監(jiān)測，H2S的體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)大于0.000 66%，SO2的體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)大于0.000 5%。出口及出口平導(dǎo)工區(qū)風(fēng)機(jī)均采用防爆型，正洞開挖含煤地層段需保證不間斷通風(fēng)的要求，含煤地層瓦斯集中涌出段附近均設(shè)置射流器，防止瓦斯聚集，通風(fēng)管應(yīng)采用抗靜電、阻燃的風(fēng)管。出口瓦斯突出工區(qū)風(fēng)管口到開挖工作面的距離應(yīng)小于5 m，風(fēng)管百米漏風(fēng)率不應(yīng)大于1%。

方案1和方案2通風(fēng)方式相同，均為巷道式通風(fēng)，采用防爆型HP3LN18#軸流風(fēng)機(jī)將新鮮風(fēng)輸入掌子面，污濁風(fēng)則通過平導(dǎo)排出洞外［8］。方案3在排放K7，K8和K9 3層煤時(shí)，需在橫通道中安裝防爆型HP3LN18#軸流風(fēng)機(jī)，向工作橫通道輸送新鮮風(fēng)，污濁風(fēng)通過排放橫通道經(jīng)平導(dǎo)排出洞外。通風(fēng)方案如圖11和圖12所示。

4 結(jié)論與討論

針對新涼風(fēng)埡隧道煤系地層中間距較近的K7，K8和K9 3層煤，本文通過對3種排放方式的分析研究，得到以下結(jié)論。

1)采用排放方式1不宜將3層煤進(jìn)行1次排放，需先排放K8和K9，再排放K7。此種排放方式排放①部需分5步完成，最長排放孔長度為39.2m。另外，在施工過程中無需太多的工序轉(zhuǎn)換，便于施作，可操作性強(qiáng)，通風(fēng)則可利用13號(hào)橫通道形成巷道式通風(fēng)，13號(hào)以后的橫通道則應(yīng)進(jìn)行臨時(shí)封堵密封，以防瓦斯逆流。

2)排放方式2可將K7，K8和K9 3層煤進(jìn)行1次排放，排放①部需分8步完成，最長排放孔長度為46.2 m。掌子面需沿著煤層傾向及走向傾斜開挖，但在斜面上不便于排放孔的施作，且超前支護(hù)及鋼架等加強(qiáng)支護(hù)也不易施作，不能起到及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)的作用，容易引起頂部坍塌，其通風(fēng)方案同排放方式1。

3)排放方式3可將K7，K8和K9 3層煤進(jìn)行1次排放，排放①部只需1步即能完成，能縮短排放時(shí)間，提高效率，最長排放孔長度為38.4 m。此種排放方式時(shí)間最短，但排放橫通道位于隧道拱頂上方，與出口平導(dǎo)高差較大;因此，出口平導(dǎo)需提前增大坡度上坡，且在排放完成后還需回填橫通道及上坡段平導(dǎo)，由此產(chǎn)生的局部荷載不利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，存在安全隱患。另外，為滿足橫通道施工、排放的需風(fēng)要求，需單獨(dú)在平導(dǎo)與橫通道交叉處安裝風(fēng)機(jī)，供橫通道施工及排放時(shí)使用。

通過對以上3種排放方式的研究分析，結(jié)合施工便利程度、通風(fēng)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素綜合考慮，建議新涼風(fēng)埡隧道在穿越煤系地層地段距離較近的K7，K8和K9 3層煤時(shí)，采用排放方式1(即掌子面垂直的排放方式進(jìn)行排放，先排放K8和K9煤層，再排放K7煤層，掌子面上布孔采用矩形行列結(jié)構(gòu))。由于現(xiàn)階段新涼風(fēng)埡隧道設(shè)計(jì)為初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案還沒有得到實(shí)施、驗(yàn)證，本文僅做了方案比選，給出了適合于穿越多層距離較近的傾斜突出煤層的較優(yōu)瓦斯排放設(shè)計(jì)方法，可為今后類似工程提供參考。

［1］ TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.(TB 10120—2002 Technical code for railway tunnel with gas［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2002.(in Chinese))

［2］ 肖錫莊，羅遷.孫家寨煤層瓦斯隧道施工技術(shù)［J］.中外公路，2008(4):207－211.

［3］ 金強(qiáng)國.圓梁山隧道進(jìn)口揭煤防突施工技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)，2004，24(5):63 －67.

［4］ 李偉，程遠(yuǎn)平，王亮，等.立井揭穿強(qiáng)突煤層的瓦斯排放孔設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究［J］.能源技術(shù)與管理，2008(4):57－59.

［5］ 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.新涼風(fēng)埡隧道工程地質(zhì)說明［R］.成都:中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，2011.

［6］ 中鐵二院貴陽設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.新涼風(fēng)埡隧道初步設(shè)計(jì)［R］.貴陽:中鐵二院集團(tuán)有限責(zé)任公司，2011.

［7］ 王學(xué)生.方斗山隧道揭煤施工技術(shù)［J］.西部探礦工程，2009(3):153－155.

［8］ 劉漢銀.瓦斯突出隧道揭煤施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(12):42 －46.(LIU Hanyin.Construction technology for cutting through coal seam in gas outburst tunnel［J］.Railway Construction Technology，2010(12):42 －46.(in Chinese))