水打橋隧洞煤與瓦斯突出段專項(xiàng)治理實(shí)踐

楊漢銘，趙德才，夏云東

（1.中鐵五局集團(tuán)第二工程有限公司，貴州 大方 551600；2.貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 工程概況

水打橋隧洞位于貴州省畢節(jié)市大方縣鼎新鄉(xiāng)，近東西走向，全長(zhǎng)約20.36 km。北干1標(biāo)施工樁號(hào)為水打橋隧洞0+000～10+300段，為無壓流，隧洞進(jìn)口接總干渠末分水閘，出口接白甫河倒虹管。隧洞設(shè)計(jì)流量31 m3/s，加大流量34.61 m3/s，隧洞斷面形式采用圓形，襯砌后凈空半徑為2.7 m。

2 煤層及瓦斯分布情況

根據(jù)開挖過程中的圍巖揭露，北干0+995里程之前煤層厚度約0.1～0.3 m，主要以?shī)A層形式分布在掌子面中部以上位置，放炮后瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%，通風(fēng)后瓦斯?jié)舛鹊陀?.1%。北干0+995-北干1+325段煤層厚0.3～1.5 m，放炮后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.8%～1.0%，通風(fēng)后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.2%。1+325～1+405段煤層厚1.5～3.0 m，放炮后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.0%～4.0%，通風(fēng)后掌子面瓦斯?jié)舛葹?.4%，回風(fēng)道中濃度為0.3%，避車洞中的瓦斯?jié)舛葹?.3%～0.48%，均達(dá)到規(guī)范要求。2017年6月17日受洞內(nèi)異響、變形影響，進(jìn)口掌子面1+405于2017年6月20日停工。2017年7月3日上午09：00，進(jìn)口掌子面1+405處突然發(fā)生煤與瓦斯突出現(xiàn)象。掌子面溜坍，無人員傷亡，洞口瓦斯?jié)舛冗_(dá)8%，掌子面瓦斯?jié)舛冗_(dá)56%，一氧化碳濃度達(dá)516ppm（正常值為27 ppm）。根據(jù)相關(guān)各方要求及專家論證意見，1+405～1+600段采取煤與瓦斯防突出專項(xiàng)治理措施。

3 治理方案

3.1 局部消突

3.1.1 鉆孔布置

防突工作堅(jiān)持“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的原則。突出煤層開挖工作做到“不掘突出頭”。嚴(yán)禁未按要求采取區(qū)域綜合防突措施的單位進(jìn)行施工活動(dòng)。區(qū)域防突工作應(yīng)做到多措并舉、可保必保、應(yīng)抽盡抽、效果達(dá)標(biāo)。因水工隧洞與煤礦施工差別較大，為減少投資，方案中采取局部防突措施而非區(qū)域防突。

為保證煤層段開挖過程安全，工作面施工37個(gè)抽放鉆孔（其中25個(gè)為灌漿孔），孔徑76 mm，水平夾角及坡度按0°～24°控制。瓦斯抽排孔布置情況為（見圖1）：①號(hào)孔每輪8個(gè)，鉆孔深度37.7 m，外傾角9°；②號(hào)孔每輪8個(gè)，鉆孔深度30 m，外傾角12°；③號(hào)孔每輪8個(gè)，鉆孔深度12.5 m，外傾角24°（第二輪取消）；④號(hào)孔布置于隧洞中心，孔深32 m，垂直掌子面水平布置，抽排孔搭接10 m；⑤號(hào)孔每輪4孔，孔深25 m，內(nèi)排垂直掌子面水平布置，外排外傾5°。鉆孔之前必須對(duì)掌子面采用C20混凝土進(jìn)行封閉1 m。瓦斯抽排封堵見圖2。

圖1 水打橋瓦斯抽排設(shè)示意

圖2 瓦斯抽排封堵示意

3.1.2 瓦斯抽排

按照GB50471-2008《煤礦瓦斯抽排工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］要求，應(yīng)根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯來源、隧洞布置、時(shí)間配合、瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)等因素并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定瓦斯抽排方法。在該工程實(shí)施過程中，采取了預(yù)抽煤層瓦斯措施。

根據(jù)AQ1026-2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》［2］，確定瓦斯抽排量抽排率取40%，抽排規(guī)模為1.92 m3/min。預(yù)抽瓦斯孔口負(fù)壓為13 kPa。瓦斯抽排鉆孔直徑為76 mm，抽排半徑為8 m。采用人工聚胺脂封孔，封孔段長(zhǎng)度不得小于5 m。聚胺封孔操作簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，氣密性好，抽排效果好。

抽放泵采用2BEA-42型水環(huán)真空泵1臺(tái)，最大抽氣量42 m3/min。極限真空度33 kPa，真空泵配套電機(jī)功率為55 kW，轉(zhuǎn)速472 r/min。移動(dòng)抽排泵距工作面距離不小于200 m。高負(fù)壓抽排主管為Ф200的鋼管，敷設(shè)至洞外50 m排放。采用法蘭盤螺栓緊固連接，中間夾像膠密封圈，為安裝方便，抽排管路拐彎處采用彈簧軟管。

瓦斯抽排站電源為380 V供電，采用YJV22-3×240+2×120礦用電纜，使用煤礦專用防爆開關(guān)。照明電源由配備有短路、過負(fù)荷及漏電閉鎖的礦用隔爆照明綜合保護(hù)器供給，在瓦斯泵站配備有隔爆型照明燈具，且滿足照明度不低于20Lx的要求。

移動(dòng)泵站主要用水為抽排泵冷卻水，抽排泵的冷卻水系統(tǒng)取自供水管路，通過三通分支進(jìn)水管路敷設(shè)至瓦斯抽排泵站內(nèi)，為其提供足夠的用水量。

3.1.3 瓦斯抽排監(jiān)測(cè)及控制

為保證瓦斯抽排系統(tǒng)的安全運(yùn)行和安全生產(chǎn)，瓦斯抽排泵必須配備完善的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)瓦斯?jié)舛取⒊榕疟霉苈穬?nèi)的瓦斯?jié)舛?、?fù)壓、溫度及一氧化碳濃度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

移動(dòng)抽排泵處的環(huán)境甲烷傳感器報(bào)警值、斷電值設(shè)為不小于0.5%，復(fù)電值設(shè)為小于0.5%，斷電范圍為移動(dòng)抽排泵所有非本質(zhì)安全型電器設(shè)備。

在抽排泵輸入管路中設(shè)置高濃度甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、溫度傳感器及負(fù)壓傳感器等對(duì)抽排管路內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

3.2 注漿固結(jié)封堵

進(jìn)口1+410～1+600段，每循環(huán)帷幕加固長(zhǎng)度為35 m，長(zhǎng)度與抽排孔一致，搭接長(zhǎng)度5 m。注漿使用水泥-水玻璃雙液漿，采用壓密注漿形成對(duì)圍巖加固及瓦斯封堵。注漿前，全斷面施工止?jié){墻（共8環(huán)）采用掛網(wǎng)C25混凝土，混凝土厚度1 m，環(huán)向采用Φ25鋼筋錨桿，與初期支護(hù)接薦加固，每根長(zhǎng)3 m，布置間距0.5 m。

圖3為注漿封堵示意，注漿孔利用①～④號(hào)孔灌漿孔，共布設(shè)25個(gè)孔（第二輪17個(gè)孔，取消③號(hào)孔），按②號(hào)→③號(hào)→①號(hào)→④號(hào)的順序施工。

3.3 效果檢驗(yàn)

瓦斯抽排及注漿封堵結(jié)束后，須對(duì)掌子面進(jìn)行鉆孔效果檢驗(yàn)，孔長(zhǎng)30 m，孔徑75 mm，距掌子面邊緣1.2 m，呈環(huán)向均勻布置，分別位于工作面的上、中、下、左、右。

圖3 注漿封堵示意

治理效果以瓦斯?jié)舛鹊陀?0%、瓦斯壓力小于0.2 MPa為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)不能滿足上述條件時(shí)，灌漿全部結(jié)束后繼續(xù)抽排3 d。

瓦斯檢測(cè)孔需測(cè)定瓦斯放散初速度ΔPmax、煤層堅(jiān)固性系數(shù)fmin和瓦斯壓力Pmax，若檢測(cè)為不突出煤層時(shí)方可進(jìn)行開挖，若檢測(cè)仍為煤與瓦斯突出煤層，應(yīng)及時(shí)上報(bào)設(shè)計(jì)單位，以確定下一步施工方案。

當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果措施有效時(shí)，若檢驗(yàn)孔與防突措施鉆孔向隧洞掘進(jìn)方向的投影長(zhǎng)度（即投影孔深）相等，則可在留足防突措施超前距（掘進(jìn)工作面應(yīng)保留的最小防突措施超前距為5 m）及采取安全防護(hù)措施的條件下繼續(xù)掘進(jìn)。

3.4 煤層段掘進(jìn)

瓦斯抽排完成且經(jīng)過效果檢驗(yàn)后（采用鉆屑解析指標(biāo)法進(jìn)行鉆屑量和K1值的測(cè)定），經(jīng)驗(yàn)證工作面無突出危險(xiǎn)后，在采取安全防護(hù)措施的條件下，遠(yuǎn)距離爆破揭穿煤層，直至進(jìn)入頂板2 m以上，煤層段施工結(jié)束。

因該段圍巖為碳質(zhì)泥巖加粉煤層，圍巖自穩(wěn)性非常差，故采用上下臺(tái)階法施工，分3步開挖。上臺(tái)階高度約2.8 m，下臺(tái)階高度約4.7 m（預(yù)留沉降量0.55 m），上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m，下臺(tái)階分左右側(cè)開挖。每循環(huán)開挖控制在1 m以內(nèi)（拱架間距0.5 m）。開挖時(shí)，為減輕對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，應(yīng)控制好裝藥量，采用弱震動(dòng)爆破法開挖，各部位開挖完成后，及時(shí)施工完成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.5 初期支護(hù)

1+410～1+600段穿越煤系地層，為一級(jí)瓦斯設(shè)防段。采用Ⅴ類圍巖全封閉復(fù)合襯砌，按照臺(tái)階法開挖，因此上臺(tái)階開挖完畢后及時(shí)完成初期支護(hù)。支護(hù)參數(shù)為：①采用φ42超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)度3 m，縱向搭接長(zhǎng)度1.5 m，環(huán)向間距0.35 m。②拱架采用I20b型工字鋼環(huán)向間距50㎝，縱向采用Φ25鋼筋與工字鋼套筒式連接，綁扎Φ8雙層鋼筋網(wǎng)片。③系統(tǒng)錨桿采用D32自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿布設(shè)為上部鋼支撐240°范圍，間距1.5 m，長(zhǎng)度6 m，在鋼支撐上每隔一榀實(shí)施；注漿初始?jí)毫?.1 MPa，最大壓力不超過0.3 MPa，注漿范圍在深入基巖0～6 m。④鎖腳錨桿上臺(tái)階在臺(tái)階往上50 cm位置兩側(cè)各設(shè)置2根長(zhǎng)3 m的Φ32自進(jìn)式中空錨桿；下臺(tái)階在底板往上50 cm位置兩側(cè)各設(shè)置2根長(zhǎng)3 m的Φ32自進(jìn)式中空錨桿。⑤噴射混凝土全斷面采用摻氣密劑C20混凝土，厚度為20 cm。⑥拱底回填30 cm厚的C20混凝土。鑒于目前該隧洞瓦斯及地應(yīng)力較大，部分洞內(nèi)初支掉塊嚴(yán)重，鋼架變形，為減少一襯變形侵限，預(yù)留量沉降調(diào)整為30 cm。

4 結(jié)語

根據(jù)水打橋隧洞煤與瓦斯突出情況，采取相應(yīng)的綜合治理措施。區(qū)別于煤礦中單一采取瓦斯抽排或公路隧道中注漿封堵，該方法將抽排與固結(jié)有機(jī)結(jié)合，既節(jié)約了投資，又達(dá)到了治理效果，尤其是首次在水利工程中成功運(yùn)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，積累了成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似工程項(xiàng)目具有一定參考價(jià)值。