瓦斯突出隧道掘進工作面瓦斯涌出強度影響因素分析及控制措施研究

吳元金， 楊立新， 茍紅松

(1. 中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511455； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

瓦斯突出隧道掘進工作面瓦斯涌出強度影響因素分析及控制措施研究

吳元金1， 楊立新1， 茍紅松2

(1. 中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511455； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

為掌握和控制瓦斯涌出的危險性，結合煤層瓦斯流動理論，分析隧道掘進時瓦斯涌出的規(guī)律，提出瓦斯突出隧道瓦斯涌出強度的計算方法及控制措施，并指出瓦斯抽放是控制瓦斯突出隧道瓦斯涌出強度的重要措施。研究結果表明： 采取合理有效的瓦斯涌出強度控制措施后，掘進工作面瓦斯涌出強度可以控制在0.5 m3/min以內(nèi)，可以極大地提高瓦斯突出隧道的施工安全性。

瓦斯突出隧道； 瓦斯涌出強度； 煤壁瓦斯涌出； 落煤瓦斯涌出； 瓦斯抽放

0 引言

近幾年，隨著我國基礎交通建設的發(fā)展，不可避免地遇到了許多瓦斯隧道的建設，從而增加了隧道施工的風險。隧道施工穿越瓦斯突出煤系地層時，由于開挖破壞了煤層內(nèi)的應力平衡狀態(tài)，導致煤層中瓦斯形成內(nèi)外壓差，大量瓦斯從煤層中逸出涌入作業(yè)空間[1]，增加了隧道施工的風險，瓦斯涌出是當前隧道施工面臨的危險之一[2]。

對于瓦斯隧道的特點以及施工安全性控制方面，相關領域的專家及學者均進行了系統(tǒng)性的研究。例如： 趙階勇[3]和祝和意[4]對瓦斯隧道的施工特點和關鍵技術進行了研究； 李永生等[5]對天坪隧道瓦斯抽放防突技術進行了研究，提出了提前將大部分瓦斯排放到洞外的措施； 傅強等[6]提出了單口掘進隧道瓦斯涌出量的計算方法，主要采用相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量描述和評價隧道施工區(qū)域的瓦斯等級情況，然后根據(jù)規(guī)范要求采用相應的措施控制瓦斯隧道施工的風險。但瓦斯涌出量不能反映隧道瓦斯涌出的動態(tài)特性，也不能體現(xiàn)瓦斯涌出的總體情況，有必要對隧道掘進工作面瓦斯涌出強度的變化規(guī)律進行研究并采取合理的通風及安全防護措施解決這一技術難題[7-8]。結合瓦斯賦存理論和天坪隧道的現(xiàn)場實測情況，對瓦斯涌出強度的影響因素以及降低瓦斯突出工作面瓦斯涌出強度的主要措施進行了深入研究，以期為類似工程提供一些參考。

1 隧道掘進瓦斯來源及涌出強度分析

隧道施工過程中，根據(jù)煤層瓦斯賦存與流動理論，將隧道內(nèi)瓦斯涌出簡化為徑向流動模型[9]，掘進期間巷道的瓦斯涌出強度用QB表示，掘進面煤壁瓦斯涌出強度用QT表示，掘進工作面采落煤巖的瓦斯涌出強度用QS表示，則

QB=QT+QS。

(1)

1.1掘進面煤壁瓦斯涌出強度QT

隧道一般近似垂直穿越煤層，如圖1所示。煤層中將會形成以隧道為圓心的同心圓狀徑向瓦斯流場，其瓦斯壓力等值線平行于煤壁且近似呈同心圓形狀，隧道掘進區(qū)瓦斯徑向流動流場如圖2所示。

圖1 隧道穿越煤層示意圖

圖2 隧道掘進區(qū)瓦斯徑向流動流場

假設煤層為均質(zhì)的，則瓦斯在煤層中的流動服從達西定律，得：

(2)

F=2πrm。

(3)

式中：QT為掘進面煤壁瓦斯涌出強度，m3/min；m為煤層厚度，m；λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·min)；r為半徑，m；q為煤壁單位面積瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；P為煤層瓦斯壓力p的平方，MPa2；F為掘進面暴露的煤壁面積，m2。

假設隧道穿越區(qū)域為瓦斯徑向流動的半無限大體，則煤體內(nèi)瓦斯含量的變化應等于圓環(huán)內(nèi)部煤壁瓦斯量的變化，即

(4)

式中:X為煤層瓦斯含量，m3；t為時間，min。

展開式(4)，并令P=p2，則

(5)

式中α為煤層瓦斯含量系數(shù)。

令P-3/4=P0-3/4，得

(6)

式中a1為吸附常數(shù)。

式(6)即為掘進隧道穿越段的煤層瓦斯流動方程。 其初始條件為：

P=P0=p02(t=0時)。

邊界條件為：

對式(2)—(6)進行數(shù)值求解，即可得到煤壁瓦斯涌出強度的變化情況,本文采用變步長六點顯示差分格式進行求解。

1.2落煤瓦斯涌出強度QS

美國猶他州大學將瓦斯從煤中解吸按指數(shù)函數(shù)衰減理論進行解析，并應用于試驗和計算過程中，然后采用各種試驗證實了該理論的可靠性和正確性[8]。 根據(jù)指數(shù)函數(shù)關系得出的解吸速度相對于時間曲線的通用公式為

q=q0e-kt。

(7)

式中:q0為初始瓦斯解吸速度，m3/min；k為煤層滲透率，10-15m2。

t0和t1之間解吸的落煤瓦斯涌出強度

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)，當t0=0時，累計落煤瓦斯解吸涌出強度

(9)

由式(6)和式(9)可以看出，隧道掘進過程中計算煤壁及落煤的瓦斯涌出強度需要確定各種邊界條件，通過對與瓦斯涌出強度相關的一些邊界條件進行逐個分析，更有針對性地對瓦斯涌出強度進行控制，同時根據(jù)這些影響因素采取相應的措施，以保證瓦斯隧道施工的安全性。

2 掘進工作面瓦斯涌出強度影響因素分析

2.1煤壁瓦斯涌出強度與煤層瓦斯壓力p的關系

瓦斯在煤層中主要以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，其可以相互轉化，并始終處于一種動態(tài)平衡。影響煤層賦存狀態(tài)的地質(zhì)因素主要有： 區(qū)域構造特征，煤層及圍巖組合特征，煤質(zhì)和水文地質(zhì)條件等[10]。隧道掘進過程中，隧道穿越段煤層被揭露后，其原有的瓦斯平衡狀態(tài)被打破，自煤壁表面到煤體深部存在一定的瓦斯壓力梯度，瓦斯沿煤體內(nèi)的裂隙和孔隙涌向煤巷，其瓦斯涌出強度隨時間的延長逐漸衰減[11]，所以掘進區(qū)煤壁瓦斯涌出強度不僅受煤壁暴露時間t的影響，也與煤層瓦斯壓力有較大的關系。天坪隧道C6煤層在不同瓦斯壓力情況下的煤壁瓦斯涌出強度如圖3所示。

圖3 不同瓦斯壓力情況下的煤壁瓦斯涌出強度Fig. 3 Relationships between gas outburst intensity and gas pressure in coal seam

由圖3可以看出，隨著煤層瓦斯初始壓力的增大，煤層揭露的初期煤層瓦斯涌出強度也明顯增加，并在暴露一定時間后趨于穩(wěn)定，但由于煤層瓦斯壓力的不同，趨于穩(wěn)定時的瓦斯涌出強度也存在一定的差異。

2.2煤壁瓦斯涌出強度與煤層透氣性系數(shù)λ的關系

煤層透氣性系數(shù)表征煤層對瓦斯流動的阻力，煤體內(nèi)的孔隙結構、煤層內(nèi)的裂隙和地應力等均對其有較大的影響。室內(nèi)試驗很難準確地測定出煤層的透氣性能。國內(nèi)煤炭行業(yè)一般采用井下實測煤層透氣性的大小，也可根據(jù)煤層吸附特性，結合煤層瓦斯流動方程，估算煤層透氣性系數(shù)。天坪隧道C6煤層不同煤層透氣性系數(shù)條件下的煤壁瓦斯涌出強度如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著煤層透氣性系數(shù)的增大，煤層暴露初期瓦斯涌出強度也明顯增加，并在暴露一定時間后趨于穩(wěn)定，由于透氣性系數(shù)的不同，趨于穩(wěn)定時的瓦斯涌出強度也存在一定的差異。

2.3煤壁瓦斯涌出強度與噸煤瓦斯含量W的關系

瓦斯中游離瓦斯量直接影響到煤壁瓦斯涌出強度，同時煤壁瓦斯涌出強度與煤層瓦斯吸附常數(shù)、瓦斯壓力和煤的工業(yè)成分等參數(shù)有關[12-16]。以天坪隧道C6煤層的實測參數(shù)對應不同瓦斯含量，并將反演瓦斯壓力代入煤壁瓦斯涌出強度計算模型，得出天坪隧道C6煤層不同噸煤瓦斯含量時的煤壁瓦斯涌出強度，如圖5所示。

圖4 不同煤層透氣性系數(shù)條件下的煤壁瓦斯涌出強度Fig. 4 Relationships between gas outburst intensity and permeability coefficient of coal seam

圖5 不同噸煤瓦斯含量時的煤壁瓦斯涌出強度Fig. 5 Relationships between gas outburst intensity and gas concentration

由圖5可以看出，隨著噸煤瓦斯含量的降低，煤壁瓦斯涌出強度降低，兩者呈非線性關系。噸煤瓦斯含量為11.0、8.0、5.0 m3/t等差降低時，對應的瓦斯初始涌出強度的差值是遞減的。這表明，對于突出煤層或高瓦斯煤層，降低其煤層噸煤瓦斯含量可以有效降低煤壁瓦斯涌出強度，但煤壁瓦斯涌出強度降低到一定程度后，其降低瓦斯的效果又逐漸減弱，這與煤層中游離瓦斯含量的降低程度是有關的。

2.4煤壁瓦斯涌出強度與一次開挖面積A的關系

煤壁瓦斯涌出強度與隧道掘進工作面一次開挖面積有關。不同開挖面積條件下的煤壁瓦斯涌出強度如圖6所示。

由圖6可以分析得出，隨著開挖面積的增加，煤壁單位面積瓦斯涌出強度會略有降低。但經(jīng)分析，煤壁單位時間內(nèi)總瓦斯涌出強度呈明顯增大趨勢。因此，減小一次開挖面積可以減小煤壁瓦斯涌出強度。

圖6 不同開挖面積條件下的煤壁瓦斯涌出強度Fig. 6 Relationships between gas outburst intensity and one-time excavation area

2.5落煤瓦斯涌出強度變化規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場實測，得出了天坪隧道瓦斯解吸情況。瓦斯解吸散點圖如圖7所示(折合為噸煤瓦斯含量，m3/t)。瓦斯涌出強度散點圖如圖8所示。

(a) W=11.47 m3/t

(b) W=5.51 m3/t

由圖8可以看出，噸煤瓦斯含量降低后，落煤瓦斯涌出初始強度呈明顯降低趨勢，2種不同噸煤瓦斯含量情況下落煤瓦斯涌出強度的變化規(guī)律均與式(9)相同。

3 天坪隧道瓦斯涌出強度控制技術應用

3.1工程概況

天坪隧道位于貴州省北部，重慶與貴州省交界地段，趕水東至夜郎區(qū)間，行政區(qū)劃屬于貴州省桐梓縣。隧道全長13 978.252 m。天坪隧道DK127+710～+850段穿越龍?zhí)督M煤系地層，共有3～22層煤，主要為9層煤，其中穩(wěn)定可采的有2層，較穩(wěn)定可采的有3層，其余4層穩(wěn)定性差、局部可采。對隧道影響較大的為C3、C5和C6煤層，煤質(zhì)為焦煤，厚度分別為2.6、2.45、1.33 m，走向為N42°E，傾向為正南方向，傾角為70°，煤層走向與隧道的交角為54°。橫洞工區(qū)為瓦斯突出工區(qū)，隧道施工期間存在煤層瓦斯突出、瓦斯燃燒或瓦斯爆炸的風險，隧道施工難度很大，在防治瓦斯突出、防范瓦斯燃燒與爆炸等方面面臨重大考驗。

(a) W=11.47 m3/t

(b) W=5.51 m3/t

3.2瓦斯抽放降低煤壁瓦斯涌出強度

采取合理的瓦斯抽放措施后，隧道掘進面前方煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力將相應的減小，揭開煤層后，瓦斯涌出強度也將發(fā)生變化[17-18]。采用煤壁瓦斯涌出強度理論計算模型，對比分析抽放前后煤壁瓦斯涌出強度的變化規(guī)律，如圖9所示。根據(jù)現(xiàn)場測試及反演計算結果，天坪隧道煤層瓦斯參數(shù)見表1。

由圖9可以看出，采取瓦斯抽放措施后，煤壁瓦斯涌出強度明顯降低，初始涌出強度低于未抽放情況的50%。煤壁瓦斯排放過程在理論上是無限的，但實際上，在暴露一定時間后，煤層中原有游離態(tài)瓦斯逐漸排出，原有的吸附態(tài)瓦斯逐漸轉化為游離態(tài)，煤壁瓦斯涌出強度下降到可以忽略不計的程度。由圖9可知，不考慮壁面噴漿時，通風20 min后，煤壁瓦斯涌出強度可控制在2.0 m3/min以內(nèi)，通風90 min后煤壁瓦斯涌出強度接近1.0 m3/min。根據(jù)計算預測，通風5 h后煤壁瓦斯涌出強度可降低至0.35 m3/min。由此可見，瓦斯抽放對降低煤壁瓦斯涌出強度的作用是非常明顯的。同時，由圖9可以看出，隧道壁面噴漿封閉后，洞內(nèi)的瓦斯涌出強度明顯降低，并可控制在0.4 m3/min以內(nèi)。因此，在揭煤爆破并通風一段時間后，對煤壁進行噴漿封閉，可以有效降低煤壁的瓦斯涌出強度。

(a) 不考慮噴漿

(b) 考慮噴漿

表1 天坪隧道煤層瓦斯參數(shù)

注：a、b代表吸附常數(shù)。

3.3瓦斯抽放降低落煤瓦斯涌出強度

對開挖面前方煤層進行瓦斯抽放，開挖后，落煤瓦斯涌出強度有明顯降低的趨勢。抽放前后落煤瓦斯涌出強度變化規(guī)律如圖10所示。掘進期間巷道的瓦斯涌出強度如圖11所示。

圖10 抽放前后落煤瓦斯涌出強度變化規(guī)律Fig. 10 Variation of gas outburst intensities of dropped coal before and after gas drainage

根據(jù)現(xiàn)場實測結果可知，瓦斯抽放后，煤層瓦斯含量和瓦斯壓力降低，爆破落煤中游離狀態(tài)瓦斯含量也明顯降低，依此計算出的落煤瓦斯涌出強度呈現(xiàn)明顯降低趨勢。由圖10可以看出，瓦斯抽放后，落煤瓦斯涌出強度明顯降低，由于煤層中大部分游離瓦斯均被抽放排出，所以抽放后，落煤瓦斯涌出強度大約低于未抽放情況的50%。同時，根據(jù)瓦斯解吸情況可以看出，通風90 min后，落煤中絕大部分的游離瓦斯已經(jīng)排出。

(a) 不考慮噴漿

(b) 考慮噴漿

根據(jù)天坪隧道揭煤施工情況和現(xiàn)場實測的煤層瓦斯參數(shù)，得出天坪隧道掘進期間巷道的瓦斯涌出強度變化情況。由圖11可以看出，瓦斯抽放前后巷道的瓦斯涌出強度存在明顯差異。對于未采用瓦斯抽放的情況，由于其煤壁瓦斯涌出強度所占比例較大，且壁面噴漿后煤壁瓦斯涌出強度明顯降低，所以巷道的瓦斯涌出強度有明顯降低。噴漿后一段時間內(nèi)，落煤瓦斯涌出強度占主要部分，所以落煤中瓦斯釋放完成后，巷道的瓦斯涌出強度基本可以控制在0.3 m3/min。

綜合以上分析可以得出，采取合理的瓦斯抽放措施，并在通風30 min后進行煤壁噴漿封閉，可以將瓦斯涌出強度控制在安全可控的范圍內(nèi)。

4 結論與討論

1)根據(jù)煤層瓦斯流動的基本規(guī)律和現(xiàn)場實測瓦斯參數(shù)，得出了隧道掘進揭煤區(qū)域煤壁瓦斯涌出強度的變化規(guī)律，據(jù)此可以計算出隧道掘進期間瓦斯涌出強度的變化情況，為確定隧道揭煤后的通風方案提供理論基礎。

2)根據(jù)現(xiàn)場測試情況，得出了落煤瓦斯涌出強度的變化規(guī)律，由此可以計算出隧道掘進期間落煤瓦斯涌出強度。

3)根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和理論計算，對比分析了瓦斯抽放前后掘進期間瓦斯涌出強度的變化情況。結果表明，采取合理的瓦斯抽放措施，并在通風一段時間后對煤壁進行噴射混凝土封閉，可有效控制隧道掘進期間瓦斯的涌出強度。

4)隧道穿越煤層時可采取的控制措施有超前鉆孔、鉆孔排放和水力沖孔等?，F(xiàn)場施工中應根據(jù)具體瓦斯涌出強度來確定采取何種措施，并應對煤層煤質(zhì)、煤層地質(zhì)構造等參數(shù)對涌出強度的影響做進一步研究。

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AnalysisofInfluencingFactorsofGasOutburstIntensityofTunnelingFaceofGasTunnelandItsControlMethods

WU Yuanjin1, YANG Lixin1, GOU Hongsong2

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China； 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

During the construction of gas outburst tunnel, the dynamics of gas outburst are often difficult to master and control; but it is the top priority of the safe construction of gas outburst tunnel. In this paper, the gas flow theory of coal seam is studied; the gas outburst rules of the tunnel are analyzed; the calculation methods and control methods for gas outburst intensity are proposed; meanwhile, it is pointed out that the gas drainage is the most important key to gas outburst intensity control. The study results show that the gas outburst intensity of tunneling face is effectively controlled within 0.5 m3/min and the construction safety of the gas outburst tunnel can be significantly improved by carrying out rational gas outburst control methods.

gas outburst tunnel; gas outburst intensity; gas outburst from coal wall; gas outburst from dropped coal; gas drainage

2017-06-14;

2017-08-31

吳元金(1984—)，男，江西玉山人，2007年畢業(yè)于太原理工大學，建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事地下工程環(huán)境控制技術的研究工作。E-mail： 258334960@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.009

U 458

A

1672-741X(2017)10-1262-07