隧道穿越煤礦采空區(qū)安全施工技術(shù)研究

文斌　陳藝輝

摘要：由于隧道勘察手段限制，在隧道穿越煤礦施工過(guò)程中會(huì)意外遇到煤礦采空區(qū)。煤礦采空區(qū)主要存在突泥突水和瓦斯等有毒有害氣體的地質(zhì)問(wèn)題。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，采取合理、有效的安全技術(shù)確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全極為必要。本文從隧道穿越煤礦采空區(qū)的設(shè)計(jì)對(duì)策、跨越施工的安全技術(shù)措施、施工工藝等方面進(jìn)行了研究。保障隧道工程在穿越采空區(qū)施工時(shí)的人員和設(shè)備安全；對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：穿越 煤礦采空區(qū) 安全技術(shù)

一、工程概況

萬(wàn)開(kāi)周家壩-浦里快速通道工程鐵峰山隧道是重慶在建第一長(zhǎng)市政隧道。采用分離式隧道設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)9228m，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度80km/h，路基寬24.5m，線路總長(zhǎng)11.594km。有四處穿越劉家溝煤礦K3、K5煤層，其上均為采空區(qū)，原設(shè)計(jì)對(duì)隧道穿越該煤層段采取IV-瓦型襯砌支護(hù)。經(jīng)調(diào)查資料，在穿越K5煤層時(shí)隧道路面距離采空區(qū)底面約41米，隧道在穿越K3煤層時(shí)，隧道拱頂距離采空區(qū)設(shè)計(jì)底面約60米。

二、工程地質(zhì)概述

劉家溝煤礦位于鐵峰山隧道背斜中段南東翼，總體特征為一單斜構(gòu)造形態(tài)，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，隧洞地段地層為三疊系上統(tǒng)須家河組。K3煤層位于須家河組下亞組頂界的深灰色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖中，頁(yè)巖厚度1m～5m，煤層厚度為0.26～0.57m。K5煤線位于須家河組上亞組中上部深灰色砂質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)，頁(yè)巖厚度2m～4m，煤呈透鏡狀、條帶狀、線狀產(chǎn)出，黑褐色，質(zhì)較輕，煤層厚度為0.28～0.64m。該段巖層產(chǎn)狀傾角約76°～85°。煤層所在的頁(yè)巖層呈薄層狀，巖石較破碎，巖體完整性較差。

劉家溝煤礦主巷道入口16年已經(jīng)進(jìn)行了查封和斷電處理，目前水位約在+350處，煤礦設(shè)計(jì)的出水量為40m³/h。其K3煤線+506巷道為積水巷道。

三、煤礦巷道及采空區(qū)對(duì)隧道施工的影響分析

（一）煤礦巷道對(duì)隧道施工的影響

目前K5煤層已開(kāi)采至400m高程。K5煤層豎向分布有+639.15水井灣井，+512m運(yùn)輸大巷、+425m運(yùn)輸大巷，其中+425大巷位于隧道正下方，洞徑約2.5*2.5m，與隧道正交。該段隧洞底板高程約440m，距+425運(yùn)輸大巷小于15m。

（二）煤礦采空區(qū)對(duì)隧洞施工的影響

隧道穿越煤線處底板高程分別約為443m、440m，施工至采空區(qū)洞段時(shí)，地下水位預(yù)計(jì)在512m主巷道洞口高程，并沿主巷道排出；隧洞底板高程約440m，地下水位最大水頭差約70m，最大水壓力約0.7MPa。因此，隧道施工時(shí)可能產(chǎn)生突水突泥和集中涌水現(xiàn)象。

（三）瓦斯等有害氣體對(duì)隧洞施工的影響

隧道在該段穿越K3、K5煤層，估計(jì)瓦斯涌出量在0.1～0.3m³/min。

四、隧道穿越采空區(qū)的主要應(yīng)對(duì)措施

（一）采空區(qū)處理原則

隧道施工中，嚴(yán)密注意圍巖開(kāi)挖情況，通過(guò)有效的超前鉆探和物探方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)開(kāi)挖工作面前方幾米至幾十米的圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合掘進(jìn)中地質(zhì)條件的變化，及時(shí)提出預(yù)報(bào)，以便及時(shí)采取各種預(yù)防和施工措施，保證隧道施工的順利進(jìn)行。

隧道施工通過(guò)有突出危險(xiǎn)煤層段時(shí)，分段采取區(qū)域預(yù)抽措施，消除突出危險(xiǎn)；采用鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽排放；采用自動(dòng)監(jiān)控和人工檢測(cè)相結(jié)合的模式，對(duì)隧道重點(diǎn)部位進(jìn)行全面實(shí)時(shí)瓦斯監(jiān)控；施工期間，通風(fēng)采用壓入式獨(dú)頭通風(fēng)，加快瓦斯排放能力，稀釋瓦斯并防止局部積聚；開(kāi)挖、支護(hù)強(qiáng)調(diào)管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)、強(qiáng)通風(fēng)。對(duì)隧道施工所可能遇到的含水層、斷層和采空區(qū)提前進(jìn)行探放水，查明水文地質(zhì)及涌水源，據(jù)此經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較采取注漿堵水、疏放等措施，涌水處理以排為主。

（二）采空區(qū)位于隧道底部或下方的施工方法

當(dāng)采空區(qū)貫穿隧道并位于隧道斷面底部，對(duì)于仰拱以下規(guī)模較小的采空區(qū)可采用洞渣和C15混凝土回填，采空區(qū)規(guī)模較大時(shí)，采用樁基托梁、擴(kuò)大基礎(chǔ)等方式跨越。采空區(qū)位于隧道之下時(shí)，采用“探灌結(jié)合”的原則處理，在仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)后，在工字鋼鋼架之間布置150mm鉆孔，鉆孔布置順?biāo)淼揽v向間距5m，橫向2.5m，壓注M10水泥砂漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，如注漿時(shí)漿液消耗量大而壓力無(wú)法上升時(shí)，應(yīng)采用帷幕注漿。

施工流程為：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)→地下水及瓦斯氣體排放（若有）→φ108超前長(zhǎng)管棚施工→采空區(qū)前段機(jī)械開(kāi)挖及支護(hù)→采空區(qū)鋼筋混凝土底板及套拱加固→采空區(qū)后段機(jī)械開(kāi)挖及支護(hù)。

1.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道采空區(qū)超前探孔施工如下：

隧道開(kāi)挖接近預(yù)計(jì)采空區(qū)位置前20m（垂距）處掌子面打超前探孔1個(gè)（φ80孔），對(duì)地下水及瓦斯氣體進(jìn)行探測(cè)，若探測(cè)無(wú)水且無(wú)瓦斯氣體，則繼續(xù)朝前掘進(jìn)至距離采空區(qū)10米處，再進(jìn)行瓦斯氣體及地下水的探測(cè)。如此循環(huán)至采空區(qū)，若通過(guò)超前探孔發(fā)現(xiàn)有瓦斯氣體或有水，則立即停止施工，按照設(shè)計(jì)要求施工瓦斯氣體排放孔或排水孔，以確保在超前探水過(guò)程中的施工安全。

2.超前長(zhǎng)管棚施工

根據(jù)超前探孔進(jìn)行初探后的情況，在距離煤層17米處開(kāi)始施工長(zhǎng)管棚工作室，長(zhǎng)管棚工作室長(zhǎng)7米，長(zhǎng)管棚采用φ108×6無(wú)縫鋼管，總長(zhǎng)25米，擴(kuò)挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，待長(zhǎng)管棚施工完成后，再進(jìn)行隧道開(kāi)挖及支護(hù)，見(jiàn)圖5：長(zhǎng)管棚施工縱斷面示意圖。

3.采空區(qū)前段開(kāi)挖及支護(hù)

待長(zhǎng)管棚施工完成后，采用機(jī)械開(kāi)挖工藝，每次開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)鋼架間距，隧道襯砌形式采用采空區(qū)加強(qiáng)段襯砌結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖后及時(shí)支護(hù)，并觀測(cè)隧道已開(kāi)挖段及掌子面出水量，若出水量較大，則按照施工圖文件進(jìn)行環(huán)向注漿堵水等措施。

長(zhǎng)管棚工作室起點(diǎn)至采空區(qū)段采取機(jī)械開(kāi)挖，長(zhǎng)管棚工作室前5米按IV級(jí)圍巖瓦斯段襯砌進(jìn)行擴(kuò)挖及支護(hù)，后2米按抗水壓襯砌進(jìn)行擴(kuò)挖及支護(hù)，長(zhǎng)管棚工作室終點(diǎn)至采空區(qū)段采用抗水壓襯砌進(jìn)行支護(hù)。

4.采空區(qū)采用套拱加固及C35鋼筋混凝土底板

采空區(qū)拱部及邊墻施作1m厚的C15混凝土套拱，采空區(qū)下部采用2m厚C35鋼筋砼板，隧道底板以下2m回填C15混凝土，邊墻兩側(cè)回填土石宜選用洞渣中的片塊石碼砌。

5.采空區(qū)后段開(kāi)挖及支護(hù)

采空區(qū)后段10米范圍內(nèi)采用機(jī)械開(kāi)挖，其支護(hù)按抗水壓襯砌進(jìn)行支護(hù)，并觀測(cè)隧道已開(kāi)挖段及掌子面出水量，若出水量較大，則按照施工圖文件進(jìn)行環(huán)向注漿堵水等措施。

（三）隧道通風(fēng)安全保證措施

施工采用壓入式通風(fēng)方式，左、右洞外均安裝一臺(tái)4SDF-6-N0.15/90*4的軸流送風(fēng)機(jī)，用拉鏈軟風(fēng)管相連，從而將新鮮空氣送入左洞作業(yè)面。用1.3m比托管、U形壓力計(jì)以五環(huán)10點(diǎn)法測(cè)試管道全壓和靜壓，用1.3m比托管、DGm²9型補(bǔ)償式微壓計(jì)測(cè)試通風(fēng)管內(nèi)風(fēng)的動(dòng)壓。用電子風(fēng)速儀以9點(diǎn)法測(cè)試風(fēng)速、風(fēng)量。

（四）隧道逃生救援通道設(shè)置安全保證措施

逃生主通道采用φ800鋼管，壁厚10毫米，連接鋼板連接，同救生管道一樣布置于二襯到掌子面之間。逃生主通道在洞內(nèi)掌子面與下導(dǎo)坑之間安裝鋪設(shè)長(zhǎng)度為50m作為逃生管道，發(fā)生突發(fā)事件后可確保遇險(xiǎn)人員順管道脫離危險(xiǎn)區(qū)。

五、結(jié)語(yǔ)

在隧道施工過(guò)程中，遇到穿越煤礦的情況比較常見(jiàn)，在施工過(guò)程中，必須做好預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、分析工作，從而采取提前措施。防止突發(fā)情況發(fā)生，確保人員安全與施工的正常進(jìn)行。對(duì)于特殊的地段和地層，需要設(shè)置專門的手段和方法，從科學(xué)的角度合理的解決問(wèn)題，以確?，F(xiàn)場(chǎng)施工安全順利進(jìn)行。