瓦斯隧道施工中超前鉆探誤差原因分析

鄒智波，文 楠，李樹(shù)清，黃 飛

(1.浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310000； 2.湖南科技大學(xué)，湖南 湘潭 411201)

近年來(lái)，我國(guó)各項(xiàng)交通建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，新的時(shí)期，我國(guó)交通建設(shè)的重點(diǎn)將向云、貴、川、渝、藏等省市區(qū)發(fā)展，而我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，2/3的國(guó)土基本由不同類型的山脈與高原組成，且主要分布在我國(guó)的中西部[1]。在我國(guó)西部地區(qū)的瓦斯隧道數(shù)量越來(lái)越多，由于煤層與瓦斯的復(fù)雜性，勘察期間不可能完全查明，存在一定的誤差[2]。因隧道開(kāi)挖中不能完全掌握應(yīng)了解的信息，前方瓦斯量不明，開(kāi)挖過(guò)程中經(jīng)常要面對(duì)瓦斯涌出或者超限的問(wèn)題，從而妨礙正常的施工和生產(chǎn)。同時(shí)，一旦這種情況嚴(yán)重就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故，危害工人的人身安全，造成設(shè)備的重大損失[3]。所以隧道施工過(guò)程中，提前對(duì)工作面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，對(duì)指導(dǎo)隧道安全高效施工具有重要意義[4]。超前鉆探法可以有效測(cè)得工作面前方煤層和瓦斯賦存情況，通過(guò)對(duì)異常地質(zhì)情況的認(rèn)真分析，為決策提供依據(jù)，以便制定施工方案和處理預(yù)案，及時(shí)采取相應(yīng)的防治手段，避免地質(zhì)災(zāi)害所帶來(lái)的損失和負(fù)面影響，確保施工安全[5]。

超前鉆孔探測(cè)是隧道工程地質(zhì)探測(cè)中最常用的方法之一，針對(duì)煤系地層隧道，超前鉆探法的目標(biāo)層明確，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層參數(shù)和瓦斯參數(shù)，并且對(duì)于煤(巖)體瓦斯具有預(yù)排放作用，可保障開(kāi)挖過(guò)程中的生產(chǎn)安全[6]。超前鉆探也存在局限性，幾個(gè)鉆孔確定工作面前方地質(zhì)情況較為片面，“一孔之見(jiàn)，以偏概全”會(huì)使鉆探結(jié)果出現(xiàn)偏差。

本文以蘭州至?？趪?guó)家高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴(kuò)容工程松坎隧道為實(shí)例，進(jìn)行超前鉆探設(shè)計(jì)、測(cè)得具體數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算得出該隧道煤層產(chǎn)狀與厚度，再將測(cè)得數(shù)據(jù)與實(shí)際煤層產(chǎn)狀與厚度進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因。

1 隧道的地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)地處黔北高原北部，屬桐梓縣堯龍山鎮(zhèn)所轄。隧道出口有鄉(xiāng)村公路通至附近，交通條件一般。隧道橫穿山脊，地勢(shì)起伏較大，坡體植被發(fā)育。場(chǎng)區(qū)海拔+525.0～+980.0 m，相對(duì)高差455.0 m；軸線通過(guò)段地面高程+556.0～+980.0 m，相對(duì)高差424.0 m。地貌類型屬侵蝕—溶蝕構(gòu)造型中低山地貌。YK6+390 m～YK6+520 m段，長(zhǎng)130 m，頂板埋深448～545 m；洞身穿過(guò)煤系地層及灰?guī)r區(qū)，以軟巖為主，Rc=15 MPa；巖體節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，Kv=0.45。該段埋深大，巖體節(jié)理發(fā)育，隧道開(kāi)挖可能產(chǎn)生淋雨?duì)睢⒂苛鳡畛鏊?，揭露隱伏溶洞易產(chǎn)生涌水、突泥、冒頂 現(xiàn)象。K1=0.7、[BQ]=178，圍巖無(wú)支護(hù)時(shí)易產(chǎn)生坍塌及掉塊、甚至冒頂，建議按Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)行支護(hù)。該段穿過(guò)高瓦斯煤層，隧道開(kāi)挖遇煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性極大，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)處治措施，確保施工及運(yùn)營(yíng)安全。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探資料，隧址區(qū)P3l煤系地層含煤(線)7 層，厚 0.1～1.5 m，自下而上編號(hào)為 C1—C7，煤層呈黑、灰黑色半暗—半亮型煙煤，具瀝青光澤，少量玻璃光澤，參差狀、階梯狀斷口，偶見(jiàn)條帶結(jié)構(gòu)，煤層硬度低，易碎成粉狀、質(zhì)軟，隧道穿煤處煤層傾角60°～70°，為傾斜煤層，煤巖結(jié)構(gòu)破壞類型為Ⅲ類(強(qiáng)烈破壞煤)。

2 超前鉆孔施工方案設(shè)計(jì)及探測(cè)結(jié)果

根據(jù)重遵高速擴(kuò)容工程T1標(biāo)松坎隧道出口右洞的具體情況，設(shè)計(jì)了4個(gè)鉆孔，鉆孔位置里程YK6+551 m，實(shí)施3個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔兼測(cè)壓孔，實(shí)施一個(gè)取芯鉆。具體的鉆孔位置如圖1所示。各個(gè)鉆孔的實(shí)際記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 松坎隧道出口右洞鉆孔布置Fig.1 Layout section of the right hole at the exit of Songkan tunnel

表1 松坎隧道出口(右洞)探測(cè)煤層成果Tab.1 Results of coal seam exploration at the exit of Songkan tunnel(right hole)

本文運(yùn)用三點(diǎn)法求解煤層產(chǎn)狀[7]，將表1的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出的煤層產(chǎn)狀如圖2所示。

圖2 松坎隧道右洞鉆孔成果Fig.2 Results of right hole drilling of Songkan tunnel

3 實(shí)際煤層產(chǎn)狀及與預(yù)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)超前鉆探的預(yù)測(cè)結(jié)果，制定了相應(yīng)的防突措施和揭煤方案，成功完成了揭煤并得出了實(shí)際的煤層產(chǎn)狀，具體煤層產(chǎn)狀如圖3所示。

圖3 松坎隧道右洞實(shí)際煤層平面Fig.3 Actual coal seam plane of right hole of Songkan tunnel

將松坎隧道右洞實(shí)際煤層產(chǎn)狀與用超前鉆探技術(shù)預(yù)測(cè)的煤層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，見(jiàn)表2、表3。

表2 預(yù)測(cè)煤厚與實(shí)際煤厚數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Comparison of predicted and actual coal seam thickness data

表3 煤層走向和傾角預(yù)測(cè)值和實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of predicted and actual values of coal seam strike and dip angle

4 誤差產(chǎn)生原因分析

4.1 煤層厚度誤差與鉆孔深度的關(guān)系

從表2可以看出，第1層煤到第4層煤的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差值逐漸增大，說(shuō)明隨著鉆孔深度的增加，誤差也會(huì)隨之增大。將各煤層的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差值制成折線進(jìn)一步分析，從圖4可以明顯看出，誤差大小不僅與鉆孔深度呈正比，而且隨著鉆孔深度的增加，誤差上升的幅度也就越大[8]。

圖4 各煤層的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差值折線Fig.4 Broken line chart of difference between predicted value and actual value of each coal seam

4.2 煤層厚度誤差原因分析

(1)鉆孔偏斜。受地質(zhì)條件和施工技術(shù)等因素的影響，鉆孔會(huì)發(fā)生偏斜[9]。①地質(zhì)條件因素：因?yàn)槊簩儆谒缮?，在鉆進(jìn)的過(guò)程中，周圍的煤層會(huì)發(fā)生垮落，鉆桿與孔壁之間產(chǎn)生空隙，這為鉆孔偏斜提供了空間，使鉆孔可以偏離原來(lái)的軌跡，且隨著深度的增加，偏斜程度也就越大。②施工技術(shù)條件因素：鉆孔打得越深，鉆桿的自重力也就越大，當(dāng)自重力達(dá)到一定程度，鉆桿就會(huì)向下偏斜，最終鉆孔形態(tài)會(huì)是一個(gè)不規(guī)則的弧形，從而造成誤差。

(2)儀器誤差。①儀器本身存在系統(tǒng)誤差，不夠精密。②由于環(huán)境溫度、濕度等各種因素的影響，鉆探儀器發(fā)生了小的變化，在一定程度上會(huì)影響超前鉆探，造成誤差。

(3)人為操作誤差。①在記錄數(shù)據(jù)時(shí)，不慎記錄錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)記錄偏差的大小會(huì)直接影響超前鉆探的結(jié)果，記錄數(shù)據(jù)偏差越大誤差也就越大。②打鉆時(shí)，工人沒(méi)有按操作規(guī)程操作，使鉆桿沒(méi)有按預(yù)定的軌跡鉆進(jìn)，導(dǎo)致鉆孔偏移，且鉆孔越深，偏移越大，誤差也就越大。③工人在工作時(shí)會(huì)因?yàn)樽陨淼牟涣剂?xí)慣、技術(shù)不夠成熟等原因進(jìn)行了違規(guī)操作，造成誤差的產(chǎn)生。

4.3 煤層傾角誤差原因分析

從表3可以看出，煤層走向預(yù)測(cè)值與實(shí)際值是相同的，而煤層傾角的預(yù)測(cè)值比實(shí)際值多出4°，誤差相對(duì)較小，對(duì)其誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行以下分析。

(1)同章節(jié)4.2，產(chǎn)生該誤差的原因也包括儀器誤差和人為操作誤差，這些誤差產(chǎn)生可大可小，可能造成較大的誤差(如該煤層厚度誤差)，也可能造成較小的誤差(如該煤層傾角誤差)。

(2)該誤差不會(huì)是因鉆孔偏斜而產(chǎn)生的，因?yàn)榇舜纬般@探的3號(hào)鉆孔的深度達(dá)到了61.86 m，屬于較深的鉆孔，如果發(fā)生鉆孔偏斜，則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，所以該誤差的產(chǎn)生排除鉆孔偏斜的原因 。

(3)由于超前鉆探是由幾個(gè)鉆孔確定工作面前方的煤層產(chǎn)狀和地質(zhì)情況，存在局限性，如果左右2個(gè)鉆孔之間煤層走向發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致測(cè)出的煤層產(chǎn)狀出現(xiàn)誤差。用超前鉆探法打3個(gè)鉆孔，測(cè)出的煤層產(chǎn)狀發(fā)生了巨大變化，并且所打鉆孔位置的不同，測(cè)出的煤層產(chǎn)狀也會(huì)發(fā)生變化。由于此種情況下煤層傾角產(chǎn)生巨大偏差，因此也要排除鉆孔之間煤層走向發(fā)生變化而產(chǎn)生該誤差的因素。

綜上所述，儀器誤差和人為操作誤差是引起此次煤層傾角誤差的最主要因素。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)松坎隧道超前鉆探誤差進(jìn)行全面的分析，發(fā)現(xiàn)煤層厚度誤差與鉆探深度呈正比，并且誤差上升幅度也隨著深度的增加而增加?？偨Y(jié)了煤層厚度產(chǎn)生誤差有以下因素：受地質(zhì)條件和施工技術(shù)因素的影響，鉆孔會(huì)發(fā)生偏斜，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差；儀器本身不夠精密及在各種因素的影響下產(chǎn)生了小的變化，都會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差；工作人員操作不規(guī)范也會(huì)造成一定的誤差。對(duì)于煤層傾角誤差，通過(guò)上文的分析，排除了一些不可能的影響因素，確定儀器誤差和人為操作誤差是引起煤層傾角誤差的主要原因。

雖然此次松坎隧道的超前鉆探存在一定的誤差，但其所測(cè)得煤層地質(zhì)信息為之后的揭煤工作提供了參考，制定了一套切實(shí)可行的揭煤方案，成功完成了揭煤工作。在超前鉆探過(guò)程中，誤差難以避免，但可以通過(guò)有效的措施和技術(shù)的改進(jìn)，降低所出現(xiàn)的誤差，較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)隧道前方的地質(zhì)信息。如何改進(jìn)超前鉆探技術(shù)，提高其準(zhǔn)確性，需要人們?cè)谖磥?lái)的工程實(shí)踐中不斷地探索與創(chuàng)新。