煤系地層開挖水庫隧洞的工程地質(zhì)及涌出量分析

紀(jì)云靜

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

隧道在穿越富含瓦斯的煤系地層時(shí)，一旦發(fā)生事故就會造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了盡可能避免風(fēng)險(xiǎn)，有必要對風(fēng)險(xiǎn)的成因進(jìn)行深入分析。在施工時(shí)探明掌子面前方瓦斯的賦存情況，預(yù)測瓦斯涌出的可能性、估算瓦斯涌出量，具有十分重要的作用。本文依托柴河水庫供水隧洞工程，利用工程地質(zhì)調(diào)查分析瓦斯隧道的工程地質(zhì)特征，采用多種測試方法獲取可靠的隧洞瓦斯參數(shù)，并對瓦斯的涌出量進(jìn)行理論計(jì)算，以評估瓦斯對隧道掘進(jìn)工程的影響，最后提出相關(guān)建議以用于工程實(shí)踐。

1 工程簡介

1.1 工程概況

柴河水庫供水工程施工四標(biāo)位于沈陽市沈北新區(qū)清水臺街道和馬剛街道。本段主洞起止樁號S28+550～S42+554，全長14004m。全部采用鉆爆方式開挖。隧洞段穿越地貌為侵蝕構(gòu)造地形—?jiǎng)兾g隆起低山—圓頂狀低山區(qū)。地面高程一般在118～150m左右，地表主要為耕地，覆蓋層厚度較薄。洞室最大埋深約104m(見圖1)。

圖1 隧洞地質(zhì)縱斷面

1.2 工程地質(zhì)條件

本段隧洞穿越的地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)九佛堂組地層和晚侏羅世侵入巖地層。主要分布樁號在S34+812～S34+730處。其中②層及④層為主要含煤線和煤層地層，根據(jù)巖芯統(tǒng)計(jì)其分布高程和厚度(見表1)。

根據(jù)測繪及鉆探情況，洞室部位樁號S34+700～S34+770段為斷層帶；斷層走向?yàn)楸睎|向，傾向南東，傾角約60°左右，屬新華夏正斷層；斷層厚度約10m左右。斷層上盤為晚侏羅世侵入巖體；下盤為白堊系下統(tǒng)九佛堂組地層；受斷層拉拽影響，鉆孔CSK1和CSK2同一對應(yīng)地層高差約15m左右。斷層物質(zhì)多以糜棱巖化砂巖為主。其中CSK2鉆孔29.6～50.3m高程局部夾有厚約50cm的斷層泥。斷層及其影響帶巖芯破碎，多為碎塊狀。

1.3 主要地質(zhì)問題

1.3.1 圍巖穩(wěn)定問題

12-B2段樁號S34+690～S34+770，段長80m，洞室圍巖位于斷層帶中，圍巖強(qiáng)度低，受地下水影響易泥化，洞室易發(fā)生塑性變形；洞室開挖后底板受地下水影響易發(fā)生泥化。

1.3.2 有害氣體問題

上游掌子面樁號S34+812處出現(xiàn)有害氣體，主要為煤系地層即②層和④層為主要含煤線及煤層地層，產(chǎn)生瓦斯氣體。根據(jù)勘察揭露的地質(zhì)情況推測，前方開挖樁號約S34+720～S34+812段(長度約92m)為低瓦斯地層。

2 瓦斯對隧道工程危害評價(jià)

2.1 隧洞瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)與氣體組成成分

2.1.1 煤樣工業(yè)分析結(jié)果

在2-4號支洞控制段主洞上游樁號S34+812前

30m處CSK1鉆孔中采集煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，測定結(jié)果見表2。

2.1.2 煤層瓦斯含量計(jì)算

對2-4號支洞控制段主洞上游樁號S34+812(上游掌子面距交叉段1440m)前30m處CSK1鉆孔采集的煤樣進(jìn)行了煤層瓦斯解吸量的現(xiàn)場測試、損失量的推算以及實(shí)驗(yàn)室殘存量的測定，得到了CSK1鉆孔煤層瓦斯含量(見表3)。

表3 CSK1鉆孔瓦斯含量

2.1.3 煤的放散初速度ΔP

2-4號支洞控制段主洞上游掌子面(上游樁號S34+812)中采取煤系地層樣品，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行瓦斯放散初速度ΔP值的測定(見表4)。

表4 瓦斯放散初速度ΔP測定結(jié)果

2.2 洞內(nèi)瓦斯涌出量估算與瓦斯隧洞級別

根據(jù)勘察成果，按照《鐵路瓦斯隧洞技術(shù)規(guī)范》TB 10120—2002(J160—2019)中附錄L獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量的計(jì)算：

隧洞瓦斯涌出量q=q1+q2+q3，其中：

a.開挖工作面爆落煤塊的瓦斯涌出量q1可按下式(1)計(jì)算：

q1=VaρW/1440=0.005(m3/min)

(1)

式中Va——每日開挖爆落煤塊體積，m3，根據(jù)設(shè)計(jì)提供開挖斷面及勘察揭露煤層分布情況取4m3(每日按開挖2m計(jì)算，洞室斷面上煤層厚度按0.4m計(jì)，洞徑按5.2m計(jì)，下同)；

ρ——煤的密度，取1.3t/m3；

W——每噸煤塊瓦斯溢出量，m3/t，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得：W=W0-W′0=2.51-1.113=1.397，m3/t；

W0——原煤瓦斯含量取2.51，m3/t；

W′0——煤塊中殘存瓦斯量取1.113，m3/t。

b.新暴露煤壁瓦斯涌出量q2可按式(2)計(jì)算：

q2=AQ0f(t)=0.048(m3/min)

(2)

式中A——每天新暴露未支護(hù)煤壁面積,m3，本次根據(jù)設(shè)計(jì)提供開挖斷面及勘察揭露煤層分布情況取3.6m2(每日按開挖2m計(jì)算)；

Q0——單位時(shí)間單位坑壁面積瓦斯逸出初始強(qiáng)度，可按式(3)計(jì)算。

Q0=0.026W0[0.0004(vr)2+0.16]=0.0138(m/min)

(3)

式中vr——煤層揮發(fā)份取11.32。

f(t)——時(shí)間衰減函數(shù)，可按式(4)計(jì)算：

f(t)=e-αt=e-0.0496×0.5=0.9755

(4)

式中α——衰減系數(shù)，可按式(5)計(jì)算。

α=0.0047λ+0.0026=0.0496/d

(5)

式中λ——煤的透氣系數(shù)，根據(jù)鉆孔揭露洞室部位煤層，節(jié)理裂隙發(fā)育，多為碎塊狀等狀態(tài)，其煤層透氣性較好，綜合考慮取10；

t——煤壁暴露時(shí)間，按規(guī)范可取0.5d。

c.噴射混凝土地段洞壁瓦斯逸出量q3可按照下式(6)計(jì)算：

=0.084(m3/min)

(5)

式中V、S——每日按開挖2m計(jì)算，斷面周長按13.5m計(jì)算；

K——噴射混凝土層的瓦斯?jié)B透系數(shù)，本次按普通混凝土取6×10-10m/min；

P2——洞內(nèi)氣壓按0.1MPa取值；

ρa(bǔ)——瓦斯氣體密度取0.716kg/m3；

Δ——噴射混凝土支護(hù)厚度本次取0.15m；

P0——瓦斯初始壓力，根據(jù)掌子面瓦斯逸出情況、鉆探過程孔口中無瓦斯氣體溢出、洞室部位煤層埋深較淺(80m左右)、上覆巖體受斷層影響完整性差；煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司提供的數(shù)據(jù)，原煤瓦斯含量為1.46～2.51m3/t，瓦斯含量較小。一般瓦斯風(fēng)化帶中瓦斯初始壓力為0.15～0.20MPa，結(jié)合上述資料和工程安全綜合考慮本次瓦斯初始壓力取0.3MPa；

α1——噴射混凝土支護(hù)地段瓦斯壓力衰減系數(shù)，取0.025；

n——坑道內(nèi)煤巷與半煤半巖巷長度L(考慮已經(jīng)開挖噴護(hù)段逸出，本次采用長度100m)除以每日進(jìn)尺，取50。

綜上所述可知：隧洞瓦斯涌出量q=q1+q2+q3=0.1373(m3/min)。

洞室部位主要為灰黑色 - 黑色粉砂巖、泥巖夾煤層，除煤層煤線外，粉砂巖、泥巖同樣含有少量黑色有機(jī)質(zhì)成分，考慮工程安全等因素，建議瓦斯絕對涌出量為0.27(m3/min)。

根據(jù)按照《鐵路瓦斯隧洞技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2019)，瓦斯絕對涌出量0.27m3/min<0.5m3/min；隧洞屬于低瓦斯隧洞，工區(qū)屬于低瓦斯工區(qū)。由煤科院提供的成果噸煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯壓力為0.3MPa；地段等級屬二級。瓦斯放散初速度ΔP為2.9～3.2，無瓦斯突出危險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

綜上所述，本隧洞屬低瓦斯隧洞，工區(qū)屬于低瓦斯工區(qū)，地段等級屬二級，無瓦斯突出危險(xiǎn)。洞室段穿越含煤地層段樁號約S34+720～S34+812段(長度約92m)，為低瓦斯地層；斷層與洞室夾角約50°，洞室穿越斷層及影響帶寬度約80m，穿越樁號為S34+690～S34+770，洞室圍巖類別Ⅴ類，斷層帶地下水不發(fā)育，洞室可能以線流為主。開挖前建議采用適當(dāng)?shù)某爸ёo(hù)措施，開挖后及時(shí)全斷面支護(hù)，保證洞室穩(wěn)定性。

建議：施工單位做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步校核穿越瓦斯地層和瓦斯工區(qū)類別，超前預(yù)報(bào)過程中需一名專職瓦斯安全員全過程跟班作業(yè)，并做好瓦斯監(jiān)測記錄，鉆孔過程中應(yīng)加強(qiáng)工作面及回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葯z測，當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%時(shí)，應(yīng)立即撤出人員，切斷電源，加強(qiáng)通風(fēng)；隧洞掘進(jìn)過程每循環(huán)在拱部打5個(gè)、底部打3個(gè)釬探做瓦斯探測，釬探深度5m，當(dāng)鉆孔出現(xiàn)不良地質(zhì)征兆時(shí)，可以及時(shí)采取處理措施。