淺談瓦斯隧道揭煤防突的措施

李勇

摘要：煤與瓦斯突出的預(yù)防和治理是如何在煤炭富集區(qū)域建設(shè)交通隧道，與修建鐵路時，確保在瓦斯隧道中，安全揭穿煤層的關(guān)鍵。本文主要介紹在隧道中瓦斯的性質(zhì)和放出形式，并在此基礎(chǔ)上以太原至焦作隧道鐵路為依據(jù)，簡單的敘述了當(dāng)下瓦斯隧道揭煤防突的主要措施，分析了各種措施的適用條件。

關(guān)鍵詞：隧道；瓦斯；防突；揭煤

1.瓦斯概述

1.1 瓦斯屬性

（1）瓦斯屬于無臭、無色氣體，主要成分是烷烴，大多是甲烷少數(shù)是乙烷、丙烷和丁烷。當(dāng)瓦斯混合碳化氫或硫化氫時，就會發(fā)出類似蘋果的香味。瓦斯密度比空氣小，對空氣的相對密度是0.554，因此瓦斯常常在隧道的上半部分聚集浮動。

（2）瓦斯?jié)B透能力是空氣1.6倍，滲透能力強，且不（難）溶于水（20℃溶解度<0.01g），擴散迅速，可以通過巖層中的裂縫從洞室周圍的地層擴散至洞室。

（3）瓦斯氣能夠燃燒，具有可燃性，濃度范圍在0%～5%時，遇火可燃，但在火焰外圍，產(chǎn)生淡青色、淺藍(lán)色燃燒層，超過16%濃度時，遇火源不燃燒、不爆炸，但在新鮮空氣中，遇火可燃燒。

（4）瓦斯在爆炸條件下會爆炸，在空氣中瓦斯的濃度是5%～16%范圍內(nèi)，瓦斯遇火會發(fā)生爆炸，在濃度是9.5%時，爆炸的威力最大（此時氧氣與瓦斯氣體完全反應(yīng)）。

1.2 放出形式

1.2.1瓦斯普通涌出。

地層中的空隙，給瓦斯涌出提供了條件，其可緩慢、持久散發(fā)，涌出煤（巖）層露出的表面上，有時帶有一種嘶嘶聲。

1.2.2瓦斯的特殊涌出。

挖開煤（巖）層中空洞，其中含有的大量瓦斯在很短時間內(nèi)突然涌出或拌有煤粉、煤塊的瓦斯涌出。

1.2.3瓦斯的噴出。

在壓力狀態(tài)下，大量瓦斯從煤（巖）層裂縫中噴涌而出，噴出時間長短不一，經(jīng)常伴隨著破碎聲、嘶嘶聲和吹哨聲，有發(fā)生爆炸隱患，以及窒息死亡風(fēng)險。

1.2.4瓦斯突出。

受壓力作用影響，瓦斯會短時間大量噴出，含瓦斯煤巖體呈粉碎狀從煤層向采掘部位移動，且會拋出大量煤粉和巖塊。瓦斯突出一般會有預(yù)兆，分為無聲和有聲兩種，無聲預(yù)兆為煤質(zhì)地變得松軟，顏色由亮色變成黑色，失去光澤；地層的壓力變大，煤層頂、底板出現(xiàn)斷裂，支撐被擠壓導(dǎo)致變形，煤坑墻壁被擠出、塌陷；氣溫下降，發(fā)冷感覺明顯，能嗅到臭味、酸味或酒味；有聲預(yù)兆為出現(xiàn)響聲，如：爆炸聲、悶雷聲、深處的煤炭或巖石破裂聲、支柱折斷聲。

2.揭煤防突措施

瓦斯特殊涌出危險性大，尤其煤、瓦斯突出現(xiàn)象，為降低施工安全隱患，加強預(yù)防性措施處理煤層采區(qū)尤為關(guān)鍵，為消除減少危險煤層的危險性，可先釋放部分瓦斯特殊涌能量。常用預(yù)防措施包括超前支架、震動性放炮，以及多排鉆孔、水力沖孔、超前鉆孔等，如下所示。

2.1放炮

震動性放炮措施，是誘導(dǎo)瓦斯特殊涌出的方法，可以減少人身傷亡事故的發(fā)生，基本做法如下，首先盡可能多的鉆炮眼，其次在掘進(jìn)工作面盡可能多的裝炸藥，確保一次爆炸操作，可將煤層全面暴露，震動性放炮也是利用震動，人為誘導(dǎo)出瓦斯特殊涌出的方法。

基于煤層瓦斯角度分析，唯有壓力小于1MPa時才達(dá)到震動性放炮要求，當(dāng)壓力超過1MPa，需要采取先鉆孔、排瓦斯的措施，或是其他降壓的方式，將壓力下降至1MPa以內(nèi)，才可以施以震動性放炮預(yù)防煤與瓦斯突出。

2.1.1 震動性放炮的設(shè)計參數(shù)

（3）密度。通常隧道底端的炮眼密度，通常會超過頂部，同時周邊密度，應(yīng)當(dāng)比中部密度大。

（4）深度。通常情況下，炮眼深度應(yīng)是待揭開巖層厚度、煤層厚度的和，炮眼底部、煤層間隔0.15m左右的距離。如果鉆眼時出現(xiàn)了偏差，可以在看到煤層后停止鉆進(jìn)，填充眼底炮泥0.1～0.2mm，要求裝藥后的炮眼，應(yīng)當(dāng)被炮泥填滿。

2.1.2注意事項

（1）爆破前，合理設(shè)計網(wǎng)路，了解各器械的性能，確保匹配度，確保爆破順利進(jìn)行，不距爆、不盲炮。

（2）爆破前檢查通風(fēng)設(shè)施。

（3）要在洞室內(nèi)進(jìn)行放炮的發(fā)爆工作。

（4）做好容易引起塌方部位，如隧道頂部，應(yīng)當(dāng)加強支護(hù)，針對于放炮后，弱煤層爆炸，引起的強煤層突出問題，應(yīng)當(dāng)加強突出清除。

2.2 超前支護(hù)

本次隧道揭煤施工中，采用超前支護(hù)的方法是為了防止薄～中薄層煤層坍塌，減小爆破中瓦斯堆積，增強隧道支撐防護(hù)，預(yù)防煤炭坍塌造成的瓦斯特殊涌出。在掘進(jìn)工作中，距煤層2m時，在石門兩側(cè)、上部，應(yīng)打兩排42～50mm直徑、相距200～270mm的鉆孔，在穿透煤層，與距頂板0.3m的鉆孔內(nèi)，插入42～50mm的直徑鋼管，利用初期支護(hù)鋼拱架固定鋼管尾部，再一次放炮穿透煤層。

超前支護(hù)使用：

（1）要求煤質(zhì)松軟，瓦斯壓力、地應(yīng)力不大，同時適用于急傾斜，或是突出強度低、突出危險性小等特征的薄煤層、中厚煤層。

（2）對于傾斜或緩傾斜煤層的效果不理想，究其原因與緩傾斜、傾斜煤層，其骨架長、較彎曲，超前支護(hù)效果并不理想，煤體移位預(yù)防突出作用相對欠缺。

（3）對于瓦斯壓力、地應(yīng)力相對強大的區(qū)域，應(yīng)先將煤體內(nèi)應(yīng)力、瓦斯緊張狀態(tài)消除或調(diào)整煤，避免超前支護(hù)效果并不理想。

2.3 水力沖孔

水力沖孔是提前通過高壓水槍，對巖柱內(nèi)側(cè)煤層進(jìn)行沖刷，揭露人為空洞，消散煤體局部壓力，并排出定量瓦斯達(dá)到預(yù)防突出的目的，其優(yōu)點是用鉆孔誘導(dǎo)突出，將具有危險性的大突出，通過鉆孔等措施，轉(zhuǎn)換為小突出，將危險性大的破壞性突出，通過合理措施，轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽氐陌踩怀?，同時預(yù)先釋放瓦斯、媒體潛能。

2.3.1 使用條件

（1）使用范圍廣，不受煤層傾斜度、厚度影響，各煤層厚度、傾斜程度都將適用。

（2）危險性較高的煤層，如潛力大、瓦斯?jié)舛却?、瓦斯壓力高、煤質(zhì)軟的煤層。

（3）穩(wěn)定性好，打鉆進(jìn)到煤層時就能噴孔，同時還不會導(dǎo)致排煤水管的堵塞。

（4）水力沖孔與超前鉆孔比較而言，優(yōu)勢是沖出較多煤量，煤體卸壓效果理想、瓦斯可充分排放，但施工難度大、工藝繁瑣等弊端不能忽視。

2.3.2 常用的技術(shù)措施

（1）開始之前，先預(yù)留4m的安全巖柱

（2）布置多個水力鉆孔眼在距煤層4米的石門工作面，并考慮三個危險區(qū)，分別為石門頂部以上9m，左右7m，下面5m。（3）使用高壓水沖擊孔眼，按順序自上而下依次進(jìn)行，一般的水壓為4～5MPa。同時可以壓入泥漿來增加煤體的強度，預(yù)防揭煤時頂出現(xiàn)坍塌。

（3）導(dǎo)洞預(yù)留在石門兩側(cè)，留有2m左右?guī)r柱，避免震動放炮帶來的安全隱患。

2.4 多排鉆孔分析

多排鉆孔也是預(yù)防煤、瓦斯突出的措施，主要指挖煤隧道中，在揭煤前，借助煤體打鉆孔方法，釋放煤體瓦斯，又因所需鉆孔數(shù)量多，且為多排，所以稱為多排鉆孔。

多排鉆孔是針對煤體和瓦斯突出都有高危險性的煤層的防突辦法，具體是與煤層垂直距離6m左右時，停止挖掘，傾斜于危險突出煤層，在周邊盡可能多的打孔，鉆孔直徑方面，通?？刂茷?2～50mm，為了控制瓦斯的排放范圍為隧道周邊4～7m，周邊所有要打的孔打在隧道周圍2～3m。如此一來，對于突出危險性大、強度大、有足夠卸壓，以及足夠范圍排放瓦斯的煤體，才能獲得理想成效，確保揭煤時突出有效預(yù)防。同時應(yīng)在隧道斷面內(nèi)，布置多個測壓孔，在鉆孔排放前，檢查瓦斯釋放的安全程度。同時，在鉆孔中間的應(yīng)該是測壓孔的見煤點和終孔點。

多排鉆孔的適用條件：

（1）使用范圍廣泛，不受煤層傾角、厚度影響，各類型突出煤層都能夠使用。

（2）基于普通突出煤層，或是超過7MPa瓦斯壓力的煤層，都能取得良好的防突效果。

2.5 超前鉆孔

按照煤炭系統(tǒng)施工技術(shù)要求，穿過特厚煤層的隧道，遇到突出危險煤層，應(yīng)采取超前鉆孔施工，確保掘進(jìn)安全性。它是始終保持足夠數(shù)量的大直徑超前鉆孔在工作面前方的煤體中，保證減少突出的發(fā)生。有卸壓帶、正常應(yīng)力帶、集中應(yīng)力帶的工作面；卸壓帶相對靠近工作面，屬于預(yù)防突出防護(hù)帶，此時瓦斯應(yīng)力、地應(yīng)力相對較低，3～5m的泄壓帶，可有效預(yù)防突出危險的出現(xiàn)。煤體強度應(yīng)力分布不均時，會致使圍巖移位，導(dǎo)致泄壓帶縮短，在煤壁周圍1.5m左右處，會形成瓦斯壓力大，同時應(yīng)力高的區(qū)域。當(dāng)煤體不穩(wěn)定，脆弱度被工作面施工破壞造成煤與瓦斯沖突。由上可知，超前鉆孔是通過超前鉆孔，人為維持泄壓帶，確保工作區(qū)域內(nèi)，不會出現(xiàn)高壓瓦斯突出危險。

超前鉆孔預(yù)防突出效果理想，屬于局部防突措施，在以下情況適用超前鉆孔：

（1）危險性一般的煤層，如：厚度角度一般的突出危險煤層，雖然嚴(yán)重但仍保持正常進(jìn)出的煤層。

（2）透氣性能好的煤層，有效影響半徑大于0.7m

（3）相比于其他措施，地質(zhì)構(gòu)造和煤層變化地帶適應(yīng)性好。

2.6松動爆破

深孔松動爆破方法，屬于借助深炮孔，借用炸藥的力量，使得鉆孔周圍煤體產(chǎn)生裂縫、松動，便于延長泄壓帶達(dá)到卸壓、排放瓦斯的目的。可以看出深孔松動爆破是一種裝藥爆破，形成長卸壓帶的誘導(dǎo)突出措施。為了解決煤質(zhì)軟硬不均勻分布的問題，形成有效通道釋放瓦斯，避免瓦斯突出危險發(fā)生，深孔松動爆破時在周圍形成一個50～180mm半徑的破碎圈。

3.結(jié)束語

煤與瓦斯沖突是復(fù)雜的力學(xué)與結(jié)構(gòu)的動力問題，包含了許多地應(yīng)力、煤的結(jié)構(gòu)形成，力學(xué)性質(zhì)綜合作用。其實，在實際的瓦斯隧道施工過程中，不會單獨采用一種防突法法，而會將多種方法聯(lián)合使用來實現(xiàn)預(yù)期目的和結(jié)果。但無論是綜合使用，或是單獨使用，都要考慮質(zhì)量、成本等方面的問題，勤監(jiān)測、強通風(fēng)、弱爆破與快噴錨等措施合理實施，利用實惠快速的方案來達(dá)到目的。

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