復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下多煤層區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術(shù)

朱建偉，劉盛

（中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶401121）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，近年來(lái)，鐵路煤層瓦斯突出隧道逐漸增多，由于前期對(duì)煤層瓦斯突出隧道施工的認(rèn)識(shí)不足，缺乏足夠的防治經(jīng)驗(yàn)，在工程建設(shè)中面臨的瓦斯突出等災(zāi)害事故問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)峻。因此，瓦斯突出防治問(wèn)題是普遍面臨的問(wèn)題，而伴隨復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件的突出煤層揭煤防突施工尤為困難，防治煤與瓦斯突出與安全揭煤，是揭煤防突施工中要解決的一大難題。

根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》[1]，隧道揭煤防突施工采用區(qū)域防突措施先行，工作面防突措施作為補(bǔ)充的綜合防突技術(shù)措施，該措施安全有效。

由于煤層附近伴隨著斷層破碎帶以及受背斜構(gòu)造等地質(zhì)條件影響，給揭煤防突施工帶來(lái)了困難，因此，很有必要研究在此類復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下，如何采取有效措施防治煤與瓦斯突出，并且確保安全快速施工。本文通過(guò)執(zhí)行多煤層平導(dǎo)與正洞區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術(shù)，有效降低復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下突出煤層的瓦斯含量，減少突出煤層揭煤施工的危險(xiǎn)性，解決復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下多煤層區(qū)域防突施工帶來(lái)的工期影響，驗(yàn)證了執(zhí)行平導(dǎo)與正洞多煤層區(qū)域聯(lián)合揭煤防突措施的可行性和可靠性。

2 工程概況

鷂子巖隧道位于重慶市北碚區(qū)境內(nèi)，為正線雙線隧道，最大埋深330 m，全長(zhǎng)4 782 m，線路穿越中梁山山脈，隧道設(shè)置輔助坑道平導(dǎo)1 座，位于左線線路中線右側(cè)35 m，全長(zhǎng)3 154 m，隧道在正洞DK153+205~DK153+470 和平導(dǎo)PDK153+ 220~PDK153+480 穿越龍?zhí)督M第3 段K8、K9 煤層，煤層瓦斯壓力高，存在瓦斯突出危險(xiǎn)。煤層附近分布觀音峽背斜與白廟子斷層，由于觀音峽背斜與白廟子斷層的影響，瓦斯氣體易沿著破碎帶裂隙溢出，影響范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。鷂子巖隧道是全線的控制性工程，為I 級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。煤層分布示意圖如圖1 所示。

圖1 煤層分布示意圖

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為揭煤防突提供依據(jù)，并防止誤穿煤層和采空區(qū)，鷂子巖瓦斯突出段采取地質(zhì)調(diào)查、物探及超前鉆探等方法，進(jìn)行超前地質(zhì)綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步查明煤層瓦斯的地質(zhì)條件，核實(shí)和確定煤層和瓦斯具體情況，并進(jìn)行瓦斯等有毒有害氣體超前預(yù)測(cè)，包括煤層位置、產(chǎn)狀、層厚，以及前方地層中瓦斯等有害氣體性質(zhì)、成因、構(gòu)造影響和濃度、含量、壓力等情況及參數(shù)[2]。

3.2 突出煤層超前地質(zhì)鉆孔

超前鉆孔分3 次實(shí)施，且在平導(dǎo)內(nèi)同步探明平導(dǎo)及正洞前方的地質(zhì)情況，為正洞施工節(jié)約鉆孔時(shí)間。

1）第一次超前鉆孔：當(dāng)平導(dǎo)施工至距白廟子逆斷層法向距離50 m 時(shí)，實(shí)施第一次超前鉆孔，在平導(dǎo)內(nèi)同時(shí)對(duì)平導(dǎo)和正洞進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，初步探明平導(dǎo)及正洞斷層位置特征及富水情況。

2）第二次超前鉆孔：當(dāng)平導(dǎo)施工至距白廟子逆斷層20 m 時(shí)，實(shí)施第二次超前鉆孔，在平導(dǎo)內(nèi)同時(shí)對(duì)平導(dǎo)和正洞進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，進(jìn)一步探明平導(dǎo)及正洞斷層位置特征及富水情況，與上循環(huán)鉆孔搭接10 m。

3）第三次超前鉆孔：當(dāng)平導(dǎo)施工至K9（右上）煤層法向距離50 m 時(shí)，實(shí)施第三次超前鉆孔，在平導(dǎo)內(nèi)同時(shí)對(duì)平導(dǎo)和正洞進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，初步探明平導(dǎo)及正洞煤層的位置及分布特征，并通過(guò)本項(xiàng)鉆孔檢測(cè)前方地層煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層堅(jiān)固系數(shù)、煤層瓦斯放散初速度等，與上循環(huán)鉆孔搭接10 m[3]。

4 區(qū)域聯(lián)合揭煤防突措施

4.1 揭煤防突方案的選擇

鷂子巖隧道設(shè)計(jì)采用平導(dǎo)及正洞分開采取揭煤防突措施的施工方案，按照此方案，正洞施工至煤層位置法向距離10 m再采取揭煤防突措施，需要耗費(fèi)約5 個(gè)月進(jìn)行預(yù)測(cè)及瓦斯抽采，嚴(yán)重影響了工期。經(jīng)研究，利用平導(dǎo)超前正洞施工的條件，縮短正洞揭煤防突時(shí)間，通過(guò)平導(dǎo)向正洞方向開設(shè)區(qū)域瓦斯抽采硐室，采取平導(dǎo)和正洞共用一套瓦斯抽放系統(tǒng)，聯(lián)合執(zhí)行區(qū)域防突措施，分開揭煤的施工方案。先進(jìn)行平導(dǎo)揭煤施工，待平導(dǎo)穿過(guò)煤系地層段后，再進(jìn)行正洞揭煤施工，嚴(yán)禁平導(dǎo)和正洞同時(shí)揭煤，可縮短正洞施工工期約5 個(gè)月。

4.2 正洞抽采硐室的布置

4.2.1 正洞抽采硐室周邊超前地質(zhì)鉆孔

為防止開挖抽采硐室時(shí)誤揭煤層，首先在平導(dǎo)右側(cè)邊墻PDK153+410 里程處向正洞方向施作6 孔超前地質(zhì)鉆孔，探明正洞抽采硐室周邊的地質(zhì)情況，經(jīng)探測(cè)無(wú)煤層及瓦斯突出等不良地質(zhì)情況后，方可開挖抽采硐室。

4.2.2 抽采硐室開挖

抽采硐室開挖按照橫通道的斷面進(jìn)行開挖，與平導(dǎo)夾角為45°[4]，抽采硐室開挖至距離正洞煤層法向距離20 m 位置（即DK153+355），硐室開挖采用全斷面法施工，采用三級(jí)煤礦許用炸藥、煤礦許用毫秒延期電雷管、電力起爆器。初期支護(hù)根據(jù)圍巖情況采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。抽采硐室平面布置示意圖詳見圖2。

圖2 抽采硐室平面布置示意圖

4.3 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

4.3.1 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)鉆孔

區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)鉆孔平導(dǎo)與正洞同時(shí)實(shí)施，平導(dǎo)在PDK153+374 執(zhí)行，共計(jì)布置地質(zhì)鉆孔13 孔，其中3 孔取芯。正洞在抽采硐室內(nèi)執(zhí)行，因?qū)儆谕粎^(qū)域煤層，正洞共計(jì)布置地質(zhì)鉆孔3 孔進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)測(cè)。

鉆孔過(guò)程中孔口瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到100%，硫化氫濃度最高達(dá)到0.05%以上（超出儀器量程）。且現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)瓦斯噴孔現(xiàn)象，噴孔間隔時(shí)間約15~20 s 不等，噴孔距離長(zhǎng)達(dá)4 m，每次噴孔時(shí)均造成工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸轠5]。

4.3.2 煤層瓦斯相關(guān)參數(shù)測(cè)定及判定

根據(jù)打設(shè)的預(yù)測(cè)孔安裝壓力表測(cè)定煤層瓦斯壓力。每個(gè)煤層采用煤芯采取器對(duì)該煤層進(jìn)行取芯采樣，裝入煤樣罐送檢進(jìn)行瓦斯含量等參數(shù)的測(cè)定。K8、K9 煤層主要參數(shù)實(shí)測(cè)值如表1~表3 所示。

表1 煤層瓦斯壓力實(shí)測(cè)值MPa

表2 煤層瓦斯含量實(shí)測(cè)值m3/t

表3 煤層瓦斯透氣性系數(shù)實(shí)測(cè)值m2（/MPa2·d）

根據(jù)測(cè)定結(jié)果判定，各煤層瓦斯壓力均大于0.74 MPa，各煤層瓦斯含量均大于8 m3/t，且鉆孔施工過(guò)程中存在瓦斯動(dòng)力及噴孔現(xiàn)象，判定該區(qū)域煤層為突出煤層。根據(jù)測(cè)定的煤層透氣性系數(shù)均小于0.1 m2/（MPa2·d），K8、K9 煤層均屬于較難抽放煤層。

4.4 穿層鉆孔聯(lián)合預(yù)抽多煤層瓦斯

4.4.1 穿層鉆孔布置及參數(shù)

根據(jù)區(qū)域危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果，該區(qū)域煤層屬于突出煤層，需進(jìn)行瓦斯主動(dòng)抽排；采取平導(dǎo)與正洞穿層鉆孔聯(lián)合抽排的施工方案，均在距離煤層法向距離10 m 位置實(shí)施，穿層鉆孔一次性穿透所有煤層，且進(jìn)入煤層底板不小于0.5 m。穿層鉆孔聯(lián)合預(yù)抽多煤層瓦斯鉆孔布置圖如圖3 所示。

圖3 穿層鉆孔聯(lián)合預(yù)抽多煤層瓦斯鉆孔布置圖

4.4.2 穿層鉆孔抽排范圍

考慮煤層地層條件復(fù)雜，結(jié)合《防治煤與瓦斯突出實(shí)施細(xì)則》（2019 年版）及TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》等要求，瓦斯抽排范圍為頂部及底部開挖輪廓線外順煤層方向不小于20 m，兩側(cè)拱墻開挖輪廓線外順煤層方向不小于15 m。

4.4.3 鉆孔施工

鉆機(jī)選型及施工方法：選擇ZDY-1250 型煤礦用液壓坑道鉆機(jī)，其鉆進(jìn)深度可達(dá)200 m，主機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為2 240 mm×1 020 mm×1 380 mm，鉆孔直徑 φ75 mm~φ115 mm，施工傾角-90°~+90°，鉆桿直徑 φ50 mm，電機(jī)功率 22 kW，滿足瓦斯抽采鉆孔施工的需要。

4.4.4 封孔施工

預(yù)抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴(yán)密，穿層鉆孔的封孔段長(zhǎng)度不得小于5 m。穿層鉆孔封孔方法選用水泥砂漿封孔，水泥砂漿采用C40 硅酸鹽水泥、砂子與水混合攪拌而成，水泥與砂子的質(zhì)量比為 1∶2.4~1∶2.5，砂子顆粒直徑為 0.5~1.5 mm。

4.4.5 抽排系統(tǒng)的布置

瓦斯抽排在鷂子巖隧道出口平導(dǎo)洞外50 m 處布置瓦斯抽排泵站，瓦斯抽采系統(tǒng)主要由瓦斯抽采泵站，抽采主管道、支管道、閥門、放水器及排放管道、安全裝置等組成。瓦斯抽排系統(tǒng)布置圖如圖4 所示，現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽排照片如圖5 所示。

圖4 瓦斯抽排系統(tǒng)布置圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽排照片

抽排泵站應(yīng)在抽排鉆孔施工前設(shè)立、安裝并運(yùn)行，以抽排鉆孔施工期間涌出甚至噴出的瓦斯。

采用SPSS17.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理，各組計(jì)量資料結(jié)果用（± s）表示，兩兩比較采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

管路布置：抽排泵接φ200 mm 主管經(jīng)平導(dǎo)→沿平導(dǎo)→平導(dǎo)抽采鉆場(chǎng)以支管和軟管、鋼管與鉆孔相連→在正洞抽排硐室交叉口分支接正洞抽采硐室，以支管和軟管、鋼管與鉆孔相連；抽排管從抽采泵接出后直接排出，將瓦斯排出洞口50 m外，形成抽采管路系統(tǒng)，并于管路低位點(diǎn)設(shè)置放水器。

按規(guī)定安裝各種儀表和傳感器，監(jiān)測(cè)瓦斯抽采情況，記錄瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

抽排泵站和抽排設(shè)備必須有專人負(fù)責(zé)運(yùn)行、維護(hù)。在區(qū)域抽排完畢進(jìn)行消突效果評(píng)價(jià)，并經(jīng)工作面防突效果檢驗(yàn)確認(rèn)抽采有效后才能拆除。

4.5 區(qū)域聯(lián)合防突措施效果檢驗(yàn)

4.5.1 消突效果評(píng)價(jià)

對(duì)預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，均應(yīng)首先分析、檢查預(yù)抽區(qū)域內(nèi)鉆孔的分布等是否符合設(shè)計(jì)要求，不符合設(shè)計(jì)要求的，不予檢驗(yàn)。根據(jù)瓦斯預(yù)抽的抽采指標(biāo)，瓦斯抽采總量達(dá)到原煤瓦斯含量的51.84%。上述2 項(xiàng)工作符合要求后，實(shí)施效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)地點(diǎn)為區(qū)域性防突措施的實(shí)施地點(diǎn)。

4.5.2 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)孔布置

效果檢驗(yàn)孔分別位于平導(dǎo)和正洞的防突措施預(yù)抽范圍上部、中部和兩側(cè)，并且至少有1 個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)位于抽排區(qū)域內(nèi)距邊緣不大于2 m 的范圍；各檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)布置于所在部位鉆孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短的位置，并盡可能遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)周圍的各預(yù)抽鉆孔或盡可能與周圍預(yù)抽鉆孔保持等距離。

根據(jù)超前鉆孔和抽排鉆孔施工揭露情況，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域適當(dāng)增加檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。鉆孔位置應(yīng)根據(jù)探明的地質(zhì)構(gòu)造情況調(diào)整施工參數(shù)或增加鉆孔[6]。

4.5.3 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

平導(dǎo)共取K8、K9 煤層煤樣49 個(gè)，經(jīng)檢驗(yàn)，全部煤樣的殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，且鉆孔期間無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，防突措施有效，判定各煤層預(yù)抽范圍內(nèi)無(wú)突出危險(xiǎn)，可執(zhí)行安全防護(hù)措施開挖掌子面。

正洞共取K8、K9 煤層煤樣60 個(gè)，經(jīng)檢驗(yàn)，全部煤樣的殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，且鉆孔期間無(wú)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，防突措施有效，判定各煤層預(yù)抽范圍內(nèi)無(wú)突出危險(xiǎn)，可執(zhí)行安全防護(hù)措施開挖掌子面。

4.6 區(qū)域驗(yàn)證

平導(dǎo)先行進(jìn)行驗(yàn)證及揭煤施工，待平導(dǎo)完全穿過(guò)煤層后正洞再進(jìn)行驗(yàn)證及揭煤施工。嚴(yán)禁平導(dǎo)和正洞同時(shí)揭煤。

平導(dǎo)和正洞每揭完一層煤，需分別進(jìn)行驗(yàn)證，區(qū)域驗(yàn)證與工作面防突措施的預(yù)測(cè)為同一工作步驟，距離各煤層法向距離5 m 及法向距離2 m 的位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

4.6.1 區(qū)域驗(yàn)證方法及其臨界指標(biāo)

區(qū)域驗(yàn)證方法采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行驗(yàn)證，每鉆進(jìn)1 m 測(cè)定該1 m 段的全部鉆屑量S，每鉆進(jìn)2 m 至少測(cè)定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1或Δh2值。臨界指標(biāo)值為：K1=0.40 ml/(g·min1/2)（濕樣）或 0.50 ml/(g·min1/2）（干樣）、S=14 kg/m（φ89 mm 孔徑）；噴孔、卡鉆等異?，F(xiàn)象視為超標(biāo)。

4.6.2 區(qū)域驗(yàn)證結(jié)果判斷

實(shí)測(cè)得到的S、K1或Δh2的所有測(cè)定值均小于臨界值，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況，判定該工作面為無(wú)突出危險(xiǎn)工作面。

通過(guò)區(qū)域驗(yàn)證不超標(biāo)，上報(bào)審批后淺掘淺進(jìn)至下一控制巖柱再進(jìn)行驗(yàn)證，可不采取工作面防突措施。

5 揭煤施工

根據(jù)施工組織安排，平導(dǎo)先行進(jìn)行揭煤施工，待平導(dǎo)完全通過(guò)煤層后，正洞掌子面開挖至煤層法向距離5 m 位置，執(zhí)行區(qū)域驗(yàn)證及揭煤施工。平導(dǎo)與正洞不得同時(shí)揭煤。

5.1 開挖工法

揭煤前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的圍巖及賦水情況先采取超前注漿加固圍巖，防止掌子面出現(xiàn)坍塌引發(fā)瓦斯突出。平導(dǎo)采用臺(tái)階法開挖揭煤，上臺(tái)階先行揭開煤層。正洞采用CRD 法（交叉中隔墻法）開挖揭煤。

5.2 揭煤相關(guān)要求

揭煤的相關(guān)要求包括：

1）爆破揭煤作業(yè)采用煤礦許用炸藥，煤礦許用毫秒電雷管，電力起爆，最后一段的延期時(shí)間不得大于130 ms。

2）揭煤時(shí)，掘進(jìn)工作面與煤層之間必須保持一定的巖柱，其最小垂厚不小于2 m，根據(jù)煤層的傾向，掌子面先進(jìn)行刷坡處理，保證石門巖柱的厚度一致。

3）放炮時(shí)，回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備必須切斷電源。

4）工作面必須有獨(dú)立可靠的回風(fēng)系統(tǒng)，并保證回風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)流暢通。

5）開挖工作面附近20 m 風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.5%。

6）必須采用濕式鉆孔，炮眼深度不小于0.6 m，炮眼內(nèi)巖粉清除干凈。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)多煤層區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）優(yōu)化瓦斯突出隧道防突揭煤施工技術(shù)，選擇合理的防突方案非常重要，對(duì)工程的總體工期控制有關(guān)鍵作用。重慶鐵路樞紐東環(huán)線鷂子巖隧道在瓦斯突出地段存在斷層及背斜構(gòu)造條件下，通過(guò)平導(dǎo)向正洞方向設(shè)置瓦斯抽排硐室，利用平導(dǎo)超前施工的條件，聯(lián)合平導(dǎo)提前預(yù)抽正洞多煤層瓦斯，鷂子巖隧道總體工期節(jié)約5 個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)造條件下多煤層區(qū)域聯(lián)合防突揭煤施工安全、快速的總體建設(shè)目標(biāo)。

2）采用多煤層穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯施工技術(shù)，根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜構(gòu)造條件，將抽排范圍調(diào)整為頂部及底部開挖輪廓線外順煤層方向不小于20 m，兩側(cè)拱墻開挖輪廓線外順煤層方向不小于15 m。經(jīng)區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)，該措施安全可靠，能達(dá)到抽排效果。

3）采用在平導(dǎo)提前施作長(zhǎng)探孔探測(cè)正洞前方斷層及煤層分布情況，可為正洞施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，節(jié)約正洞施作地質(zhì)超前鉆孔的時(shí)間。