天坪鐵路隧道瓦斯抽放防突技術(shù)

李永生， 楊立新， 王　棟， 羅占夫

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 河南 洛陽　471009)

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天坪鐵路隧道瓦斯抽放防突技術(shù)

李永生， 楊立新， 王棟， 羅占夫

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 河南 洛陽471009)

摘要：渝黔鐵路天坪隧道橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，施工中為防治瓦斯突出必須進(jìn)行瓦斯抽放，分析瓦斯抽放已有經(jīng)驗(yàn)，確定了采用穿層網(wǎng)格預(yù)抽煤層瓦斯施工技術(shù)；結(jié)合隧道大斷面及天坪隧道煤層賦存條件，確定了該技術(shù)的瓦斯抽放參數(shù)，在材料設(shè)備選型、鉆孔布設(shè)、封孔施工、管路連接和瓦斯抽放監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，并對(duì)抽放效果進(jìn)行了檢驗(yàn)?？偨Y(jié)采用該項(xiàng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全生產(chǎn)等方面所取得的主要成果，以期為該項(xiàng)技術(shù)在類似隧道施工中的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：天坪隧道； 瓦斯抽放與防突； 穿層網(wǎng)格； 監(jiān)測(cè)

0引言

隨著我國基礎(chǔ)交通的建設(shè)和發(fā)展，穿越煤系地層遭遇瓦斯的隧道越來越多，使得隧道施工中的瓦斯災(zāi)害事故也隨之不斷增加，多數(shù)瓦斯災(zāi)害的發(fā)生是由于隧道施工過程中瓦斯突出或大量涌出后造成了局部瓦斯集聚，遇到施工中的高溫?zé)嵩椿蚧鹪磳?dǎo)致瓦斯燃燒和爆炸[1]。從瓦斯燃燒和爆炸三要素(瓦斯?jié)舛?、溫度和氧氣濃?[2]來看，采取的防災(zāi)措施主要是控制瓦斯?jié)舛?，控制瓦斯?jié)舛扔蓄A(yù)先控制措施和施工過程中控制措施2種。多數(shù)瓦斯隧道采取的是施工過程中控制措施，例如劉石磊等撰寫的《三聯(lián)隧道高瓦斯工區(qū)施工通風(fēng)技術(shù)》[3]和《安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在三聯(lián)隧道高瓦斯工區(qū)的應(yīng)用》[4]、徐文平等撰寫的《發(fā)耳隧道揭煤防突技術(shù)》[5]、孫杰撰寫的《劉家莊隧道穿越出口瓦斯段綜合施工技術(shù)》[6]以及古興龍等撰寫的《發(fā)耳隧道揭穿突出煤層施工技術(shù)》[7]等文獻(xiàn)資料，針對(duì)瓦斯隧道施工中的加強(qiáng)通風(fēng)、瓦斯監(jiān)測(cè)和揭煤施工等技術(shù)措施進(jìn)行了研究，主要是控制排放到隧道施工環(huán)境內(nèi)的瓦斯?jié)舛?；也有在隧道開挖面預(yù)先鉆深孔排放瓦斯的，例如吳銘芳等撰寫的《傾斜突出煤層排放設(shè)計(jì)方法優(yōu)選》[8]、中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司開發(fā)的《隧道瓦斯快速排放方法》[9]專利和中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司開發(fā)的《一種隧道平導(dǎo)穿越煤層施工用瓦斯排放結(jié)構(gòu)》[10]專利等技術(shù)文獻(xiàn)，針對(duì)隧道瓦斯排放技術(shù)方法進(jìn)行了研究，主要還是將瓦斯先排放到隧道施工環(huán)境內(nèi)，再利用通風(fēng)和監(jiān)測(cè)措施進(jìn)行控制。上述措施和方法存在一定的被動(dòng)性，沒能在瓦斯進(jìn)入隧道施工環(huán)境前將大部分瓦斯直接排放到洞外，并且不能有效地防治瓦斯突出，而瓦斯抽放技術(shù)不但能夠預(yù)先將巖層中的大部分瓦斯直接抽排到洞外，還能夠有效地防治瓦斯突出，是一種隧道施工前的預(yù)先控制措施，所以有必要對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究和推廣。

1天坪隧道工程概況

重慶至貴陽鐵路擴(kuò)能改造工程YQZQ-6標(biāo)天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段，行政區(qū)劃屬貴州省桐梓縣。天坪隧道全長13 978.252 m(DK116+258～ DK130+236)，為單洞雙線鐵路隧道，輔助坑道設(shè)置方案為“1座平導(dǎo)+2座斜井+2座橫道(主副井)”，隧道在DK127+710～+850段穿越二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)煤系地層，主要有9層煤，穩(wěn)定可采煤有2層，較穩(wěn)定的可采煤有3層，其余4層煤穩(wěn)定性差，局部可采，煤層最薄為10 cm，最厚可達(dá)3 m，橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，全隧屬高風(fēng)險(xiǎn)隧道。在平導(dǎo)施工至PDK127+850里程時(shí)，對(duì)C6、C5、C3煤層進(jìn)行了瓦斯參數(shù)測(cè)定，測(cè)定的瓦斯含量、煤層堅(jiān)固性系數(shù)和瓦斯放散初速度均超過了臨界值，分別為13.9 m3/t、0.25和18.7，計(jì)算得出瓦斯壓力為1.34 MPa，預(yù)測(cè)煤層具有突出危險(xiǎn)性。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.008 19 d-1，屬于可以抽采的煤層，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[11-13]，需對(duì)該煤系地層采取預(yù)抽煤層瓦斯措施，經(jīng)比較分析確定采用穿層網(wǎng)格預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)。

2穿層網(wǎng)格預(yù)抽瓦斯技術(shù)原理與特點(diǎn)

2.1技術(shù)原理

穿層網(wǎng)格預(yù)抽煤層瓦斯是在隧道揭開煤層之前，將鉆場(chǎng)設(shè)在掘進(jìn)的巖石巷道中或者開挖工作面內(nèi)，在巖壁或開挖面上布設(shè)網(wǎng)格狀鉆孔，由鉆場(chǎng)通過巖壁或開挖面向煤層打鉆并貫穿煤層全厚，然后通過鉆孔預(yù)先抽放煤系地層中的瓦斯，屬于未卸壓煤層的瓦斯抽放。其原理是利用抽放泵產(chǎn)生的空氣負(fù)壓，通過巷道和鉆孔抽放未受采動(dòng)影響或未經(jīng)人為松動(dòng)卸壓的煤層中的瓦斯，將隧道開挖面前方煤系地層區(qū)段內(nèi)的瓦斯一次性抽到洞外進(jìn)行高空排放，其整體布置如圖1所示。

圖1　隧道預(yù)抽煤層瓦斯布置示意圖

2.2技術(shù)特點(diǎn)

1)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)瓦斯抽放，工序銜接緊湊，可操作性強(qiáng)，抽放效果可靠；

2)對(duì)各煤層集中一次性綜合抽放，實(shí)現(xiàn)了煤系地層區(qū)段消突，避免了對(duì)逐一煤層分層抽放，縮短了瓦斯抽放工期，減少了瓦斯抽放工作量；

3)對(duì)于存在平導(dǎo)超前的隧道，可在平導(dǎo)內(nèi)布置鉆場(chǎng)，利用一套抽放系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行平導(dǎo)和正洞的煤層瓦斯抽放，避免了逐個(gè)掌子面單獨(dú)抽放；

4)在開孔巖壁上按照設(shè)計(jì)間距布設(shè)網(wǎng)格型鉆孔，對(duì)覆蓋不到的區(qū)域進(jìn)行局部補(bǔ)孔，避免出現(xiàn)抽放盲區(qū)；

5)隧道煤層瓦斯抽放期間，需要專業(yè)的瓦斯抽放隊(duì)伍操作實(shí)施，同時(shí)需要專職瓦斯檢測(cè)人員、通風(fēng)人員及物探人員參與，技術(shù)可靠性強(qiáng)。

3工藝流程與操作要點(diǎn)

3.1工藝流程

隧道瓦斯抽放技術(shù)施工工藝流程見圖2。

圖2　隧道瓦斯抽放技術(shù)施工流程圖

3.2操作要點(diǎn)

3.2.1瓦斯抽放方案設(shè)計(jì)

1)由于隧道施工領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)范對(duì)瓦斯抽放的要求較少，在技術(shù)和工藝方面規(guī)定的不夠具體，所以需要參考《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]、《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》[14]、《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》[15]和《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》[16]等技術(shù)文件進(jìn)行抽放方案設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮隧道施工組織設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，保證抽放方案的可行性、科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。

2)抽放方案設(shè)計(jì)前應(yīng)收集地勘期間、臨近礦井及隧道開挖過程中實(shí)測(cè)的瓦斯含量、瓦斯壓力和煤層透氣性系數(shù)等參數(shù)，確定隧道瓦斯儲(chǔ)量、可抽瓦斯量及瓦斯抽采率，并結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)施工及煤層位置情況選擇合適的鉆場(chǎng)位置和鉆孔深度。

3)結(jié)合抽放參數(shù)和隧道實(shí)際施工情況，進(jìn)行隧道瓦斯抽采系統(tǒng)計(jì)算及設(shè)備選型，并保留一定的富余量。抽放方案中必須設(shè)計(jì)抽放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2.2抽放施工準(zhǔn)備

抽放施工準(zhǔn)備主要包括抽放泵站建設(shè)和抽放鉆場(chǎng)施工。

3.2.2.1抽放泵站建設(shè)

首先，應(yīng)統(tǒng)籌考慮瓦斯抽放泵站的選址。瓦斯抽放泵站應(yīng)設(shè)在不受威脅且工程地質(zhì)條件可靠的地帶，應(yīng)避開滑坡、斷層破碎帶及塌陷區(qū)等地方，距離井口和主要建筑物不得小于50 m；同時(shí)，泵站及周圍20 m范圍內(nèi)禁止有明火，盡可能考慮進(jìn)出管道的鋪設(shè)方便和留有擴(kuò)能的余地。

其次，泵站建筑必須選用不燃性材料，耐火等級(jí)為二級(jí)，周圍必須設(shè)置柵欄或圍墻。泵站內(nèi)的電氣設(shè)備、照明、檢測(cè)儀表和其他電器均應(yīng)采用防爆型。抽放泵站采暖與通風(fēng)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。泵房附近管道應(yīng)設(shè)置防水器、防爆防回火裝置、測(cè)量裝置和采樣孔、采樣閥門等附屬裝置。

3.2.2.2抽放鉆場(chǎng)施工

鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)必須滿足通風(fēng)、鉆孔布置和鉆機(jī)操作的需要。鉆場(chǎng)位置的巖層應(yīng)完整、不破碎，斷面符合施工要求，支護(hù)可靠，無空幫、空頂，布孔巖壁要平直，以利于鉆孔施工、封孔和安裝瓦斯抽放管路。

3.2.3鉆孔、封孔及管路安裝

3.2.3.1鉆孔施工

開孔口徑為115 mm，開孔間距為0.3 m，鉆進(jìn)10 m后下套管注漿封閉孔口并安裝氣渣分離裝置，漿液凝結(jié)后沿套管用94 mm孔徑鉆桿實(shí)施正常的鉆孔。在鉆機(jī)上臨時(shí)安裝鋼板防止動(dòng)力現(xiàn)象造成的瓦斯及煤屑噴出。鉆孔在整個(gè)預(yù)抽區(qū)域內(nèi)呈網(wǎng)格狀均勻布置，鉆孔的控制范圍為隧道揭煤處開挖輪廓線上部14 m、兩側(cè)14 m和底部8 m，應(yīng)當(dāng)保證控制范圍的外邊緣到開挖輪廓線的最小距離不小于5 m，終孔穿透所有需要抽放的煤層形成4 m×4 m的網(wǎng)格形狀，并進(jìn)入煤層底板0.5 m。必須查驗(yàn)鉆孔實(shí)際資料，對(duì)鉆孔控制的“空白帶”采取補(bǔ)孔措施。

3.2.3.2封孔

鉆孔施工完成后必須及時(shí)封孔。封孔管通常采用抗靜電的工程塑料管，一般采用聚氨酯或水泥漿機(jī)械式封孔。當(dāng)孔口圍巖條件較好、構(gòu)造簡單、孔口負(fù)壓中等時(shí)，封孔長度取2～3 m；當(dāng)孔口段圍巖裂隙發(fā)育或孔口負(fù)壓高時(shí)，封孔長度取4～6 m。封孔前用水或高壓風(fēng)將孔內(nèi)殘存的煤、巖屑清洗干凈，防止鉆孔堵塞，應(yīng)保證注漿管及抽放管的長度，保證達(dá)到設(shè)計(jì)要求的封孔長度。

3.2.3.3抽放管路安裝

當(dāng)封孔完成后，必須及時(shí)將每個(gè)鉆孔與抽放管路相連，保證孔口不漏氣、不滲水。抽放主管道均采用法蘭連接，中間夾橡膠密封圈，為安裝方便，拐彎處也可采用彈簧軟管代替鐵管。主管路一般要求選擇無縫鋼管，置于邊墻的管架上，管架高度不低于30 cm。管路敷設(shè)時(shí)，要求平直，避免急彎，坡度盡量一致，避免高低起伏，在隧道鉆場(chǎng)低洼處需安裝防水器；管路敷設(shè)好后必須進(jìn)行氣密性檢查；隧道瓦斯抽放管路應(yīng)布置在電纜線的對(duì)側(cè)，如果在排水溝上面，距離應(yīng)大于1.5 m。地面管路敷設(shè)方式如圖3所示。

圖3　瓦斯抽放管道支撐墩安裝示意圖

3.2.4瓦斯抽放與監(jiān)測(cè)

瓦斯抽放與抽放過程監(jiān)測(cè)是同時(shí)進(jìn)行的，必須建立瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控管網(wǎng)瓦斯?jié)舛?、壓力、流量、溫度等參?shù)及設(shè)備的開停狀態(tài)，確定抽放期間的瓦斯抽放量。瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)主要包括抽放管路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和抽放泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)任一參數(shù)超限時(shí)，可發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并按給定的程序停止或啟動(dòng)。瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1　瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)指標(biāo)

3.2.4.1抽放管路的監(jiān)測(cè)

選用孔板流量計(jì)及人工測(cè)試的方法進(jìn)行瓦斯抽放量的監(jiān)測(cè)?？装辶髁坑?jì)安裝在每個(gè)抽放鉆孔的孔口及每根支管的出口端，每周至少測(cè)定1次瓦斯?jié)舛?、?fù)壓、壓差、溫度及大氣壓力；在干管和支管上設(shè)觀測(cè)孔，每10 d至少測(cè)定1次瓦斯?jié)舛群拓?fù)壓。

3.2.4.2抽放泵站的監(jiān)測(cè)

抽放泵站選用環(huán)境瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)傳感器、抽放管路瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)傳感器、壓力繼電器和瓦斯斷電儀等對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，再結(jié)合隧道瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)選用全自動(dòng)瓦斯抽放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)抽放泵站環(huán)境瓦斯?jié)舛?、管路壓力、溫度、瓦斯?jié)舛取?biāo)準(zhǔn)混量、標(biāo)準(zhǔn)純量、抽放泵工作狀態(tài)和工況量、供水狀態(tài)以及泵站的供電系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2.5抽放效果評(píng)價(jià)

根據(jù)煤炭系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范要求，在基礎(chǔ)條件滿足要求的基礎(chǔ)上，再對(duì)抽放效果是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行評(píng)判；在預(yù)抽效果達(dá)標(biāo)之后，再對(duì)抽放效果實(shí)施區(qū)域性防突效果檢驗(yàn)。

基礎(chǔ)條件達(dá)標(biāo)要求如下：

1)按要求建立瓦斯抽放系統(tǒng)并運(yùn)行正常；

2)瓦斯抽放泵站能力、備用泵能力和抽放管網(wǎng)能力等達(dá)到規(guī)定要求；

3)瓦斯抽放系統(tǒng)的抽放計(jì)量測(cè)點(diǎn)滿足要求、計(jì)量器具符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且檢定未超過有效期；

4)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的抽放效果評(píng)判用相關(guān)測(cè)試條件。

抽放效果評(píng)價(jià)應(yīng)包括下列主要內(nèi)容和步驟：

1)抽放鉆孔有效控制范圍界定；

2)抽放鉆孔補(bǔ)孔均勻程度評(píng)價(jià)；

3)抽放瓦斯效果評(píng)判指標(biāo)測(cè)定；

4)抽放效果達(dá)標(biāo)評(píng)判。

3.2.6勞動(dòng)力組織

瓦斯抽放施工采用不定時(shí)作業(yè)制，按不同的分工配備勞動(dòng)力組織見表2。

表2　勞動(dòng)力組織配備表

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.1抽放參數(shù)確定及材料設(shè)備選型

4.1.1抽放參數(shù)確定

超前鉆探測(cè)得C6、C5、C3煤層原煤瓦斯含量分別為11.47、9.87、13.91 m3/t，按照將煤系地層瓦斯含量降到8 m3/t以下的控制指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，揭煤區(qū)域的瓦斯總量為1 176 197.52 m3，共需抽放259 576.5 m3，抽放率為30.48%，其中平導(dǎo)抽放量為154 603.25 m3。依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定鉆孔內(nèi)最小抽放負(fù)壓為13 kPa。其瓦斯抽放量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　瓦斯抽放量計(jì)算表

4.1.2材料設(shè)備選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，抽放管路從抽放泵接主管經(jīng)橫洞副井(1 150 m)—沿平導(dǎo)(450 m)—抽放鉆場(chǎng)，共計(jì)距離約1 600 m，采用抽放管材的規(guī)格和數(shù)量見表4。

設(shè)計(jì)計(jì)算瓦斯抽放流量為18.97 m3/min，壓力值為57 870.87 Pa，工況絕壓為43.541 kPa。據(jù)此選擇ZWY-25/45-G型瓦斯抽放泵，其最大抽放量25 m3/min、極限真空度3.33 kPa、電機(jī)功率45 kW，配置2臺(tái)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

表4　瓦斯抽放管材一覽表

4.2鉆孔施工、封孔及抽放管路連接

4.2.1鉆孔施工

由于天坪隧道揭煤區(qū)域受F12斷層破壞，導(dǎo)致揭煤斷面大、抽放區(qū)域走向長(86.92 m)、空間高(25.4～29.6 m)，為防治斷層破碎帶瓦斯突出，應(yīng)減小鉆孔傾角，所以區(qū)域瓦斯抽放措施在平導(dǎo)揭煤工作面距C6煤層法向距離20 m處實(shí)施，即平導(dǎo)PDK127+800處掌子面布置鉆場(chǎng)進(jìn)行鉆孔施工。在1個(gè)公用大鉆場(chǎng)內(nèi)分設(shè)2個(gè)小鉆場(chǎng)，平導(dǎo)鉆場(chǎng)向平導(dǎo)掌子面前方煤層鉆孔，平導(dǎo)西側(cè)壁鉆場(chǎng)向正洞掌子面前方煤層鉆孔。設(shè)計(jì)共布置鉆孔488個(gè)，總長26 840 m，其中穿透C6、C5、C3煤層及其局部可采煤層鉆孔230個(gè)，穿透C6、C5煤層及其局部可采煤層鉆孔139個(gè)。鉆孔網(wǎng)格斷面布置見圖4，剖面布置見圖1，現(xiàn)場(chǎng)布置見圖5。

圖4　抽放鉆孔網(wǎng)格斷面布置示意圖(單位： m)

Fig. 4Layout of mesh-shaped borehole drilling for gas drainage(m)

圖5　抽放鉆孔網(wǎng)格現(xiàn)場(chǎng)布置圖

4.2.2封孔及管路連接

設(shè)計(jì)封孔長度為5 m、注漿管長度為3 m、回漿管長度為6 m，采用水泥砂漿封孔，水泥砂漿采用C40號(hào)以上的硅酸鹽水泥、砂子與水混合攪拌而成，水泥與砂子的質(zhì)量比為1∶2.4，砂子顆粒直徑為0.5～1.5 mm，水泥砂漿加入適量膨脹劑，以避免凝固后收縮出現(xiàn)裂縫?？變?nèi)清洗干凈后將抽放管、注漿管和回漿管放進(jìn)鉆孔，用木塞、麻布片或聚氨酯泡沫將3根管路固定，其中抽放管用鐵絲扎死，防止?jié){液堵塞抽放孔，然后進(jìn)行注漿封孔。漿液注入量大約為50 kg/10 m，由專業(yè)技術(shù)人員或資深熟練工人觀察回漿管的回流情況，如果回漿成功則立即停止注漿，本孔注漿完畢。封孔完成后必須及時(shí)清洗，防止?jié){液在泵及高壓輸漿管中凝固或沉淀。封孔管路連接如圖6所示。

1—注漿泵； 2—漿液； 3—注漿管。

圖6注漿泵與被封鉆孔的連接圖

Fig. 6Grouting pump connected by borehole that to be sealed

封孔完成后，在24 h內(nèi)用DN50 mm礦用膠管將每個(gè)鉆孔與匯總管相連接，連接處用鐵絲將膠管扎緊，并安設(shè)閥門來控制抽放負(fù)壓。而后將匯總管與抽放支管連接、抽放支管與平導(dǎo)抽放主管連接、抽放主管與抽放泵站連接。鉆場(chǎng)抽放管路連接如圖7所示，現(xiàn)場(chǎng)布置見圖8。

圖7　鉆場(chǎng)抽放管路連接示意圖

4.3瓦斯抽放監(jiān)測(cè)

瓦斯抽放為日常工作，為保證瓦斯抽放工作正常進(jìn)行，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要分為洞內(nèi)監(jiān)測(cè)和洞外監(jiān)測(cè)。洞內(nèi)主要監(jiān)測(cè)4個(gè)參數(shù)： 甲烷濃度、抽放負(fù)壓、瓦斯流量和瓦斯溫度。主要采用DN50 mm孔板流量計(jì)配合2臺(tái)WGC便攜式測(cè)定儀進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)并做好記錄。

圖8　鉆場(chǎng)抽放管路現(xiàn)場(chǎng)連接圖

洞外監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)抽放泵站，采用的抽放監(jiān)控系統(tǒng)為KJ70A。主要監(jiān)測(cè)設(shè)備見表5。

表5　抽放監(jiān)測(cè)設(shè)備表

4.4抽放效果檢驗(yàn)

4.4.1基礎(chǔ)條件達(dá)標(biāo)評(píng)判

天坪隧道平導(dǎo)鉆場(chǎng)從2014年7月7日開始抽放鉆孔施工，8月17日竣工，共完成240個(gè)瓦斯抽放孔的施工，累計(jì)15 819 m。2014年8月19日進(jìn)行試抽放， 8月21日開始對(duì)平導(dǎo)掌子面前方煤系地層瓦斯進(jìn)行穩(wěn)壓抽放，至11月1日結(jié)束抽放，累計(jì)瓦斯抽放量152 411 m3。對(duì)平導(dǎo)掌子面瓦斯抽放基礎(chǔ)條件是否達(dá)標(biāo)的評(píng)判情況見表6。

對(duì)抽放鉆孔的數(shù)量、有效抽放范圍和抽放鉆孔密度進(jìn)行了檢查，評(píng)判結(jié)果如下： 平導(dǎo)抽放鉆孔設(shè)計(jì)最小控制范圍為揭煤處巷道輪廓線外上左右各14 m、下8 m，實(shí)際的有效控制范圍為開挖輪廓線外上14.1 m、左右14.3 m、下8.1 m；鉆孔位置均勻，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)參數(shù)施工；預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)為0，小于設(shè)計(jì)要求的30%；瓦斯抽放率為31.58%，大于設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)抽放率30.48%。抽放各項(xiàng)指標(biāo)都符合方案設(shè)計(jì)的要求。

4.4.2區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

根據(jù)抽放效果的達(dá)標(biāo)情況，對(duì)抽放煤層進(jìn)行區(qū)域性驗(yàn)證，要求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的效果校驗(yàn)孔分別位于平導(dǎo)和正洞的防突措施預(yù)抽范圍上部、中部和兩側(cè)，并且至少有1個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位于要求預(yù)抽區(qū)域內(nèi)距邊緣不大于2 m的范圍。另外，根據(jù)超前鉆孔和抽放鉆孔施工揭露情況，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域適當(dāng)增加檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。

在平導(dǎo)抽放煤層基礎(chǔ)條件達(dá)標(biāo)之后，于2014年11月15日完成了24個(gè)校驗(yàn)孔的施工，施工過程中未出現(xiàn)噴孔等異?，F(xiàn)象，共取出煤芯樣本40個(gè)，經(jīng)檢驗(yàn)有3個(gè)煤樣指標(biāo)超標(biāo)(超標(biāo)率7.5%)，其中C6煤層1個(gè)樣超標(biāo)、C5煤層2個(gè)樣超標(biāo)、C3煤層無超標(biāo)，對(duì)超標(biāo)部位通過補(bǔ)孔并自然排放7 d后驗(yàn)證達(dá)標(biāo)?？傮w檢驗(yàn)結(jié)果為平導(dǎo)抽放效果有效，所實(shí)施的區(qū)域綜合防突措施符合相關(guān)規(guī)定的要求。

5成果與建議

天坪隧道在實(shí)施瓦斯抽放防突措施并驗(yàn)證有效后，于2014年12月27日成功實(shí)現(xiàn)了平導(dǎo)C6煤層的安全揭煤，C5和C3煤層也分別于2015年1月1日和1月7日實(shí)現(xiàn)安全揭煤；正洞分別于2015年3月22日、4月3日和4月20日安全完成了C6、C5和C3煤層的揭煤。通過采用穿層網(wǎng)格預(yù)抽煤層瓦斯施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤系地層區(qū)段內(nèi)多煤層的一次性瓦斯抽放，與逐一煤層抽放相比，減少瓦斯抽放工期3～6個(gè)月；利用超前平導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了正洞與平導(dǎo)瓦斯抽放共用一套抽放系統(tǒng)一次性完成，節(jié)約正洞瓦斯抽放工期3個(gè)月；瓦斯抽放后，施工通風(fēng)時(shí)間大幅縮短，能耗大幅降低。

取得的總體成果如下： 在經(jīng)濟(jì)方面合計(jì)節(jié)約成本投入超過1 000萬元；在技術(shù)方面總結(jié)形成了“瓦斯隧道穿層網(wǎng)格預(yù)抽煤層瓦斯施工工法”，成功解決了瓦斯隧道施工中瓦斯含量高、壓力大的難題，促進(jìn)了瓦斯隧道施工技術(shù)的發(fā)展；在施工生產(chǎn)方面為煤系地層安全施工和確保項(xiàng)目工期提供了有力保障。

雖然天坪隧道采用瓦斯抽放防突技術(shù)取得了一定的成果，但該技術(shù)在其他隧道施工工況條件下的適用性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，在材料選擇、設(shè)備配套、抽放參數(shù)優(yōu)化和抽放監(jiān)測(cè)等方面還有很大的提升空間，建議針對(duì)此類隧道工程繼續(xù)推廣和完善該項(xiàng)技術(shù)，為瓦斯隧道安全施工提供更加有利的保障。

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Study of Technologies for Gas Drainage and Outburst Prevention of Tianping Railway Tunnel

LI Yongsheng, YANG Lixin, WANG Dong, LUO Zhanfu

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:Tianping tunnel on Chongqing-Guizhou Railway is a gas tunnel. As a result, gas drainage technology should be applied. The technology of mesh-shaped borehole drilling of coal layer is decided based on analyzing the gas drainage experience. The gas drainage parameters are decided based on studying the coal storage conditions. The material and equipment selection, layout of boreholes, borehole sealing, pipeline connection and gas drainage monitoring are strictly controlled; and the gas drainage effect is examined. Finally, the main achievements of the mentioned technologies are summarized in terms of economy, technology and safe construction.

Keywords:Tianping Tunnel; gas drainage and outburst prevention; mesh-shaped borehole drilling of coal; monitoring

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0444-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.012

第一作者簡介：李永生(1976—)，男，黑龍江五常人，1999年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，安全工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下工程環(huán)境控制技術(shù)研究工作。E-mail: 375809983@qq.com。

收稿日期：2015-11-30; 修回日期: 2015-12-24