淺談炭質(zhì)板巖瓦斯隧道勘察方法與評價

王建軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院地質(zhì)路基處，陜西西安 710043)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長以及鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路等級不斷提高，線路通過的長大、深埋隧道明顯增加，難免穿越煤系或非煤層等含瓦斯地層，給隧道施工以及運(yùn)營帶來極大的安全隱患［1］。我國鐵路、煤炭行業(yè)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范主要是應(yīng)用煤質(zhì)工業(yè)分析及瓦斯壓力測試等瓦斯參數(shù)(適用煤系地層預(yù)測瓦斯涌出量)，確定瓦斯隧道工區(qū)以及瓦斯隧道類型。對于炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)頁巖等含瓦斯地層，目前尚無具體的適用規(guī)范，一般參考煤系地層進(jìn)行測試;但計(jì)算中由于炭質(zhì)巖層揮發(fā)分?jǐn)?shù)值極高(一般＞90%)，應(yīng)用此參數(shù)計(jì)算瓦斯絕對涌出量明顯偏高。本文根據(jù)化馬隧道含瓦斯炭質(zhì)板巖測試原理，提出利用鉆孔瓦斯流量預(yù)測此類地層絕對瓦斯涌出量的可行方法及計(jì)算公式。

1 工程概況

化馬隧道位于甘肅省宕昌縣境內(nèi)，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，全長12 574 m。2012年7月15日，化馬隧道化馬溝斜井正洞施工至DK304+190處，電焊切割超前小導(dǎo)管時，導(dǎo)管口發(fā)生氣體燃燒現(xiàn)象，遂停止施工。實(shí)測掌子面右側(cè)邊墻小導(dǎo)管瓦斯?jié)舛?.63%，封閉掌子面后在通風(fēng)狀態(tài)下檢測掌子面瓦斯?jié)舛?.24%～1.25%。

2 瓦斯地質(zhì)勘察

炭質(zhì)板巖與煤層瓦斯勘察方法基本一致，主要通過地質(zhì)調(diào)繪、巖礦鑒定及碳含量測試、瓦斯參數(shù)測試、瓦斯來源及儲存條件分析進(jìn)行瓦斯評價。本文重點(diǎn)在瓦斯評價中提出了應(yīng)用鉆孔瓦斯流量預(yù)測瓦斯絕對涌出量的方法及公式。

2.1 瓦斯地質(zhì)調(diào)繪

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、水文地質(zhì)、油氣田有害氣體區(qū)測資料、隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告以及施工揭示的圍巖特征，區(qū)內(nèi)以二疊系下統(tǒng)灰?guī)r，石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r、炭質(zhì)板巖及其壓碎巖為主，不含煤層、煤線等地層。

現(xiàn)場勘察自DK304+202進(jìn)入斷層f36，上盤為石炭系中上統(tǒng)灰?guī)r(已開挖)，掌子面為壓碎炭質(zhì)板巖夾灰?guī)r，壓碎結(jié)構(gòu)，原巖以石炭系炭質(zhì)板巖為主，夾有一層厚0.5 m的灰白色石炭系灰?guī)r，巖質(zhì)軟，揉皺發(fā)育，層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，無水，屬Ⅴ級圍巖。從已經(jīng)揭示的地質(zhì)情況分析，DK303+404—DK304+202段為含瓦斯地段，長798 m。地質(zhì)剖面詳見圖1。

2.2 巖礦鑒定及碳含量測試

經(jīng)過取樣進(jìn)行薄片鑒定，巖石為砂質(zhì)泥炭質(zhì)板巖或泥炭質(zhì)板巖質(zhì)碎裂巖，由變余碎屑物、泥炭質(zhì)殘余物和新生礦物絹云母等組成。變余泥炭質(zhì)含量27%～47%，為粒徑＜0.005 mm的隱晶狀質(zhì)點(diǎn)，基本不具透光性。同時還進(jìn)行碳含量測試，結(jié)果為2.86% ～2.96%。

2.3 瓦斯勘探測試

2.3.1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［2-4］

由于化馬隧道含氣層為石炭系非煤炭質(zhì)板巖，參照煤層引用煤層氣體參數(shù)測試方法，利用超前地質(zhì)鉆孔取煤(巖)樣、氣樣并與孔內(nèi)瓦斯壓力及流量等瓦斯監(jiān)測相結(jié)合，依據(jù)的主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn):①《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》(GB/T 23249—2009);②《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》(AQ/T 1047—2007);③《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)。

圖1 化馬隧道化馬溝段縱斷面

2.3.2 主要瓦斯參數(shù)成果

1)巖樣及孔內(nèi)含氣量測試

根據(jù)項(xiàng)目需要，在化馬溝斜井正洞DK304+190—DK304+195段進(jìn)行了3個巖樣瓦斯含量和6組氣成分的測定。瓦斯由CH4、CO2和C2+組成，測點(diǎn)瓦斯含量為0.15～0.26 m3/t，瓦斯氣成分CH4為14.46% ～52.37%，CO2為0.05% ～10.99%，N2為47.38% ～78.04%，C2+為0～0.94%?？變?nèi)測試瓦斯壓力0.25～0.33 MPa;測點(diǎn)透氣性系數(shù)為0.054 2～7.298 8 m2/MPa2·d;鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為(0.02～0.41)/d;瓦斯放散初速度為1～2。樣品堅(jiān)固性系數(shù)為0.97～2.01。

2)煤質(zhì)工業(yè)分析

本次對3組樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水分、灰分和揮發(fā)分的化驗(yàn)。樣品水分產(chǎn)率為1.28% ～1.38%，灰分產(chǎn)率為85.76% ～89.86%，揮發(fā)分產(chǎn)率為92.03% ～92.46%。

3)瓦斯壓力測試

二是醫(yī)院管理上的因素。醫(yī)院管理制度上的缺失也是帶來隱患的重要原因，由于醫(yī)院疏于制度建設(shè)，導(dǎo)致護(hù)理管理規(guī)章制度得不到及時的更新和修正，失去了正確的指導(dǎo)和行為規(guī)范后護(hù)理工作流程不合理。另外對于護(hù)理人員的培訓(xùn)落實(shí)不到位，使其專業(yè)技能得不到提高，職業(yè)素養(yǎng)得不到加強(qiáng)。

在3個超前地質(zhì)鉆孔內(nèi)進(jìn)行瓦斯壓力測試，結(jié)果為0.25～0.33 MPa。

4)密度測試

對采集的3組樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了真密度、視密度的測試。樣品真密度為2.74～2.99 g/cm3，視密度為2.57～2.73 g/cm3，孔隙率為6.16% ～8.69%。

2.4 瓦斯來源及儲存條件

1)氣體產(chǎn)生的地層巖性條件

該段為f36斷層破碎帶之壓碎巖，地層巖性以石炭系炭質(zhì)板巖及灰?guī)r為主，原巖為泥巖、炭質(zhì)頁巖、灰?guī)r，屬于濱海相或海陸交互相沉積環(huán)境，一般在炭質(zhì)頁巖中常含大量植物遺體或植物化石，通過薄片鑒定炭質(zhì)板巖礦物成分中泥炭質(zhì)含量約占27%～47%。在成巖過程的第一階段(泥炭化階段)早期，由于氧氣和親氧細(xì)菌的作用植物主要產(chǎn)生CO2，晚期出現(xiàn)弱氧化環(huán)境或還原環(huán)境，主要生成CH4、CO2;在第二階段(變質(zhì)作用階段)，主要生成以CH4為主的氣態(tài)烴，由于埋藏深不易擴(kuò)散。

2)氣體儲存的構(gòu)造條件

該段位于壓性斷層f36之破碎帶內(nèi)，以斷層泥、斷層角礫及壓碎泥質(zhì)結(jié)構(gòu)炭質(zhì)板巖為主，揉皺構(gòu)造十分發(fā)育，地層透水、透氣性較差，利于氣體儲存，且斷層上盤為石炭系灰?guī)r，下盤為二疊系下統(tǒng)石灰?guī)r，巖體普遍較為完整，為瓦斯封閉創(chuàng)造了條件。

3 瓦斯涌出量預(yù)測

3.1 瓦斯涌出量預(yù)測

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)［5］中的計(jì)算公式，以及本文針對炭質(zhì)板巖的計(jì)算公式如表1所示。兩種計(jì)算方法的主要區(qū)別在噸煤(巖)瓦斯逸出量w及單位時間單位坑壁面積瓦斯逸出初始強(qiáng)度Q0，具體區(qū)別詳見表1。

根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》附錄F獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量預(yù)測方法及參數(shù)取值，對蘭渝線化馬隧道化馬溝斜井正洞DK304+190掌子面的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測;同時，本文現(xiàn)場測試過程中為了測試透氣性系數(shù)進(jìn)行孔內(nèi)瓦斯流量測試，應(yīng)用瓦斯流量計(jì)算新暴露巖壁瓦斯涌出量q2，結(jié)果見表2。

表1 現(xiàn)行規(guī)范煤層瓦斯涌出量計(jì)算與鉆孔瓦斯流量預(yù)測法計(jì)算公式

表2 DK304+190獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果m3/min

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測分析

根據(jù)化馬隧道化馬溝正洞瓦斯監(jiān)測資料，2012-08-06日至2012-08-31掌子面瓦斯涌出點(diǎn)甲烷濃度為2%～2.68%，甲烷濃度變化不大。同期距掌子面2～5 m位置甲烷濃度為0.02% ～0.03%，甲烷濃度變化不大，開挖臺車下部位置甲烷濃度為0.01%。2012-08-13至2012-08-31距掌子面2～5 m位置甲烷濃度為0.10%～0.27%，甲烷濃度變化較大，開挖臺車下部位置甲烷濃度為0～0.01%，甲烷濃度明顯下降。估算瓦斯涌出量為0.5～0.9 m3/min，與本文預(yù)測分析相當(dāng)。

4 瓦斯地質(zhì)條件評價

根據(jù)瓦斯參數(shù)測試及瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，對該隧道瓦斯工區(qū)劃分、瓦斯地段等級以及煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性作了如下評價。

1)瓦斯工區(qū)劃分

依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)，獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量為2.81 m3/min，該工區(qū)為高瓦斯工區(qū)，屬高瓦斯隧道;根據(jù)鉆孔瓦斯流量預(yù)測法，獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量為0.688 m3/min，為高瓦斯工區(qū);根據(jù)現(xiàn)場瓦斯涌出檢測及分析估算瓦斯涌出量為0.5～0.9 m3/min，綜合判斷該工區(qū)為高瓦斯工區(qū)。

2)瓦斯地段等級

3個鉆孔的瓦斯壓力分別為0.29 MPa，0.33 MPa，0.25 MPa，依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)，判定該隧道瓦斯地段等級為二級。

3)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測

根據(jù)檢測結(jié)果瓦斯壓力0.25～0.33 MPa(＜0.74 MPa);瓦斯放散初速度為1～2(＜10);巖樣堅(jiān)固性系數(shù)為0.97～2.01(＞0.5);煤(巖)的破壞類型為Ⅱ類，均達(dá)不到突出危險(xiǎn)性指標(biāo)，因此該工區(qū)無煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性［5-6］。

5 結(jié)語

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》公式適合煤層瓦斯涌出量預(yù)測，若用于炭質(zhì)板巖瓦斯涌出量預(yù)測，由于揮發(fā)成分?jǐn)?shù)值較大，計(jì)算結(jié)果明顯偏大。

本文提出的鉆孔瓦斯流量預(yù)測法，適用于非煤含瓦斯地層，對于瓦斯壓力低、瓦斯流量衰減緩慢的地層預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。當(dāng)然要提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，還有待于在實(shí)踐中繼續(xù)完善。

［1］明建龍.高瓦斯隧道監(jiān)控與施工通風(fēng)設(shè)計(jì)［J］.鐵道建筑，2009(2):18-20.

［2］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 23249—2009 地勘時期煤層瓦斯含量測定方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ/T 1047—2007 煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［4］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 212—2008 煤的工業(yè)分析方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［5］中華人民共和國鐵道部.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.

［6］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 1018—2006 礦井瓦斯涌出量的預(yù)測方法［S］.北京.煤炭工業(yè)出版社，2006.