區(qū)域防突措施在瓦斯突出隧道施工中的應(yīng)用

陳海鋒

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123)

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區(qū)域防突措施在瓦斯突出隧道施工中的應(yīng)用

陳海鋒

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123)

瓦斯突出隧道安全風(fēng)險(xiǎn)極高，是工程項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)工程。結(jié)合渝黔鐵路天坪隧道施工實(shí)踐，介紹區(qū)域防突措施，即在平行導(dǎo)洞內(nèi)采用穿層網(wǎng)格式鉆孔集中抽排技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)平行導(dǎo)洞和正洞2條隧道前方煤層瓦斯抽排。天坪隧道區(qū)域防突措施實(shí)施效果表明：煤樣的殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，鉆孔期間無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，從而達(dá)到了消除瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，成功安全揭煤，縮短防突工期的目標(biāo)。

鐵路隧道；瓦斯抽排；防突；揭煤

瓦斯突出隧道安全風(fēng)險(xiǎn)極高，是工程建設(shè)管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，如何降低和消除瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，減少和避免瓦斯事故是隧道施工中需要攻克的一大難題，其中采用有效的防突措施是解決瓦斯事故的關(guān)鍵所在。

目前我國(guó)已先后建成了很多高瓦斯隧道，如南昆鐵路家竹菁隧道、老渝黔鐵路涼風(fēng)埡隧道、合武鐵路紅石巖隧道、水柏高速公路發(fā)耳隧道、都汶高速公路紫坪鋪隧道等。文獻(xiàn)[1-4]等表明，國(guó)內(nèi)交通隧道施工中均是采用局部防突措施，未采用區(qū)域防突措施，尤其是在平行導(dǎo)洞及正洞均為瓦斯突出隧道時(shí)更是沒(méi)有先例。本文以渝黔鐵路天坪隧道為例，闡述區(qū)域防突措施在鐵路隧道中的首次成功應(yīng)用，為后續(xù)同類(lèi)項(xiàng)目施工提供借鑒。

1 工程概況

天坪隧道位于貴州省桐梓縣和重慶市綦江區(qū)交界處，隧道全長(zhǎng)13 978.252 m，輔助導(dǎo)坑設(shè)計(jì)為平行導(dǎo)洞+斜井+橫洞(主副井)。其中，橫洞工區(qū)包含正洞DK128+234～DK125+100段3 134 m及平行導(dǎo)洞PDK128+240～PDK124+640段3 600 m的施工范圍，其中DK127+710～DK127+850段為煤系地層段，橫洞工區(qū)設(shè)計(jì)為瓦斯突出工區(qū)。天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)概況如圖1所示。

2 工程地質(zhì)

天坪隧道橫洞工區(qū)穿越龍?zhí)督M煤系地層，長(zhǎng)約140m(DK127+710～DK127+850)，共有3～22層煤。煤層厚10～300 cm，其中3個(gè)煤層對(duì)隧道建設(shè)影響較大，分別為C6、C5、C3。隧道勘探資料顯示，天坪隧道C3、C5、C6 煤層煤質(zhì)均為焦煤，煤層厚度分別為2.6、2.45、1.33 m。煤層走向N42°E，傾向南，傾角70°，且煤層走向與隧道交角為54°。另外地表勘探鉆孔揭示，該隧道通過(guò)段存在F12斷層，受斷層拉裂影響煤層表現(xiàn)為缺失與薄化，地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖1 天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)概況

通常，煤系地層段容易發(fā)生煤與瓦斯突然大量涌出或瓦斯聚積，從而發(fā)生瓦斯燃燒、爆炸事故。因此，天坪隧道煤系地層段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估被評(píng)定為存在極高等級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)，其是制約全線(xiàn)工期的關(guān)鍵，是天坪隧道施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)。天坪隧道煤層及斷裂帶分布如圖2所示。

圖2 天坪隧道煤層及斷裂帶分布示意

3 區(qū)域防突的引入

按照原設(shè)計(jì)方案，天坪隧道平行導(dǎo)洞和正洞分別單獨(dú)實(shí)施煤與瓦斯的探測(cè)及鉆孔自然排放，施工工期為420 d。后來(lái)，通過(guò)調(diào)研，并結(jié)合煤礦開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為同等條件的煤層自然排放工期至少需要1年，甚至更久，而天坪隧道考慮正洞斷面大(約140 m2)，排放時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，因此，原設(shè)計(jì)方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足總體工期的需要。同時(shí)，平行導(dǎo)洞和正洞分別進(jìn)行瓦斯抽排施工將造成較長(zhǎng)時(shí)間的停工，致使成本不必要地增加。

鑒于原設(shè)計(jì)方案工期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]，借鑒煤礦施工中“區(qū)域防突”理念，提出了天坪隧道平行導(dǎo)洞和正洞一次性抽排優(yōu)化方案：利用平行導(dǎo)洞超前的有利條件，在平行導(dǎo)洞內(nèi)集中設(shè)鉆場(chǎng)，向平行導(dǎo)洞及正洞前方區(qū)域施工鉆孔，進(jìn)行抽排；同時(shí)進(jìn)行平行導(dǎo)洞和正洞前方各煤層瓦斯抽排。該方案在保持鉆孔工程量基本一致的同時(shí)，可減少后期正洞防突施工和瓦斯抽排環(huán)節(jié)，極大地加快隧道施工進(jìn)度，且在安全、工期、經(jīng)濟(jì)性方面也比原設(shè)計(jì)方案具有明顯優(yōu)勢(shì)，更加合理。

4 區(qū)域綜合防突措施

天坪隧道為煤與瓦斯突出隧道，存在瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和圍巖穩(wěn)定性差等危險(xiǎn)因素，其穿過(guò)煤與瓦斯突出煤層時(shí)面臨安全風(fēng)險(xiǎn)，故防爆、防突是施工中需要著重解決的問(wèn)題。天坪隧道瓦斯消突方案設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[5]、《煤礦安全規(guī)程》[9]、MT/T955—2005《石門(mén)揭穿煤與瓦斯突出煤層程序技術(shù)條件》[10]及TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[11]的規(guī)定，結(jié)合天坪隧道的特點(diǎn)，以“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”為原則，制定了天坪隧道“四位一體”的綜合防突措施，如圖3所示。

4.1 區(qū)域防突預(yù)測(cè)

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是煤與瓦斯突出防治工作的重要環(huán)節(jié)之一，它不僅能有效指導(dǎo)后續(xù)防突措施的合理運(yùn)用，而且還能有效地保證工作面穩(wěn)定和作業(yè)人員的人身安全。

區(qū)域預(yù)測(cè)一般是根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)并結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析進(jìn)行。若煤層瓦斯壓力P≥0.74 MPa，或煤層瓦斯含量W≥8 m3/t，則預(yù)測(cè)為有突出危險(xiǎn)。天坪隧道進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在距煤層50、20 m處進(jìn)行了詳細(xì)的綜合超前地質(zhì)鉆孔，鉆孔布置如圖4所示。

區(qū)域預(yù)測(cè)顯示，天坪隧道平行導(dǎo)洞C6、C5、C3煤層原始瓦斯壓力最高達(dá)3.67 MPa，平行導(dǎo)洞C6、C5、C3煤層瓦斯含量分別為11.47、9.87和3.91 m3/t。天坪隧道區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果為“有突出危險(xiǎn)”，因此，按照有關(guān)規(guī)定，須對(duì)其實(shí)施區(qū)域防突措施。

4.2 區(qū)域防突方案優(yōu)化

天坪隧道瓦斯突出段施工采取了瓦斯預(yù)抽排的區(qū)域防突措施。傳統(tǒng)瓦斯抽排方案是僅可解決單一隧道掌子面正前方瓦斯突出問(wèn)題，而根據(jù)天坪隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，若采取傳統(tǒng)方案，則需在平行導(dǎo)洞和正洞實(shí)施2次探測(cè)、2次抽排。因此，經(jīng)綜合對(duì)比，并借鑒煤礦施工中“區(qū)域防突”的經(jīng)驗(yàn)，確定了穿層網(wǎng)格式瓦斯抽排技術(shù)方案：利用平行導(dǎo)洞超前的有利條件，在平行導(dǎo)洞內(nèi)集中向平行導(dǎo)洞及正洞前方區(qū)域施工鉆孔，進(jìn)行抽排。該方案在保持鉆孔工程量基本一致的同時(shí)，可減少正洞防突施工和瓦斯抽排環(huán)節(jié)，加快隧道施工進(jìn)度。

圖3 天坪隧道瓦斯綜合防突措施

圖4 探測(cè)鉆孔布置剖面

根據(jù)天坪隧道3個(gè)煤層相距較近的實(shí)際情況，設(shè)置穿層瓦斯抽排孔，即從施鉆位置向最前方的C3煤層鉆孔，依次穿透C6、C5、C3應(yīng)抽排煤層。抽排孔在整個(gè)預(yù)抽區(qū)域內(nèi)需均勻布置，開(kāi)孔間距0.3 m，終孔間距4 m，且需進(jìn)入煤層底板0.5 m。

瓦斯抽排孔需超出揭煤處隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)一定范圍?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求：隧道開(kāi)挖輪廓兩側(cè)及頂部14 m、底部8 m；同時(shí)還應(yīng)保證控制范圍外邊緣到開(kāi)挖輪廓線(xiàn)的最小距離必須大于5 m。為防止斷層破碎帶瓦斯突出，減小鉆孔傾角，便于鉆進(jìn)施工，應(yīng)在平行導(dǎo)洞揭煤工作面距C6煤層法向距離20 m處實(shí)施區(qū)域瓦斯抽排防突措施。

根據(jù)超前地質(zhì)報(bào)告及天坪隧道揭煤方案，設(shè)計(jì)了天坪隧道平行導(dǎo)洞瓦斯抽排孔，其布置如圖5、圖6所示?？紤]到煤層與隧道的位置關(guān)系，在平行導(dǎo)洞掌子面和平行導(dǎo)洞掌子面后方左壁洞室內(nèi)設(shè)置2處鉆場(chǎng)；平行導(dǎo)洞掌子面鉆場(chǎng)主要負(fù)責(zé)平行導(dǎo)洞范圍瓦斯抽排孔施工，平行導(dǎo)洞掌子面后方左壁洞室鉆場(chǎng)主要負(fù)責(zé)隧道正洞范圍瓦斯抽排孔施工。先施工平行導(dǎo)洞抽排孔，后施工正洞抽排孔，這樣既不影響平行導(dǎo)洞后續(xù)施工，又能延長(zhǎng)正洞瓦斯抽排時(shí)間，加強(qiáng)抽排效果。

圖5 瓦斯抽排孔平面布置示意

抽排孔徑為Φ75 mm，采用ZDY-1250型液壓鉆機(jī)施工。鉆孔施工完畢后，應(yīng)立即埋封孔接抽排管。封孔選用水泥砂漿，封孔長(zhǎng)度不小于5 m。

4.3 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

防突措施實(shí)施后，需對(duì)防突效果進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)。

圖6 瓦斯抽排孔正面布置示意

平行導(dǎo)洞和正洞的防突措施預(yù)抽范圍上部、中部和兩側(cè)需分別設(shè)置檢驗(yàn)鉆孔，且至少應(yīng)有1個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位于預(yù)抽區(qū)域內(nèi)，其距邊緣需小于2 m；鉆孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短處需布置檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，且測(cè)試孔盡可能遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)周?chē)母黝A(yù)抽鉆孔，或盡可能與周?chē)A(yù)抽鉆孔保持等距離。天坪隧道防突措施實(shí)施效果檢驗(yàn)是在其平行導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行的，校驗(yàn)孔布置如圖7所示。

圖7 校驗(yàn)孔設(shè)置平面

5 其他安全防護(hù)措施

天坪隧道還采取了以下措施來(lái)降低瓦斯事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

1) 隧道恢復(fù)開(kāi)挖前，對(duì)工作面進(jìn)行了防突預(yù)測(cè)和防突措施實(shí)施，并對(duì)防突效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，防突效果經(jīng)檢驗(yàn)滿(mǎn)足規(guī)范要求后才允許進(jìn)行隧道開(kāi)挖。

2) 在巖石巷道與煤層連接處加強(qiáng)支護(hù)，揭煤前采用金屬骨架超前支護(hù)過(guò)煤段巷道。過(guò)煤時(shí)采取分層分臺(tái)階方式，且在洞外起爆，從而降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3) 隧道揭煤時(shí)嚴(yán)格遵守規(guī)范，對(duì)隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、機(jī)電設(shè)備、施工活動(dòng)進(jìn)行了嚴(yán)格控制，加強(qiáng)通風(fēng)。

4) 采用KJ70型自動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)天坪隧道從上至下進(jìn)行了立體監(jiān)測(cè)，同時(shí)還檢測(cè)了隧道拱頂?shù)耐咚節(jié)舛?，?shí)現(xiàn)了瓦斯檢測(cè)“雙保險(xiǎn)”。

5) 嚴(yán)格按照瓦斯隧道及煤礦相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立了“雙電源(網(wǎng)電+自備發(fā)電機(jī)組)、雙回路”供電和“三專(zhuān)兩閉鎖”(專(zhuān)用開(kāi)關(guān)、專(zhuān)用變壓器、專(zhuān)用電纜；瓦電閉鎖、風(fēng)電閉鎖)供電系統(tǒng)，并設(shè)置了接地保護(hù)系統(tǒng)、防雷擊系統(tǒng)、雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

6) 對(duì)施工機(jī)械全面進(jìn)行了防爆改裝。

6 方案實(shí)施效果

6.1 瓦斯抽排情況

2014年7月7日開(kāi)始實(shí)施抽排鉆孔施工，8月17日竣工，期間共完成240個(gè)瓦斯抽排孔的施工，總工程量為15 819 m。8月19日完成封孔及預(yù)抽管路、抽排設(shè)備檢修等并進(jìn)行試抽排。經(jīng)調(diào)試，于8月21日開(kāi)始對(duì)天坪隧道平行導(dǎo)洞的瓦斯進(jìn)行穩(wěn)壓抽排，至11月1日結(jié)束抽排，其間抽排瓦斯152 411 m3，達(dá)到所需的抽排量。

6.2 區(qū)域消突效果檢驗(yàn)

1) 為驗(yàn)證抽排效果，2014年10月10日至10月17日，在平行導(dǎo)洞線(xiàn)路中線(xiàn)靠左側(cè)位置打設(shè)取芯鉆孔，取煤樣進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證。煤樣檢測(cè)結(jié)果表明，全部煤樣的殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，取芯鉆孔期間無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，防突措施有效。區(qū)域消突效果檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，區(qū)域措施效檢結(jié)果顯示總體消突較好。

表1 區(qū)域消突效果檢驗(yàn)

2) 在平行導(dǎo)洞抽排煤層基礎(chǔ)條件達(dá)標(biāo)后，2014年11月15日完成了24個(gè)校驗(yàn)孔的施工，施工過(guò)程中未出現(xiàn)噴孔等異?，F(xiàn)象。共取出煤樣40個(gè)，經(jīng)檢驗(yàn)，有3個(gè)煤樣指標(biāo)超標(biāo)，超標(biāo)率7.5%。后來(lái)對(duì)超標(biāo)部位進(jìn)行了補(bǔ)孔，待該部位煤層瓦斯自然排放7 d后重新取煤樣進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明全部達(dá)標(biāo)。

對(duì)天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)實(shí)施防突措施后，瓦斯抽排效果良好，綜合防突措施符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》的要求。對(duì)該隧道實(shí)施局部防突措施并驗(yàn)證有效后，陸續(xù)成功實(shí)現(xiàn)了平行導(dǎo)洞和正洞C6、C5、C3煤層的安全揭煤。

6.3 與原設(shè)計(jì)方案比較情況

天坪隧道利用平行導(dǎo)洞抽排平行導(dǎo)洞和正洞瓦斯區(qū)域防突措施實(shí)施結(jié)果表明，優(yōu)化方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。將該方案與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化方案與設(shè)計(jì)方案比較

實(shí)踐證明，對(duì)天坪隧道煤系地層采用區(qū)域防突措施后，在不增加鉆孔工程量的情況下，利用平行導(dǎo)洞綜合布置施工鉆孔以抽排平行導(dǎo)洞及正洞前方各煤層瓦斯工期總計(jì)為237 d，比原設(shè)計(jì)方案縮短工期至少半年，同時(shí)還優(yōu)化了正洞的工序安排，減少了正洞局部防突措施施工時(shí)間，保證了正洞施工的連續(xù)性，極大地縮短了施工工期。另外，通過(guò)方案調(diào)整，提高了經(jīng)濟(jì)效益，新方案與原設(shè)計(jì)方案相比，可節(jié)約成本1/4以上。采取區(qū)域防突措施對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行集中抽排后，大大降低了瓦斯壓力和儲(chǔ)量，消除了瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，安全性比原設(shè)計(jì)方案更有保證。

7 結(jié)束語(yǔ)

1) 天坪隧道的施工實(shí)踐表明，利用平行導(dǎo)洞抽排平行導(dǎo)洞和正洞的區(qū)域防突方法是可行的，可減少正洞區(qū)域防突措施施工和瓦斯抽排環(huán)節(jié)，減少正洞工序停頓，大大節(jié)約工期，既保證了施工安全，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2) 區(qū)域防突預(yù)測(cè)中，超前地質(zhì)鉆探是煤層與瓦斯突出預(yù)測(cè)的最直觀、最準(zhǔn)確方法，故必須采用，以便為下一步措施提供可靠依據(jù)。

3) 實(shí)施區(qū)域瓦斯抽排措施前，需對(duì)抽排孔進(jìn)行考察，以了解瓦斯分布和壓力情況，且合理控制鉆孔施工數(shù)量、施工時(shí)間及抽排效果具有關(guān)鍵影響。

4) 區(qū)域防突措施的實(shí)施，大大降低了瓦斯賦存量、瓦斯壓力，避免了瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，極大地降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，加快了后續(xù)工程施工進(jìn)度，減輕了瓦斯隧道安全管理的壓力，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5) 區(qū)域防突效果檢驗(yàn)是防止瓦斯突出的最后一道防線(xiàn)，需高度重視。區(qū)域抽排是解決區(qū)域“面”上的防突措施，但不代表任一局部“點(diǎn)”上也實(shí)現(xiàn)了消突。因此，必須按照區(qū)域檢驗(yàn)和工作面驗(yàn)證相結(jié)合原則，對(duì)區(qū)域防突效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

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Application of Regional Anti-burst Measures in Gas Burst During Tunnel Construction

CHEN Haifeng

Construction of tunnels with gas burst is extremely risky and is the vital point of overall project. This paper introduces regional anti-burst measures from the practice of Tianping tunnel construction on Chongqing-Guizhou Railway, i.e., use grid drilling in flat guide for central exhausting to exhaust coal gas from both flat guide and 2 main tunnels. The Tianping tunnel regional anti-burst measure shows that the residual gas content at the coal sample is less than 8 m3/t, there is no gas dynamic phenomenon during drilling. As a result, gas burst risk can be effectively eliminated with coal layer safely removed and anti-burst construction time shortened.

Railway tunnel; gas exhaust; anti-burst; remove coal

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.023

中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(隧研合2013-01)

2016-06-20

陳海鋒(1979-)，男，浙江省縉云縣人，碩士，高工。

1009-6477(2016)05-0100-05

U455.4

B