油氣型高瓦斯隧道貫通后至運(yùn)營前瓦斯涌出量預(yù)測研究

張孝廣

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

新建地鐵龍泉山隧道從西翼到東翼須垂直穿越整個龍泉山脈含油氣構(gòu)造，穿越地層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組、上統(tǒng)遂寧組及上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，其中沙溪廟組砂巖地層是淺層天然氣主要儲氣層[1]. 地勘鉆孔天然氣檢測最大濃度26 200ppm，接近爆炸下限，預(yù)測隧道掌子面最大瓦斯涌出量1.23 m3/min[2]. 龍泉山隧道2019-05-16采用自然擴(kuò)散通風(fēng)后，隧道內(nèi)風(fēng)向轉(zhuǎn)換過程中ZDK43+350處瓦斯傳感器共預(yù)警5次，其中濃度最大0.36%，持續(xù)時間長1′12″. 說明在無風(fēng)微風(fēng)條件下本隧道在逸出段存在瓦斯預(yù)警超限可能. 依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》要求：瓦斯隧道運(yùn)營期間宜采用定時通風(fēng)，當(dāng)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.4%時，必須啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，保證隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛炔淮笥?.5%，當(dāng)濃度降低到0.3%以下時，方可停止通風(fēng). 通過連續(xù)自動檢測過渡期自然通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯?jié)舛却笮?，進(jìn)一步預(yù)測評估瓦斯涌出量[3]. 前人主要研究隧道地勘及施工期間瓦斯涌出量大小，而對過渡期出現(xiàn)瓦斯預(yù)警情況時隧道瓦斯涌出量文獻(xiàn)甚少. 王明年等[4]指出瓦斯隧道混凝土襯砌本體中的細(xì)小孔隙和“三縫”等缺陷的存在，建成后的瓦斯隧道必然受瓦斯侵襲，這對運(yùn)營安全危害極大. 高勤運(yùn)指出非煤地層瓦斯涌出量的評估目前還沒有系統(tǒng)的理論和方法，主要參照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》中煤層瓦斯涌出量計算公式[5]. 對地鐵龍泉山油氣型高瓦斯隧道貫通后至運(yùn)營前瓦斯涌出源分析，并采用滲透系數(shù)法對滲出量預(yù)測評估，對后期運(yùn)營管理中射流風(fēng)機(jī)安設(shè)，監(jiān)控傳感器布置及風(fēng)速需求提供一定參考.

1 瓦斯逸出段分布特征

龍泉山隧道全長9.6 km，依據(jù)超前鉆孔瓦斯分布特征表明其瓦斯逸出段主要分布在ZDK42+750-ZDK43+650，長度900 m；右線YDK42+700-YDK43+750，長度1 050 m；鉆孔濃度均為100%，為本隧道瓦斯逸出段重點(diǎn)防控區(qū)間，在1#斜井小里程ZDK43+650處揭露發(fā)現(xiàn)高濃度、高涌出量瓦斯逸出現(xiàn)象，現(xiàn)場實(shí)測瓦斯壓力0.14 MPa，鉆孔瓦斯涌出量為315 L/min.

2019-03-30全線隧道零瓦斯事故安全貫通后，對全隧左、右線對瓦斯逸出段施工縫、水氣分離室、泄水孔、聯(lián)絡(luò)通道等進(jìn)行檢測，瓦斯主要分布在進(jìn)口工區(qū)7#聯(lián)絡(luò)通道至1號斜井10號聯(lián)絡(luò)通道間區(qū)段范圍內(nèi)，如圖1所示.

圖1 龍泉山隧道瓦斯分布特征

2 瓦斯預(yù)警原因分析

2.1 自然通風(fēng)

相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道進(jìn)、出口存在高程差，洞內(nèi)外存在溫度差時，將造成洞內(nèi)外空氣密度存在差值，隧道內(nèi)空氣流動將存在浮升或沉降效應(yīng)[6-7]. 由于龍泉山隧道存在洞內(nèi)外的氣溫差及兩洞口的高程差所引起空氣流動的壓力差，對于長大隧道而言自然風(fēng)的影響也會相當(dāng)明顯，經(jīng)現(xiàn)場自然通風(fēng)狀態(tài)下近3個月早、中、晚三班持續(xù)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、氣壓等進(jìn)行測定觀測，據(jù)測風(fēng)情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，洞外溫度高于洞內(nèi)時，風(fēng)流由1號斜井流向進(jìn)口工區(qū)，風(fēng)流風(fēng)向與洞內(nèi)外溫差相關(guān)性明顯. 風(fēng)流方向轉(zhuǎn)換過渡期間，風(fēng)速局部低于0.1 m/s，甚至無風(fēng)狀態(tài)，此時逸出段內(nèi)瓦斯沿施工縫及泄水孔道不斷滲出，造成監(jiān)控傳感器濃度不斷升高，甚至一度超過0.3%預(yù)警值，見圖2.

圖2 瓦斯監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)曲線

2.2 瓦斯涌出源

目前隧道二次襯砌混凝土施工完畢后，隨著混凝土凝固收縮、仰拱及二襯施工縫、預(yù)留泄排水孔等極易出現(xiàn)不同程度的開裂、掉塊、脫空、裂紋、滲漏水等缺陷，襯砌施工縫、變形縫等是隧道襯砌受壓及防排水的薄弱部位，是高瓦斯隧道運(yùn)營前期瓦斯?jié)B出的主要來源點(diǎn). 本文根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際排查情況將隧道內(nèi)瓦斯?jié)B出源具體劃分為5個分源，即施工縫瓦斯?jié)B出源QS、泄水孔瓦斯?jié)B出源QX、水氣分離室瓦斯?jié)B出源QF、二次襯砌瓦斯?jié)B出源QE和聯(lián)絡(luò)通道瓦斯?jié)B出源QL. 全隧左、右線瓦斯逸出段內(nèi)施工縫、水氣分離室、泄水孔、聯(lián)絡(luò)通道等進(jìn)行排查檢測，進(jìn)口工區(qū)7#聯(lián)絡(luò)通道至1號斜井10號聯(lián)絡(luò)通道間區(qū)段范圍內(nèi)，尤其泄水孔內(nèi)瓦斯?jié)舛蕊@示高值，部分存在于施工縫及水氣分離室處，由于采用氣密性混凝土襯砌，襯砌表面未檢測出瓦斯. 具體如表1所示.

表1 龍泉山隧道瓦斯檢測統(tǒng)計分析

3 自然通風(fēng)狀態(tài)瓦斯?jié)B出量核算

瓦斯?jié)B出量影響因素主要與煤系地層(或淺層天然氣地層)中瓦斯含量；地層中瓦斯壓力與隧道內(nèi)空氣壓力差；二次氣密性混凝土襯砌材料滲透系數(shù)；“三縫”施工材料的滲透系數(shù)；隧道內(nèi)空氣的流動速度等相關(guān)[4]. 因此對于已貫通瓦斯隧道，常用滲透系數(shù)法來確定瓦斯?jié)B出量，即：

(1)

式中，Q為瓦斯?jié)B出量(m3/min)；K為襯砌或縫隙的滲透系數(shù)，由試驗(yàn)測定(m/s)；A為透氣面積(m2)；P1為封閉后地層內(nèi)的瓦斯?jié)B透壓力值(MPa)；P為隧道內(nèi)空氣壓力，隧道內(nèi)氣流與外界大氣相通，取P=0.1 MPa；b為滲透厚度，取襯砌厚度(m)；γ為瓦斯的容重(kg/m3)[8].

A=S×L

(2)

式中，L為隧道穿過瓦斯逸出段地層的長度(m)；S為隧道斷面周長(m). 滲透系數(shù)K按材料的滲透系數(shù)并參照規(guī)范設(shè)計選取.

3.1 施工縫瓦斯?jié)B出量

對龍泉山隧道瓦斯逸出段支護(hù)體系采用全封閉復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)噴射混凝土厚0.15～0.25 m，二次襯砌模注混凝土厚0.35～0.50 m. 隧道標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)輪廓成型斷面積F=42.06 m2，周長S=24.13 m. 隧道接縫寬度按每縫寬0.005 m計，每12 m設(shè)一道橫向接縫，P1=0.6 MPa，V=0.716 kg/m3，h=0.5 m，K按氣密性混凝土滲透性系數(shù)1.8×10-13m/s，施工縫滲透性系數(shù)1.8×10-10m/s選取.

圖3 龍泉山左、右線橫斷面

左線施工縫的瓦斯?jié)B透總面積:

AS左=S×L=24.13×(0.005×900/12)=
9.048 75 (m2)

右線施工縫的瓦斯?jié)B透總面積:

AS右=S×L=
24.13×(0.005×1 050/12)=10.556 875 (m2)

由式(1)得到左、右線施工縫瓦斯的滲出量：

QS左=0.047 771 334(m3/min)
QS右=0.055 733 223(m3/min)

3.2 泄水孔瓦斯?jié)B出量

泄水孔單孔瓦斯涌出量采用一個容積18.9 L收集桶利用排氣法收集甲烷氣體，桶口設(shè)置進(jìn)氣管和排氣管，進(jìn)氣管端部伸入桶底，排氣管端部設(shè)在桶口，將瓦斯收集桶倒放. 進(jìn)氣管伸入泄水孔內(nèi)不小于20 cm，然后用膠泥將泄水孔口封閉嚴(yán)密，使泄水孔內(nèi)的混合氣體沿氣管逸出，收集在瓦斯收集桶內(nèi).

圖4 泄水孔瓦斯檢測示意

當(dāng)進(jìn)氣管接入桶內(nèi)時，記下時間t1，同時采用便攜式瓦斯檢測儀在排氣管口隨時進(jìn)行檢測，如檢測到瓦斯逸出，立即停止收集，記下時間t2. 若收集時長20 min時未檢測瓦斯從排氣管逸出亦可停止瓦斯收集. 瓦斯收集完成后，待瓦斯氣體與空氣混合均勻，從而提高瓦斯檢測精度. 采用光干涉式甲烷測定儀測定桶內(nèi)瓦斯?jié)舛菴.

由式(3)計算得出單孔瓦斯?jié)B出強(qiáng)度：

QX單=CV/(t2-t1)

(3)

式中，QX單為瓦斯?jié)B出量(m3/min)；C為容器瓦斯?jié)舛?%)；t1為瓦斯收集開始時間(min)；t2為瓦斯收集結(jié)束時間(min)，對每一個存在瓦斯?jié)B出的泄水孔進(jìn)行瓦斯?jié)B出量檢測核算. 龍泉山隧道左線泄水孔共檢測212處，其中17處存在瓦斯?jié)B出；右線泄水孔206處，其中19處存在瓦斯?jié)B出. 見表2.

表2 左、右線泄水孔瓦斯?jié)B出量核算

泄水孔的瓦斯?jié)B出總量為：

(4)

由式(4)得到左、右線泄水孔瓦斯?jié)B出量：

QX左=0.163 683 45(m3/min)
QX右=0.016 499 7(m3/min)

3.3 水氣分離室瓦斯?jié)B出量

水氣分離室瓦斯主要沿室內(nèi)澆筑蓋板時施工縫隙逸出至隧道空間，經(jīng)現(xiàn)場檢測統(tǒng)計左線存在16處，右線14處瓦斯?jié)B出點(diǎn)，縫隙周長F=15.30 m. 隧道接縫寬度按每縫寬0.005 m計，K值參照施工縫處滲透性系數(shù)1.8×10-10m/s選取，襯砌厚度0.4 m，滲透厚度h=0.4 m選取.

圖5 水氣分離室瓦斯檢測示意

左線水氣分離室的瓦斯?jié)B透總面積:

AF左=S×L=15.3×0.005×16=1.224(m2)

右線水氣分離室的瓦斯?jié)B透總面積:

AF右=S×L=15.3×0.005×14=1.071 (m2)

由式(1)得到左、右線水氣分離室瓦斯的滲出量：

QF左=0.006 461 899(m3/min)
QF右=0.005 654 162(m3/min)

3.4 二次襯砌瓦斯?jié)B出量

龍泉山隧道瓦斯逸出段隧道支護(hù)體系采用全封閉復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)噴射混凝土厚度為0.15～0.25 m，二次襯砌模注混凝土厚度為0.35～0.50 m. 為了封閉瓦斯，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料均加入氣密性混凝土，并在二次襯砌與初期支護(hù)間設(shè)置了一道EVA防水板，以減少地下裂隙水與地層中瓦斯?jié)B漏，故K按氣密性混凝土滲透性系數(shù)1.8×10-13m/s選取. 左線瓦斯逸出段長度900 m，右線長度1 050 m，周長S=24.13 m.h=0.5 m.

左線二次襯砌的瓦斯?jié)B透總面積:

AE左=S×L=24.13×900=21 717 (m2)

右線二次襯砌瓦斯?jié)B透總面積:

AE右=S×L=24.13×1 050=25 336.5 (m2)

由式(1)得到左、右線二次襯砌瓦斯?jié)B出量：

QE左=0.114 651 201 (m3/min)
QE右=0.133 759 735 (m3/min)

3.5 聯(lián)絡(luò)通道瓦斯?jié)B出量

聯(lián)絡(luò)通道均由氣密性混凝土襯砌澆筑完成，瓦斯?jié)B出量參照二次襯砌核算. 初期支護(hù)噴射混凝土厚0.2 m，二次襯砌模注混凝土厚0.40 m. 瓦斯逸出段聯(lián)絡(luò)通道共4處，聯(lián)絡(luò)通道長度b=33.4 m，周長S=20.85 m，斷面面積F=29.82 m2.

聯(lián)絡(luò)瓦斯?jié)B透總面積:

AL=S×b=20.85×33.4×4=2 785.56(m2)

由式(1)得到聯(lián)絡(luò)通道瓦斯的滲出量：

QL=0.014 705 889(m3/min)

因此本隧道瓦斯逸出段左線瓦斯?jié)B出總量：

Q總左=QS左+QX左+QF左+QE左+QL左=
0.347 273 774(m3/min)

右線瓦斯?jié)B出總量：

Q總右=QS右+QX右+QF右+QE右=
0.211 646 819 (m3/min)

由以上滲出量核算可看出：1)隧道內(nèi)瓦斯?jié)B出源主要為泄水孔內(nèi)瓦斯?jié)B出至隧道空間；2)由于施工縫滲流面積較小，地層瓦斯壓力僅0.6 MPa，瓦斯?jié)B出量估算較?。?)聯(lián)絡(luò)通道處瓦斯?jié)B出量甚微，存在正線處瓦斯隨風(fēng)流吹向聯(lián)絡(luò)通道空間可能；4)經(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內(nèi)仍有瓦斯?jié)B出，全隧滲出量約為0.559 m3/min，為安全考慮仍需安設(shè)機(jī)械風(fēng)機(jī).

4 自然通風(fēng)狀態(tài)瓦斯安全評估

依據(jù)龍泉山隧道左、右線瓦斯?jié)B出總量對隧道內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行反演推算:

V=100×Q/(C×F×60)

(5)

式中，Q為瓦斯?jié)B出量(m3/min)；V為風(fēng)速(m/s)；F為隧道斷面(m2)；C為瓦斯?jié)舛?%).

由左、右線瓦斯?jié)B出總量經(jīng)過反演推算瓦斯不同濃度條件下風(fēng)速需求如表3.

由表3可看出，當(dāng)隧道內(nèi)左線風(fēng)速低于0.05 m/s時瓦斯?jié)舛纫走_(dá)到0.3%預(yù)警值；右線風(fēng)速低于0.03 m/s時易瓦斯預(yù)警. 為避免運(yùn)行期間隧道自然通風(fēng)狀態(tài)下瓦斯預(yù)警，風(fēng)速低于0.05 m/s時應(yīng)開啟射流風(fēng)機(jī)供風(fēng).

表3 左、右線不同濃度時刻風(fēng)速需求

5 結(jié)論及建議

1)泄水孔為瓦斯?jié)B出主要來源，待水氣分離系統(tǒng)真正形成后進(jìn)行水封，使瓦斯沿盲管于洞外高處排放，減少隧道空間瓦斯?jié)B出量，保障后期運(yùn)營安全.

2)濃度較高施工縫應(yīng)注漿封堵瓦斯?jié)B出通道，減少封閉空間瓦斯?jié)B出量，運(yùn)營期間聯(lián)絡(luò)通道需布設(shè)氣體監(jiān)控傳感器，動態(tài)監(jiān)控氣體濃度變化.

3)經(jīng)氣密性混凝土襯砌封閉后，隧道內(nèi)仍有瓦斯?jié)B出，滲出量約為0.559 m3/min，為安全考慮仍需安設(shè)機(jī)械風(fēng)機(jī)；隧道內(nèi)自然風(fēng)速低于0.05 m/s時，易發(fā)生瓦斯預(yù)警，應(yīng)開啟射流風(fēng)機(jī)稀釋瓦斯.