非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

李 鵬，蔣雅君，楊龍偉，楊其新

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學(xué)院，成都 610031；2.中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

李 鵬1，蔣雅君1，楊龍偉2，楊其新1

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學(xué)院，成都 610031；2.中鐵二局第二工程有限公司，成都 610091)

穿越非煤系地層的隧道中的瓦斯的不可預(yù)見性很大，非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道是穿越非煤系地層的典型代表，現(xiàn)階段對這類隧道還沒有系統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，給施工安全造成了很大的威脅。為了準(zhǔn)確預(yù)報非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中的瓦斯運移途徑，避免安全事故的發(fā)生，通過對現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)包括地質(zhì)法和物探法在非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中適用性的分析，構(gòu)建非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，并通過在肖家梁鐵路隧道施工中成功應(yīng)用，說明提出的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)是可行的。

瓦斯隧道；非煤系地層；構(gòu)造連通型；超前地質(zhì)預(yù)報

1 概述

我國大部分的瓦斯隧道一般都穿越了煤系地層，煤系瓦斯隧道成因簡單，分布最為普遍，其煤層位置是相對固定的，可以通過比較成熟的勘測手段預(yù)測其對隧道施工的危害性，因而可以采取有針對性的防治措施，避免瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。隨著我國隧道建設(shè)的發(fā)展，穿越非煤系地層的瓦斯隧道工程也日漸增多，如武隆隧道、炮臺山隧道、紅石巖隧道、曾家坪2號隧道等(表1)[1]。其中，炮臺山隧道屬于構(gòu)造連通型瓦斯隧道，在施工期間發(fā)生2次爆炸，共死亡13人。這些隧道不穿越煤系地層但是在施工過程中都遇到了瓦斯問題，與穿越煤系地層的瓦斯隧道相比，非煤系地層瓦斯隧道沒有類似于煤炭一樣的瓦斯載體，特別是構(gòu)造連通型瓦斯隧道主要以游離瓦斯為主，其特征是壓力低、流量低而穩(wěn)定、分布不均勻、瓦斯涌出的隨機(jī)性很強(qiáng)，因此對隧道施工安全的影響很大[2]。目前國內(nèi)工程界對非煤系地層瓦斯隧道已經(jīng)逐步開展了相關(guān)施工技術(shù)的研究[3]，但仍然處于起步階段，還需要在工程實踐中不斷總結(jié)和完善。

表1 我國非煤系瓦斯隧道

在非煤系瓦斯隧道的施工過程中，對瓦斯的預(yù)報是其中的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。對于非煤系地層瓦斯，由于其分布運移規(guī)律極其復(fù)雜瓦斯聚集和涌出隨機(jī)性大，目前尚無非常有效的精確勘測手段，仍然以常用的超前地質(zhì)預(yù)報手段為主。通過對非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道特點和現(xiàn)有超前預(yù)報方法的分析，提出了針對非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系，并在肖家梁隧道中得到了成功的應(yīng)用。

2 非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道特點

2.1 非煤系瓦斯隧道類型

通過對我國已有大量瓦斯隧道的研究，總結(jié)出非煤系地層瓦斯隧道主要有3種類型：一是構(gòu)造連通型；二是圍巖變質(zhì)型；三是復(fù)合型[3]。

(1)構(gòu)造連通型瓦斯隧道，由構(gòu)造連通隧址區(qū)外或隧道深部煤系地層，這類瓦斯隧道本身不穿越煤系地層，但隧道穿越的構(gòu)造連通了煤層，瓦斯氣體會通過構(gòu)造連通通道流動至隧道內(nèi)形成瓦斯災(zāi)害。按照不同的構(gòu)造類型，又可分為裂隙連通型、斷層連通型與褶皺連通型。

(2)圍巖變質(zhì)型瓦斯隧道，主要是隧道穿越的地層中有些黑色碳質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、頁巖等經(jīng)過漫長時期的地質(zhì)作用，這些巖層已經(jīng)炭化達(dá)到生氣階段，具備了生成瓦斯的物質(zhì)基礎(chǔ)，已相當(dāng)于煤系地層，在這些地層修建隧道時同樣會遇到瓦斯災(zāi)害問題。

(3)復(fù)合成因型瓦斯隧道，復(fù)合成因型瓦斯隧道既有構(gòu)造連通的原因又與巖石變質(zhì)作用有關(guān)，兩種因素缺一不可。

本文主要研究構(gòu)造連通型瓦斯隧道的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。

2.2 非煤系瓦斯溢出聚集特點

瓦斯在煤層中主要有游離態(tài)、吸附態(tài)和吸收態(tài)3種賦存方式，如圖1所示。在非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中瓦斯以游離態(tài)為主，瓦斯以自由氣體的狀態(tài)從煤和巖石的裂隙破碎帶自由地運動到隧道開挖線，并從掌子面溢出，主要聚集在隧道拱頂、拱腰以及通風(fēng)難以達(dá)到的死角[4]。

圖1 瓦斯在煤體中的賦存狀態(tài)

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系的建立

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)種類及特點

(1)地質(zhì)法

地質(zhì)法是最基本的超前地質(zhì)預(yù)報方法，主要包括掌子面地質(zhì)素描和超前鉆探。

掌子面地質(zhì)素描能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測主要結(jié)構(gòu)面如斷層、層理及節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀、性質(zhì)、延伸長度、張開寬度等情況。實踐證明，對隧道掌子面的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的觀察和描述，對于判斷圍巖穩(wěn)定性和預(yù)測開挖面前方地質(zhì)條件十分重要。

超前地質(zhì)鉆探是利用鉆機(jī)在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種超前地質(zhì)預(yù)報方法。理論上適合于各種地質(zhì)條件的隧道，是目前公認(rèn)最直接最簡單的一種預(yù)報方法。

(2)物探法

有關(guān)地質(zhì)預(yù)報的物探方法很多，具體如表2所示。目前在隧道施工中常用的方法包括地質(zhì)雷達(dá)法、TSP法等[5]。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報適用性分析

要準(zhǔn)確預(yù)報非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中瓦斯出沒和聚集情況，主要是預(yù)測圍巖的完整性，裂隙、破碎帶位置、規(guī)模和性質(zhì)，掌握瓦斯的運移通道。常規(guī)的超前地質(zhì)預(yù)報的方法并不完全適用于非煤系地層，必須具體分析。

3.2.1 地質(zhì)法適用性分析

(1)地質(zhì)素描是觀察掌子面巖石的完整性和類別，根據(jù)巖層特性預(yù)測前方裂隙、斷層和褶皺是否存在，為進(jìn)一步推斷非煤系地層瓦斯的存在和運移通道提供條件[6]，臨近不良地質(zhì)體的前兆現(xiàn)象見表3。但地質(zhì)素描法只能進(jìn)行短距離的預(yù)測，對隱藏在掌子面后的斷層和裂隙，不能探知準(zhǔn)確位置，必須配合其他預(yù)報方法。

表2 超前地質(zhì)預(yù)報物探法

表3 隧道內(nèi)可能有瓦斯溢出地質(zhì)體的前兆

(2)超前鉆探不僅能直接了解掌子面前方、左右、上下及兩側(cè)的地層巖性、構(gòu)造、是否含煤與其規(guī)模做出較為準(zhǔn)確的判斷，而且還能準(zhǔn)確預(yù)測煤層參數(shù)、瓦斯參數(shù)和巖溶(裂隙)水含水參數(shù)，是最直觀的超前預(yù)報方法，在非煤系瓦斯地質(zhì)預(yù)報中是非常重要的[7]。它的缺點是成本高、對施工的影響大，而且鉆孔的方向控制和鉆孔工藝有一定的技術(shù)難度[8]。超前鉆探在紫坪鋪、家竹菁、龍溪等大批瓦斯隧道中成功應(yīng)用。

3.2.2 物探法適用性分析

由于負(fù)視速度法、TSP/TGP法等需在洞內(nèi)打孔放炮，在瓦斯隧道中應(yīng)首先排除[9]。

(1)地質(zhì)雷達(dá)也同樣存在激發(fā)電火花問題，這種方法在應(yīng)用時應(yīng)慎重。但地質(zhì)雷達(dá)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報圍巖的完整性，裂隙、破碎帶位置、規(guī)模和性質(zhì)，故在能達(dá)到很好的防爆要求和加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)的條件下，也可以用地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報距離為20 ～30 m，屬于短距離預(yù)報法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報，在洪福、方斗山等瓦斯隧道中成功應(yīng)用[10]。

(2)HSP聲波反射法屬于彈性波法，其原理與地震法基本相同，它是采取大錘敲擊木樁，人工激發(fā)信號的方法，避免了打孔放炮可能引起的瓦斯爆炸?，F(xiàn)場測試方法采用通道觸發(fā)一發(fā)一收的方式進(jìn)行，信號采集和數(shù)據(jù)儲存都通過便攜式計算機(jī)控制[11]。并且它的預(yù)報范圍能達(dá)到100 m左右，屬于長距離預(yù)報法，配合地質(zhì)素描，能達(dá)到很好的效果。HSP聲波反射法在武隆、孫家寨和涼風(fēng)埡等瓦斯隧道中發(fā)揮了巨大作用。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報體系

通過對各種超前預(yù)報方法的適用性分析，建議采用“以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，以物探法為主要手段，采用長短結(jié)合預(yù)報模式，加強(qiáng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的綜合體系”進(jìn)行非煤系瓦斯隧道的地質(zhì)預(yù)報，如圖2所示。

圖2 非煤系瓦斯隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系

(1)先運用HSP聲波反射法進(jìn)行長距離宏觀預(yù)報。

(2)后采用地質(zhì)素描、地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔分梯次進(jìn)行短距離預(yù)報。

(3)在進(jìn)行超前預(yù)報作業(yè)前，必須對隧道瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，對隧道其他風(fēng)險源進(jìn)行逐一排查，經(jīng)檢查達(dá)到安全條件后進(jìn)行超前預(yù)報作業(yè)。

通過以上方法即可對掌子面前方可能具備瓦斯儲存、運移或聚集構(gòu)造進(jìn)行預(yù)報。

4 工程應(yīng)用實例

4.1 工程概況

肖家梁鐵路隧道位于四川盆地北東部的廣元市蒼溪縣鴛溪鎮(zhèn)和浙水鄉(xiāng)，隧區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組泥巖、砂巖不等厚互層。本工程為典型的非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道，與常規(guī)煤系地層瓦斯隧道有著本質(zhì)的區(qū)別。瓦斯源自深層地層，無類似于煤炭一樣的瓦斯載體，主要以游離瓦斯為主，瓦斯涌出的隨機(jī)性很強(qiáng)，主要受與產(chǎn)氣層相通而闔閉條件好的張裂隙和有裂隙發(fā)育的巖體分布的控制，當(dāng)隧道開挖遇到這種裂隙時，就有瓦斯涌出。因此采用合理的超前預(yù)報方式，準(zhǔn)確探測前方瓦斯含量，預(yù)測瓦斯溢出情況，有效指導(dǎo)施工，預(yù)防瓦斯事故發(fā)生，是本工程的重點。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報措施

肖家梁隧道采用圖2所示的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系：以地質(zhì)法為基礎(chǔ)、以HSP聲波反射法和地質(zhì)雷達(dá)為主要手段，結(jié)合超前鉆探和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測相結(jié)合的綜合物探方法進(jìn)行瓦斯預(yù)報。

肖家梁隧道采用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)(KJ101N型瓦斯監(jiān)控系統(tǒng))、便攜式瓦檢儀、專職瓦斯檢查員“三道防線”來檢測、監(jiān)視隧道瓦斯?jié)舛茸兓闆r，從而采取有針對性的防范措施，保證生產(chǎn)安全。

4.3 瓦斯預(yù)報實例

對DK644+150掌子面向前方進(jìn)行HSP聲波反射預(yù)測，圖3為測試典型波形圖，測試巖體平均聲波速度為1 416 m/s。經(jīng)過分析掌子面前方23～49 m范圍內(nèi)，圍巖巖體聲波信號反射強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部為碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，中下部巖體多夾透鏡體軟弱夾層，拱部巖體稍完整，但軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，拱部塊狀巖體易突破巖體阻力掉塊坍塌，地下水較發(fā)育，多呈股狀，穩(wěn)定性較差，對應(yīng)樁號為DK644+173～DK644+199。初步預(yù)計為瓦斯的運移提供了通道，需要采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系進(jìn)一步確認(rèn)。

圖3 肖家梁隧道DK646+258掌子面測試典型波形

在開挖到DK644+170，通過掌子面素描觀察到，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，泥巖、砂巖及泥巖夾砂巖互層結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合較差。隨后用防爆地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方的圍巖情況進(jìn)行了探測，在掌子面距隧道拱頂約4.5 m處布置1條水平測線，測得雷達(dá)波部分見圖4。

圖4 部分雷達(dá)波

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測剖面綜合分析如下：在掌子面前方0～380 ns的區(qū)段范圍內(nèi)(構(gòu)造深度0～19 m，參考波速0.1 m/ns)，在該區(qū)域內(nèi)存在多處較強(qiáng)電磁波反射信號，中低頻信號都有，信號同向軸時斷時續(xù)，反射信號的振幅較強(qiáng)。初步判定該區(qū)域為節(jié)理裂隙密集帶，層間結(jié)合較差，并含有少量裂隙水。初步驗證HSP聲波反射法的探測結(jié)果。

為避免發(fā)生瓦斯事故，緊接著進(jìn)行超前鉆探，對掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行直觀探測，超前鉆孔布置于上臺階，每斷面5個孔(圖5)，單孔長度為30 m左右，相鄰探測孔之間的搭接長度為5 m。在超前鉆孔前，隨時監(jiān)測孔口處的瓦斯?jié)舛龋乐雇咚雇怀龅惹闆r，超前鉆孔完成后，要及時對孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，通過對孔內(nèi)瓦斯?jié)舛群涂卓谕咚節(jié)舛葘Ρ龋袛嗤咚故欠翊嬖趬毫?、以及有無涌出的可能。在肖家梁隧道施工中采用光干涉式瓦斯檢測儀檢測到有瓦斯涌出，并探測到瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.8%，無壓力，并通過超前鉆孔對瓦斯的排放，瓦斯的濃度變小，據(jù)此判斷該段圍巖裂隙發(fā)育，并且圍巖破碎，瓦斯的賦存量不大，但是應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)[12]。

圖5 超前鉆孔孔位布置與平面布置(單位：cm)

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果，施工單位加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測工作并及時通風(fēng)，隧道開挖至DK644+171里程后，出露圍巖破碎，節(jié)理發(fā)育，瓦斯裂縫運移至施工掌子面，經(jīng)瓦斯檢測得到瓦斯?jié)舛葹?.83%。該綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系成功地發(fā)揮了作用，也正因為采用了合理的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)，才未發(fā)生瓦斯爆炸及人員傷亡和財產(chǎn)損失。

5 結(jié)語

(1)通過對非煤系瓦斯隧道成因和類型的研究，得到了非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中的瓦斯以游離態(tài)為主，具有壓力低、流量低而穩(wěn)定、分布不均勻、涌出的隨機(jī)性很強(qiáng)的特點。

(2)對現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報方法在非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中的使用條件和應(yīng)用效果進(jìn)行分析，選出地質(zhì)法中的掌子面地質(zhì)素描法和超前鉆探法以及物探法中的地質(zhì)雷達(dá)法和HSP聲波反射法適用于非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道，并按照長短結(jié)合、地質(zhì)法和物探法結(jié)合的原理構(gòu)建了綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系。

(3)通過在肖家梁隧道施工過程中的實際應(yīng)用效果，說明了本文所提出的非煤系瓦斯隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系是成功的，對于預(yù)報非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道中的地質(zhì)情況，有的放矢的控制瓦斯，減少瓦斯帶來的災(zāi)害發(fā)揮了作用。

限于目前應(yīng)用的工程實例較少，相關(guān)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的適用性及技術(shù)體系，仍然有待進(jìn)一步探討和完善。

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Advance Geological Prediction of Fracture Connectivity Type Tunnel in Non-coal Strata

Li Peng1， Jiang Yajun1， Yang Longwei2， Yang Qixin1

(1.Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chendu 610031，China; 2.China Railway Erju Second Engineering Co.， Ltd.， Chendu 610091，China)

The gas in the tunnel through non-coal strata can hardly be predicted. Fracture connectivity type tunnel in non-coal strata is a typical representative of such tunnels. At the present stage， there is no systematic geological prediction technology for such a tunnel， which brings a big threat to construction Safety. In order to accurately forecast the gas movement in fracture connectivity type tunnel and prevent security incidents， this paper， through the analysis of the applicability of advance geological prediction including geological method and geophysical method， puts forward a comprehensive geological prediction system with reference to the successful application in Xiao Jiang Liang fracture connectivity type tunnel in non-coal strata， which has proved the feasibility of the advance geological prediction.

Gas tunnel; Non-coal strata; Fracture connectivity type; Advance geological prediction

2014-02-24；

：2014-02-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助(IRT0955)

李 鵬(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：xqlipeng@126.com。

1004-2954(2014)11-0103-05

U456.3+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.024