鷂子巖瓦斯突出隧道揭煤工程防突設(shè)計

曠文濤 田衛(wèi)東 吳 偉 曹林衛(wèi) 于茂春

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023; 2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

瓦斯突出隧道具有極高的安全風(fēng)險，鐵路工程選線時一般予以繞避，故上世紀90年代以前，鐵路瓦斯突出隧道基本未見。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，從南昆鐵路家竹箐隧道開始，瓦斯突出隧道越來越多，如滬昆高速鐵路大茶山隧道、敘大鐵路中壩隧道、渝貴鐵路新涼風(fēng)埡及天坪隧道、成貴客運專線玉京山隧道等均為瓦斯突出隧道。

瓦斯突出隧道發(fā)生煤與瓦斯突出的風(fēng)險極高，其修建成敗的關(guān)鍵在于對突出煤層的處理。早期的瓦斯突出隧道(如家竹箐隧道、中壩隧道、大茶山隧道)，基本采用短兵相接的局部防突措施，一旦局部防突措施失效，易發(fā)生瓦斯突出事故，甚至是群死群傷的重大事故。近年來，結(jié)合煤炭系統(tǒng)揭煤防突技術(shù)的發(fā)展，鐵路隧道揭煤防突技術(shù)及相關(guān)規(guī)范亦逐漸趨于成熟?！睹旱V安全規(guī)程》(2016版)、《防治煤與瓦斯突出細則》(2019版)、TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范相繼頒布，“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的揭煤防突理念已成為工程界的普遍共識。近年修建的天坪隧道[1]、新涼風(fēng)埡隧道[2]及玉京山隧道[3]均采用了區(qū)域及局部綜合防突措施。

雖然目前已有不少瓦斯突出隧道的成功案例，但像鷂子巖隧道這樣同時于背斜核部、大斷層附近連續(xù)6次穿過突出煤層的情況還前所未見。且鷂子巖隧道為穿越中梁山脈的第一座瓦斯突出隧道， 相關(guān)設(shè)計施工經(jīng)驗欠缺。鑒于此，本文以鷂子巖隧道極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造突出煤層揭煤防突設(shè)計為工程背景，以“區(qū)域防突措施為主、局部防突措施補充”[4]為指導(dǎo)思想，在充分探明煤層、瓦斯及構(gòu)造等地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)制定了極復(fù)雜地質(zhì)突出煤層揭煤防突的流程體系和工程措施，指導(dǎo)鷂子巖隧道的揭煤防突施工。

1 工程背景

1.1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環(huán)線鷂子巖隧道位于重慶市北碚區(qū)，為時速160 km的雙線隧道；隧道正穿重慶中梁山脈，最大埋深330 m，全長 4 782 m。洞身中部分布約 2 800 m可溶巖，同時受環(huán)境保護區(qū)邊界及線路接線高程控制，洞身于觀音峽背斜核部、白廟子逆斷層附近穿越二疊系龍?zhí)督M突出煤層，連續(xù)6次揭煤，地質(zhì)條件十分復(fù)雜[5]。根據(jù)勘察成果資料，K8煤層測試數(shù)據(jù)中，僅有放散初速度未達到突出指標，其他3個參數(shù)均達到突出指標。隧道附近煤礦K2.K6-2煤層的勘測資料顯示，煤層測試數(shù)據(jù)的放散初速度都未達到突出指標，但在開采過程中仍發(fā)生多次突出事故；鄰近含相同煤層的磨心坡煤礦資料顯示，該煤礦在1960～1998年期間共發(fā)生多達27次瓦斯突出事故，突出最大瓦斯涌出量達10萬方，為煤與瓦斯突出礦井。因此，綜合判定鷂子巖隧道穿越龍?zhí)督M煤系地層段具煤與瓦斯突出危險，為瓦斯突出隧道，按I級風(fēng)險隧道進行管理。同時結(jié)合工期、排水、通風(fēng)需要，隧道出口段線路右側(cè) 35 m位置設(shè)置無軌運輸平導(dǎo)，突出煤層段平導(dǎo)為單車道。

施工過程中，根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報及煤層參數(shù)補充測試成果，對突出煤層段地質(zhì)特征進行修正，煤層段地質(zhì)縱斷面如圖1所示。煤層相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 突出煤層段地質(zhì)縱斷面示意圖

表1 突出煤層特征參數(shù)表

1.2 地質(zhì)特征

根據(jù)探明的地質(zhì)資料，突出煤層段具有以下區(qū)域地質(zhì)特征。

(1)構(gòu)造復(fù)雜

隧道及平導(dǎo)分別在DK 153+290、PDK 153+310處與觀音峽背斜核部正交，地表核部為飛仙關(guān)組一段灰?guī)r、白云巖地層，隧道穿越范圍核部為二疊系龍?zhí)督M頁巖夾煤層。背斜軸部受構(gòu)造作用，巖體較破碎。

隧道正穿白廟子逆斷層，下覆F1斷層。白廟子逆斷層與隧道及平導(dǎo)大角度交于DK 153+400和PDK 153+420附近，夾角約75°。白廟子逆斷層切斷觀音峽背斜北西翼，使背斜東翼及其核部地層整體抬升，導(dǎo)致地表飛仙關(guān)組第二段紫紅色泥巖直接覆于飛仙關(guān)第三段灰?guī)r地層之上，且飛仙關(guān)三段灰?guī)r地層的出露厚度急劇減小。鉆探揭示斷層破碎帶寬約32 m。下覆F1斷層使煤層區(qū)域地質(zhì)特征更為復(fù)雜，超前地質(zhì)預(yù)報揭示，煤層段巖層破碎，完整性較差。

(2)地下水發(fā)育

煤層上部為厚層灰?guī)r，背斜范圍構(gòu)造作用下，巖體較破碎，同時因斷層切割地層，地下水發(fā)育，隧道施工受地下水影響較大。

(3)瓦斯突出風(fēng)險極高

瓦斯含量高，壓力大，實測最大瓦斯壓力為1.6 MPa，最大瓦斯含量達30.7 m3/t。煤層透氣系數(shù)低，各層煤均較難抽采。超前地質(zhì)預(yù)報過程中，瓦斯連續(xù)數(shù)月噴氣、噴水，瓦斯動力現(xiàn)象十分明顯，瓦斯突出風(fēng)險極高。

(4)煤層相互影響大

隧道連續(xù)6次揭煤，其中K8煤層厚度達3.5 m，各煤層間最大間距13.5 m，最小間距8.2 m，煤層之間相互影響極大，防突處理難度大。

1.3 工程地質(zhì)條件評價

鷂子巖隧道煤層特征工程類比如表2所示。

表2 突出煤層特征工程類比表

鷂子巖隧道同時于背斜核部、大斷層附近連續(xù)6次穿過突出煤層的情況前所未見，煤層范圍地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，同時瓦斯壓力大，小間距連續(xù)煤層分布段落長達65 m。鑒于鷂子巖隧道的地質(zhì)特征，為確保工程安全，應(yīng)對其揭煤工程防突進行系統(tǒng)研究。

2 防突流程體系

2.1 編制原則

(1)揭煤防突實施前，應(yīng)建立并實施多方位的瓦斯突出安全保障體系；

(2)突出煤層段地質(zhì)條件復(fù)雜，為避免瓦斯沿構(gòu)造，尤其是斷層帶逸出引起瓦斯噴出，同時也為避免誤揭煤層，隧道施工至斷層及煤層50 m位置時，應(yīng)提前實施超長距離綜合超前地質(zhì)預(yù)報，基本探明煤層、瓦斯及構(gòu)造特征。

(3)鑒于煤層間距小，構(gòu)造復(fù)雜，為確保施工安全，將背斜核部范圍煤層視為整體煤層考慮。

(4)貫徹“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突原則，工作面防突措施設(shè)計為預(yù)案措施，在區(qū)域驗證防突措施無效的情況下，啟動工作面防突措施預(yù)案。

(5)針對鷂子巖隧道極復(fù)雜地質(zhì)條件下近距離連續(xù)多次穿越突出煤層的實際情況，根據(jù)區(qū)域綜合防突理念，首先以突出煤層段作為整體，一次性實施超前地質(zhì)預(yù)報、區(qū)域突出危險性預(yù)測、區(qū)域防突措施及效果檢驗，然后分煤層循環(huán)進行區(qū)域驗證和局部綜合防突。

2.2 流程體系

鷂子巖隧道揭煤防突體系如圖2所示。

施工圖階段基于該流程體系對各流程進行了針對性設(shè)計。在施工過程中，結(jié)合瓦斯規(guī)范變化及現(xiàn)場施工情況，增大了瓦斯區(qū)域抽放控制范圍,啟動了水力壓力增透預(yù)案。

3 防突措施

3.1 安全保障體系

根據(jù)瓦斯突出工區(qū)安全要求，建立可靠的安全保障體系，包括通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、防爆運輸、安全監(jiān)測、人員定位、緊急避險、壓風(fēng)自救、供水施救和通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。

3.2 長距離綜合超前地質(zhì)預(yù)報

隧道施工至斷層及煤層50 m位置時，提前實施長距離綜合超前地質(zhì)預(yù)報，基本探明煤層、瓦斯及構(gòu)造特征，相關(guān)技術(shù)要求如下：

(1)分別于距離斷層50 m、20 m以及距離煤層 50 m位置，分3次實施長距離綜合超前地質(zhì)預(yù)報，實施里程分別為DK 153+480、DK 153+460和DK 153+385，每次搭接長度不小于10 m，如圖3所示。

(2)前兩環(huán)穿越斷層段鉆孔與煤層底板交點應(yīng)控制在開挖輪廓線外5 m范圍內(nèi)；最后一環(huán)應(yīng)穿透所有煤層，穿越煤層段鉆孔與煤層底板交點應(yīng)控制在開挖輪廓線外10 m范圍內(nèi)，并確保能在開挖面距煤層前20 m以上位置時基本查明煤層特征。

圖2 鷂子巖隧道揭煤防突流程體系圖

圖3 長距離超前地質(zhì)預(yù)報示意圖

(3)超前鉆孔直徑為φ89，平導(dǎo)布置5孔，正洞布置7孔，其中均不少于1孔取芯。

3.3 區(qū)域綜合防突措施

(1)區(qū)域突出危險性預(yù)測

在距離煤層(法線距離)20 m時，一次性穿透所有煤層實施區(qū)域預(yù)測，采用φ89鉆孔。考慮到地質(zhì)復(fù)雜，煤層較多，預(yù)測孔在規(guī)范不少于3孔基礎(chǔ)上有所增加，平導(dǎo)上臺階布置4孔，下臺階1孔，正洞上臺階布置4孔，下臺階2孔。預(yù)測孔需取芯，進入煤層底(頂)板巖層不小于0.5 m。

采用瓦斯壓力P及噸煤瓦斯含量W作為瓦斯突出危險性預(yù)測指標，瓦斯壓力小于0.74 MPa且瓦斯含量小于6 m3/t時無突出危險，否則具有突出危險。超前地質(zhì)預(yù)報顯示瓦斯動力現(xiàn)象十分明顯，K8、K9上、K9下煤均具有瓦斯突出危險。

(2)區(qū)域防突措施

區(qū)域各層煤均較難抽放，為縮短抽放時間、提高瓦斯抽放效果。首先于區(qū)域預(yù)測斷面位置對K8、K9煤層采用水力壓裂增透處理。

煤層增透處理后，繼續(xù)施工至距煤層法向距離 10 m處，實施區(qū)域瓦斯抽放鉆孔施工，一次性穿過所有煤層實施區(qū)域瓦斯抽放。該段煤層處于背斜核部，地質(zhì)條件復(fù)雜：一是拱頂若發(fā)生掉塊、局部坍塌或片幫等，易造成瓦斯突出，危險性較大；二是隧底2個預(yù)測孔噴孔嚴重，截止瓦斯抽放前，噴孔時間已超過40 d，煤層瓦斯噴孔情況嚴重。結(jié)合現(xiàn)場實際情況及瓦規(guī)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，為保證施工安全，將瓦斯區(qū)域抽放范圍在施工圖基礎(chǔ)上適當(dāng)加大，確定為隧道開挖輪廓線外順煤層層理方向上下各20 m、左右各15 m，各抽放孔在煤層1/2厚度處的孔距不應(yīng)大于4 m，抽放孔進入煤層底(頂)板巖層不小于0.5 m。水力壓裂及區(qū)域抽放均采用φ89鉆孔。

(3)區(qū)域措施效果檢驗

瓦斯抽放措施實施后，一次性穿透所有煤層實施區(qū)域效果檢驗，以確認煤層瓦斯抽放效果。當(dāng)殘余噸煤瓦斯含量小于6 m3/t時，認為防突措施有效，否則認為無效，采取延長排放時間、增加抽放孔數(shù)量、繼續(xù)瓦斯抽放等補救措施，直至判定區(qū)域防突措施有效為止。考慮到地質(zhì)復(fù)雜，煤層較多，檢驗孔較規(guī)范4孔有所增加，平導(dǎo)布置12孔，正洞布置17孔，距預(yù)抽區(qū)域邊緣不大于2 m處不少于1孔。檢驗孔也采用φ89鉆孔。

(4)區(qū)域驗證

區(qū)域防突措施效果檢驗有效后，繼續(xù)施工至距煤層底(頂)板5 m和2 m垂距時，分煤層循環(huán)進行區(qū)域驗證。

區(qū)域驗證采用鉆屑瓦斯解吸指標法，采用φ89鉆孔，鉆孔數(shù)在規(guī)范3孔基礎(chǔ)上有所增加，平導(dǎo)布置4孔，其中下臺階布置1孔。正洞布置6孔，其中下臺階布置2孔。

3.4 局部綜合防突措施

工作面防突措施分煤層循環(huán)進行，包括工作面預(yù)測、工作面防突措施、工作面措施效果檢驗及實施安全防護措施。根據(jù)“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突工作原則，在區(qū)域防突措施失效的情況下，啟動工作面防突措施。

揭煤前應(yīng)實施安全保護措施，包括再次核查相關(guān)安全保障體系實施到位、已開挖段落實施完成系統(tǒng)支護及鋼架、提前實施大管棚或小導(dǎo)管超前支護、針對揭煤作業(yè)風(fēng)險編制相應(yīng)的預(yù)案措施等。

3.5 防突措施實施效果

(1)長距離超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)測表明，斷層范圍無瓦斯突出危險，背斜范圍煤層均具瓦斯突出危險。

(2)平導(dǎo)、正洞共設(shè)置鉆孔約750孔，總長約40 000 m，瓦斯抽采方量共約20萬方，抽放時間約3個月。

(3)抽放后噸煤瓦斯含量均小于6 m3/t，區(qū)域防突措施效果明顯。

(4)揭煤施工過程中，分煤層區(qū)域驗證均無瓦斯突出危險，未啟動工作面防突措施。

(5)平導(dǎo)于2020年4月揭煤完成。截止2020年7月底，正洞揭煤已基本完成。

鷂子巖隧道揭煤工程的順利實施，表明鷂子巖隧道揭煤防突流程體系及工程措施可用于指導(dǎo)極復(fù)雜地質(zhì)的突出煤層施工。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

鷂子巖隧道于背斜核部、大斷層附近連續(xù)6次穿過突出煤層，同時煤層厚度大、間距小，瓦斯壓力大，兼有地下水影響，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜。且該隧道為穿越中梁山脈的第一座瓦斯突出隧道，相關(guān)設(shè)計施工經(jīng)驗欠缺。為確保施工安全，制定了系統(tǒng)的安全保障體系，采用了長距離綜合超前地質(zhì)預(yù)報，區(qū)域瓦斯抽放前提前實施水力壓裂增透，制定了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突體系，首先以背斜核部小凈距突出煤層作為整體，一次性穿透所有煤層實施區(qū)域突出危險性預(yù)測、區(qū)域防突措施及效果檢驗，然后分煤層循環(huán)進行區(qū)域驗證、局部綜合防突措施及揭煤作業(yè)。

本文以穿越中梁山脈的首座瓦斯突出隧道揭煤防突為工程背景，本著“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的指導(dǎo)思想，在充分探明煤層地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)制定復(fù)雜地質(zhì)突出煤層揭煤防突流程體系及工程措施，成功指導(dǎo)了鷂子巖隧道的揭煤防突作業(yè)，可為類似地質(zhì)條件的隧道揭煤防突作業(yè)提供指導(dǎo)，同時有助于拓展和完善瓦斯突出隧道揭煤防突設(shè)計的理念和方法，具有重要的工程實際意義。

4.2 建議

(1)鷂子巖隧道突出煤層施工過程中，瓦斯動力現(xiàn)象十分明顯，噴孔十分嚴重，突出風(fēng)險極高。鑒于瓦斯突出隧道的極高風(fēng)險，工程選線應(yīng)盡量繞避。

(2)為確保施工安全，瓦斯突出隧道應(yīng)嚴格執(zhí)行“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突工作原則。

(3)應(yīng)將間距較小、構(gòu)造復(fù)雜的多層煤視為整體，納入一次性超前地質(zhì)預(yù)報及區(qū)域防突措施控制范圍，這對提高施工效率、確保施工安全效果明顯。

(4)水力壓裂增透可有效提高瓦斯抽放效果，大大縮短抽放時間，應(yīng)結(jié)合工程實際合理選用。