水菁溝高瓦斯隧道揭煤防突施工技術(shù)

蒲水山

（湖南金路工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

穿煤隧道的施工條件錯綜復(fù)雜，對施工方案和施工技術(shù)提出較高要求，要求在安全施工的前提下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、效率、效益等目標(biāo)。其中，高瓦斯隧道揭煤施工技術(shù)極為關(guān)鍵，施工單位要結(jié)合工程實(shí)際環(huán)境合理應(yīng)用，有效保證施工效果。

1 工程概況

水箐溝隧道位于六盤水市西南勺米鄉(xiāng)，地處含煤地層段，在2013 年10 月的施工中揭露煤層?，F(xiàn)場施工環(huán)境特殊，施工期間瓦斯涌出現(xiàn)象明顯，檢測結(jié)果顯示，正常通風(fēng)條件下部分區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍?0%以上，回風(fēng)瓦斯?jié)舛燃s為4%。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果可知，鄰近礦井為煤與瓦斯突出礦井，必須采取控制措施，保證施工安全。

2 隧道內(nèi)揭煤防突施工方案

2.1 總體方案

本段隧道施工采用超前探孔法，設(shè)備選用ZDY-1250型地質(zhì)鉆機(jī)，由專人完成鉆探操作。鉆探深度控制為80～100m，根據(jù)鉆探結(jié)果判斷煤層和瓦斯溢出情況。在洞內(nèi)設(shè)瓦斯自動檢測設(shè)備，實(shí)施人工檢測和自動檢測相結(jié)合的方式，以便準(zhǔn)確了解瓦斯?fàn)顩r。洞內(nèi)供電電纜選擇安全性和穩(wěn)定性較高的礦用鎧裝電纜，適配各類防爆型開關(guān)及燈具。

隧道掘進(jìn)時，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇合適的掘進(jìn)方法，若為Ⅴ級圍巖，采用臺階法掘進(jìn)，人工風(fēng)鉆打眼，部分區(qū)段的圍巖含瓦斯時，用電力起爆，并使用煤礦許用炸藥、煤礦許用電雷管、煤礦許用毫秒煙氣雷管正向起爆。隧道內(nèi)部的自然通風(fēng)條件較差，為此采取壓入式通風(fēng)的方法，營造舒適的隧道施工環(huán)境。初期支護(hù)方面，聯(lián)合應(yīng)用超前小導(dǎo)管和錨網(wǎng)噴混凝土加錨索支護(hù)。以無軌運(yùn)輸?shù)姆绞礁咝С鲈?，避免現(xiàn)場堆積。二次襯砌施工環(huán)節(jié)選用模板臺車襯砌。

2.2 隧道揭穿煤層的具體要求

（1）隧道揭穿煤層前，打開鉆孔控制煤層層位，同時測量煤層瓦斯壓力，并對隧道工作面危險性進(jìn)行評估。在隧道工作面挖掘到與煤層相距20m 時，前探鉆孔進(jìn)行施工。對煤層進(jìn)行穿透，深入頂板巖石的距離保持在0.5m以上，對巖芯資料進(jìn)行全面記錄。對鉆孔資料進(jìn)行詳細(xì)分析，以全面把握煤層的位置、厚度及角度等。

（2）揭煤區(qū)域煤層的瓦斯防突措施實(shí)施時機(jī)在揭煤工作面與煤層的最小法向距離達(dá)到7m 之前。對于鉆孔而言，最小控制范圍為：隧道揭煤處輪廓線之外5m，與此同時，還要確保控制范圍的外邊緣與隧道輪廓線的最小距離在5m以上。鉆孔如果不能一次性穿透煤層，則需要確保煤孔最小超前距離保持在15m左右。

（3）對穿層鉆孔預(yù)排隧道揭煤區(qū)域的煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)，具體設(shè)置5 個檢驗(yàn)孔，其中隧道中心設(shè)置1 個，隧道上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)各設(shè)置1 個。如果情況不允許，則至少需要設(shè)置4 個測試點(diǎn)，具體位置為預(yù)抽區(qū)域的上側(cè)、中側(cè)、左側(cè)及右側(cè)。同時至少預(yù)備1 個測試點(diǎn)，位置在預(yù)抽區(qū)域內(nèi)部與邊緣距離2m 的范圍內(nèi)。如果措施有效，可以繼續(xù)推進(jìn)掘進(jìn)過程；如果措施效果不突出，而且拖延了工程期限，經(jīng)論證要利用瓦斯排放系統(tǒng)排放瓦斯。

（4）為防止煤層誤穿，在隧道揭煤工作面與煤層最小法向距離為10m 以內(nèi)時，必須邊挖掘邊探索，同時保證最小法向距離在5m以上。

（5）隧道掘進(jìn)工作面與煤層之間要有巖柱，且?guī)r柱要有一定厚度。巖柱尺寸的具體確定要充分考慮防治要求、巖石性質(zhì)等。對鉆孔進(jìn)行瓦斯排放時，巖柱厚度保持在5m 左右。利用金屬骨架時，對煤體要保證2m 左右的固化距離。如果隧道斷面加大、巖石破碎度高，還有必要增大煤體固化距離。

2.3 防突措施

（1）隧道掘進(jìn)前，先系統(tǒng)分析勘察資料、隧道已揭煤層瓦斯參數(shù)等基礎(chǔ)信息，準(zhǔn)確認(rèn)識隧道施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，并基于掌握的信息進(jìn)行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。

（2）隧道掘進(jìn)期間要打設(shè)超前鉆孔，掌握煤層的具體分布；掘進(jìn)至距煤層法線20m 的位置，進(jìn)一步做好危險性預(yù)測工作，若存在危險性因素則要及時采取防突措施，保證施工安全[1-2]。

（3）防突措施落實(shí)到位后加強(qiáng)檢查，確認(rèn)無誤。

（4）該隧道施工采用預(yù)排放煤層瓦斯的方法，可達(dá)到有效消突的效果。針對瓦斯排放效果較差的情況（未達(dá)到設(shè)計要求），加強(qiáng)技術(shù)分析及可行性論證，以預(yù)抽瓦斯的方法對煤層消突。

2.4 隧道揭煤突出危險性預(yù)測

2.4.1 掘進(jìn)前突出危險性預(yù)測

經(jīng)分析，煤層多數(shù)區(qū)域存在煤與瓦斯突出危險性，同時煤層埋深較大，透氣性不足，不利于正常施工。已揭煤層實(shí)測結(jié)果顯示，瓦斯解吸超過0.5mL/（g·min1/2），結(jié)合堅(jiān)固性系數(shù)、破壞類型等多重因素系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均超過臨界值。由此對隧道出口左線、右線未施工區(qū)煤層進(jìn)一步預(yù)測，即該部分具有煤與瓦斯突出危險性，需加強(qiáng)防突控制。

2.4.2 掘進(jìn)時的突出危險性預(yù)測

隧道出口超前鉆孔情況顯示，出口左線、右線揭煤分別達(dá)到11 層、10 層，且兩部分均有從底板方向揭煤的特點(diǎn)。在突出危險性預(yù)測前，為了全方位、準(zhǔn)確掌握前方煤層的基本特性，需加強(qiáng)對煤層的超前探測，并根據(jù)實(shí)測結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)工作。

2.4.3 水箐溝超前探孔設(shè)計

隨著隧道施工進(jìn)程的推進(jìn)，到達(dá)基巖時，施工3個長度為80～100m 的超前探孔。根據(jù)探孔信息可知全程未見煤層，從該地質(zhì)條件來看，在鉆孔控制長度內(nèi)預(yù)留20m超前保護(hù)距離，然后高效掘進(jìn)。

每次探孔的搭接長度按20m控制，密切關(guān)注掘進(jìn)位置，待其到達(dá)搭接部位時暫停掘進(jìn)，進(jìn)入第二輪超前鉆探環(huán)節(jié)。按照此方法循環(huán)施工，直至穿越煤系地層為止。

若鉆探到煤層，需要及時記錄各項(xiàng)信息，包含煤層厚度、產(chǎn)狀、隧道風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?、鉆孔涌水量等，為現(xiàn)場施工條件分析以及后續(xù)工作規(guī)劃提供重要的依據(jù)。

2.4.4 煤層超前探測及賦存狀態(tài)預(yù)測

水菁溝隧道施工采取的探測方法切實(shí)有效，據(jù)此提出一些隧道預(yù)揭煤層超前探測鉆孔的布置要點(diǎn)。

（1）超前水平探孔的有效長度需達(dá)到80～100m，在隧道掘進(jìn)期間應(yīng)有足夠的超前水平安全距離（20m）。合理布置超前探煤鉆孔是準(zhǔn)確掌握前方地質(zhì)條件的重要方法，具體如表1所示。

（2）隨著隧道掘進(jìn)施工進(jìn)程的推進(jìn)，距離所揭煤層最小垂距為20m 時，在開挖工作面前方設(shè)5 個超前探孔。如果施工期間已經(jīng)設(shè)置了適量超前水平探孔，可根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)整，例如不設(shè)中間的探煤孔。

（3）現(xiàn)場的地質(zhì)構(gòu)造錯綜復(fù)雜，巖石偏破碎，此時施工條件更為特殊，在揭煤工作面距煤層最小法向垂距未縮小至20m 時便要設(shè)置適量的前探鉆孔，以掌握煤層厚度、傾角變化等基礎(chǔ)狀況。此外，以鉆孔見煤情況為準(zhǔn)展開計算，確定煤層厚度、傾角、走向及其與隧道的關(guān)系，根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析煤層頂、底板的巖性。

2.4.5 掘進(jìn)時的突出危險性預(yù)測

在突出危險性預(yù)測中，重點(diǎn)關(guān)注煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量指標(biāo)及突出預(yù)測敏感指標(biāo)鉆屑解析量。對所揭煤層超前探測后設(shè)置探煤鉆孔，以準(zhǔn)確掌握煤層瓦斯壓力、瓦斯含量等關(guān)鍵指標(biāo)。為了保證指標(biāo)數(shù)值的準(zhǔn)確性，將探煤孔布置在巖層相對完整的區(qū)域，探孔成型后用水泥砂漿封孔，以免因外部因素的存在而對探煤孔造成影響。隧道煤層突出危險性預(yù)測孔布置如圖1所示。

圖1 隧道煤層突出危險性預(yù)測孔布置圖

當(dāng)揭煤工作面瓦斯壓力超0.74MPa 或K1值（瓦斯解吸指標(biāo)）超0.4 或瓦斯含量超8m3/t 時，需采取防突措施。

（1）瓦斯含量W的測定。確定待測煤層并鉆孔取樣，將樣品裝入煤樣罐密封，用于測試；實(shí)測時，在井下常壓狀態(tài)下自然解吸，及時監(jiān)測獲得具體的瓦斯解吸速度，然后將煤樣送至地面實(shí)驗(yàn)室，做粉碎常壓瓦斯解吸處理，采集數(shù)據(jù)，確定樣品的地面瓦斯解吸量。在獲得具體數(shù)據(jù)后應(yīng)用煤樣瓦斯解吸模型展開計算，確定瓦斯損失量。

（2）瓦斯壓力P的測定。用黃泥、水泥封孔測壓是較為常見的方法，具體作業(yè)要點(diǎn)有：①按照水泥∶黃泥=100∶10的比例選取適量原材料，經(jīng)過拌制得到均勻性較好的混合物，用于封孔；②封孔深度至少達(dá)到8m，以保證封孔的嚴(yán)密性；③取?6～?8mm 的銅管用作測壓導(dǎo)管，管長在9m 以上，于管道末端0.5m 的位置焊接鐵質(zhì)擋板，于擋板外末端0.5m的部分有序打設(shè)?3mm 小孔（布設(shè)間距統(tǒng)一控制為2cm），成孔后用砂網(wǎng)布包扎，避免外界粉塵等雜物進(jìn)入其中；④銅管外露長度按10cm 的要求控制，提前加工壓力表的連接頭，保證嚴(yán)密性；⑤向測壓管插入孔內(nèi)打設(shè)木楔，送入黃泥并搗固，每完成1m封孔處理，增設(shè)1處木楔并搗緊；⑥確定與孔口相距1m 的位置，調(diào)整為水泥砂漿封孔方法，固結(jié)后設(shè)壓力表，然后測定數(shù)據(jù)。

2.5 防突措施

根據(jù)水菁溝隧道的實(shí)際情況確定有效的防突措施，即預(yù)排煤層瓦斯。實(shí)際施工中，在揭煤工作面距煤層的最小法向距離為7m 前及時預(yù)排煤層瓦斯，具體控制范圍為隧道揭煤輪廓線外至少12m，并使控制范圍的外邊緣至隧道輪廓線的最小距離至少達(dá)到5m。

通過觀察，判斷是否存在瓦斯動力現(xiàn)象，若某孔有極為嚴(yán)重的動力現(xiàn)象，則暫停施工，匯總實(shí)際情況并完整上報，根據(jù)實(shí)際情況采取有效的控制措施。排放鉆孔方法的排放效果有限且排放時間較長。若排放鉆孔采取自然排放的方式，要求排放鉆孔的孔徑達(dá)到?76mm，終孔間距不超過2m，此條件下的排放時間通常為10～25d。對于抽放鉆孔情況，應(yīng)合理調(diào)整終孔間距，即不超過4m。在菁溝隧道施工中分段完成預(yù)排煤層瓦斯操作，實(shí)現(xiàn)防突。

從出口都格端向畢節(jié)端展開施工時，水菁溝隧道對預(yù)計所揭煤層或煤線采取分段式、預(yù)排煤層瓦斯的防突措施。出口左線首段，排放鉆孔的位置在隧道開挖工作面與煤層距離7m 處。就超前排放鉆孔而言，其水平投影長度為51.6m 左右，排放效果達(dá)到既定要求且經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)有效且確保突出沒有危險時，方可繼續(xù)向前掘進(jìn)。隧道每掘進(jìn)18.2m，需預(yù)留33.4m超前安全距離。后續(xù)幾段的超前排放鉆孔施工與第一段的情況完全相同。只有各段排放效果達(dá)到消突標(biāo)準(zhǔn)后，隧道掘進(jìn)完全穿過煤層。

3 防突措施應(yīng)用效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)實(shí)際防突措施應(yīng)用效果，在出口左線、右線分別打20 個鉆孔和15 個鉆孔，對煤層殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量及突出預(yù)測敏感指標(biāo)進(jìn)行檢測和系統(tǒng)性判斷[3]。

為了掌握控制范圍邊緣的抽采情況，將檢驗(yàn)鉆孔布設(shè)在措施孔的最大空白帶；對于分布在隧道上部、兩側(cè)的3 個檢驗(yàn)測試點(diǎn)，應(yīng)保證其中至少1 個分布在鉆孔控制范圍靠邊緣的區(qū)域。經(jīng)過預(yù)排煤層瓦斯施工后，煤層殘余瓦斯實(shí)測壓力在0.74MPa 以內(nèi)或殘余瓦斯含量在8m3/t 以內(nèi)或K1值在0.4 以內(nèi)時，充分說明隧道采取的防突措施有效；反之，若指標(biāo)超出特定的區(qū)間，則說明防突措施應(yīng)用效果有限，需要繼續(xù)對所揭煤層進(jìn)行瓦斯排放操作，直至完全滿足要求為止。完整記錄各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)，以便根據(jù)實(shí)際情況判斷防突措施的應(yīng)用效果，避免因防控不當(dāng)而誘發(fā)安全事故。

4 結(jié)語

在水箐溝隧道工程施工中，工程人員通力協(xié)作，根據(jù)已經(jīng)掌握的現(xiàn)場條件采用預(yù)排煤層瓦斯的防突措施，經(jīng)檢驗(yàn)防突效果良好，營造了安全的隧道施工環(huán)境，故所用防突施工技術(shù)具有一定的參考價值。