瓦斯隧道穿越突出煤層安全技術(shù)研究

吳 平，武 磊

(1.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出易發(fā)生在掘進(jìn)工作面，嚴(yán)重威脅著安全生產(chǎn)，消除突出是實(shí)現(xiàn)安全揭煤的關(guān)鍵?！惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[1]規(guī)定優(yōu)先采用鉆孔排放措施；當(dāng)鉆孔排放瓦斯較困難時(shí)，可采用抽放?！斗乐蚊号c瓦斯突出細(xì)則》[2]建議采用鉆孔抽放等措施消除突出。而準(zhǔn)確預(yù)測穿越煤層風(fēng)險(xiǎn)等級[3-6]、對突出煤層進(jìn)行防突措施選擇及搭建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系是實(shí)現(xiàn)隧道安全揭煤的前提[7]，是指導(dǎo)瓦斯隧道安全施工、文明施工及合理安排施工布置的重要參考依據(jù)。由于煤與瓦斯突出機(jī)理目前尚未完全清晰，不同區(qū)域地質(zhì)條件、煤層賦存條件差異性較大，復(fù)雜條件會對預(yù)測技術(shù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。本文通過測定煤層瓦斯含量及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)參數(shù)，對C5煤層準(zhǔn)確預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)等級、對C5突出煤層進(jìn)行防突措施選擇及搭建風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)安全揭穿煤層，為隧道穿越突出煤層風(fēng)險(xiǎn)評判體系的完善提供數(shù)據(jù)支撐和實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況

云南省昭瀘高速坪上隧道位于鎮(zhèn)雄縣，左線全長5976m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1378.93～1415.7m；右線全長5997m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1378.5～1415.7m，為單向下坡；該隧道埋深處最大約622m，屬特長隧道。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，隧道左線ZK32+462～ZK32+786、ZK35+863～ZK36+429段落及右線K32+475～K32+787、K35+877～K36+450段落設(shè)計(jì)為高瓦斯工區(qū)段；其余段落為低瓦斯區(qū)段。隧道穿越含煤地層(1～5層)；根據(jù)周邊礦井資料，其中C5煤層初步判定有突出危險(xiǎn)性。

隧道進(jìn)口端左洞掌子面掘進(jìn)至ZK32+753.8里程處，右洞掌子面掘進(jìn)至K32+749.8里程處；施做前探鉆孔揭示，隧道掌子面掘進(jìn)前方有一層約2.5m厚的煤層賦存，根據(jù)工程地質(zhì)詳勘報(bào)告所述煤層厚度、煤層的層位關(guān)系等綜合分析，判定該煤層為C5煤層。

2 煤層預(yù)測技術(shù)的確定

根據(jù)對隧道相關(guān)管理人員的訪談及現(xiàn)場實(shí)際勘察，C5煤層待預(yù)測范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂和褶曲構(gòu)造；煤層厚度約2.0～2.8m，平均厚度2.5m，傾角22°；煤層厚度相對穩(wěn)定，煤層頂板為泥巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖，煤層頂、底板巖性較穩(wěn)定，變化不大。根據(jù)隧道地質(zhì)平面圖及地質(zhì)縱斷面圖分析，本次待預(yù)測區(qū)域煤層埋深約220m，處于瓦斯風(fēng)化帶之外；據(jù)對鎮(zhèn)雄縣煤與瓦斯突出情況的調(diào)研，隧址區(qū)相鄰礦井C5煤層未發(fā)生過瓦斯突出動力現(xiàn)象，但按突出煤層管理。

煤層瓦斯壓力、含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值是直接反映煤層瓦斯賦存條件的重要基本指標(biāo)。實(shí)踐中煤層瓦斯含量和K1測定周期短，瓦斯含量測定分析一般24h左右，K1測定現(xiàn)場即可得出結(jié)果。隧道和煤層的空間關(guān)系、保護(hù)巖柱的距離，特別是隧道一次爆破裝藥量多，對圍巖的破壞影響較大；卸壓范圍不確定等現(xiàn)場條件，嚴(yán)重影響封孔質(zhì)量，對測壓數(shù)據(jù)干擾較大。

綜上，結(jié)合隧道地質(zhì)條件、施工進(jìn)度、工期要求及現(xiàn)行的技術(shù)條件、運(yùn)用指標(biāo)，為提高C5煤層預(yù)測方法的準(zhǔn)確性，對C5煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測構(gòu)建多參數(shù)指標(biāo)綜合評價(jià)體系；該體系主要包括評價(jià)單元的劃分、瓦斯含量指標(biāo)、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等，即對C5煤層的預(yù)測范圍進(jìn)行合理取樣，采用瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值作為現(xiàn)場實(shí)測的綜合預(yù)測指標(biāo)。

3 突出煤層防突措施選擇

實(shí)測C5煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性；由于隧道斷面大，揭煤風(fēng)險(xiǎn)高，對于突出高風(fēng)險(xiǎn)隧道揭煤作業(yè)，實(shí)現(xiàn)整體降低掌子面區(qū)域范圍煤層突出風(fēng)險(xiǎn)，為掘進(jìn)提供安全保障，防突措施的選擇是關(guān)鍵。降低煤層瓦斯含量是減弱煤層突出風(fēng)險(xiǎn)的有效手段，通常采用鉆孔瓦斯抽放或排放實(shí)現(xiàn)降低煤層瓦斯含量。瓦斯排放優(yōu)點(diǎn)為直接在掌子面施工排放鉆孔，不需要建立臨時(shí)抽放系統(tǒng)，缺點(diǎn)是在自然壓力作用下排放在隧道內(nèi)；瓦斯排放時(shí)間長，回風(fēng)瓦斯?jié)舛却?，排放期間其它工序必須停止作業(yè)，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度，不利于隧道的安全和進(jìn)度要求。瓦斯抽放優(yōu)點(diǎn)為利用抽放設(shè)備，通過機(jī)械作用直接抽取煤層瓦斯排出洞外，對洞內(nèi)的安全施工影響較小。瓦斯抽放不僅降低隧道瓦斯涌出量，還能防止瓦斯洞內(nèi)積聚發(fā)生意外燃燒和爆炸；此外，瓦斯抽放達(dá)標(biāo)時(shí)間短、效果好，抽放期間不影響其它工序施工等。結(jié)合坪上隧道的實(shí)際情況及煤層賦存條件綜合分析，項(xiàng)目部優(yōu)先抽放措施作為C5煤層的防突措施。

4 隧道揭煤程序的建立

首先對設(shè)計(jì)中探明的C5煤層進(jìn)行精準(zhǔn)標(biāo)定方位、煤層參數(shù)測定，根據(jù)實(shí)測煤層參數(shù)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性評價(jià)；其次，結(jié)合隧道實(shí)際情況分析，對于C5突出煤層嚴(yán)格執(zhí)行防突措施，并首選瓦斯抽放防突措施，然后根據(jù)殘余瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值及動力現(xiàn)象進(jìn)行效果檢驗(yàn)，消除突出危險(xiǎn)后，掘進(jìn)至距離煤層法距5m和2m處再次進(jìn)行掌子面預(yù)測和揭煤前驗(yàn)證；最后，預(yù)測無危險(xiǎn)后，在具備安全措施的前提下進(jìn)行掘進(jìn)，確保施工安全。

5 隧道揭煤實(shí)踐

5.1 預(yù)測參數(shù)的測定

為實(shí)現(xiàn)預(yù)測精細(xì)化，在進(jìn)行參數(shù)測定前，需對隧道內(nèi)不同地點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)單元劃分，根據(jù)隧道開挖空間和煤層賦存條件，對鉆孔進(jìn)行合理布置參數(shù)。

依據(jù)地質(zhì)條件分析及隧道左右洞間距關(guān)系(約25m)，判斷隧道進(jìn)口端左右洞穿越C5煤層段屬于同一地質(zhì)單元，可劃分為同一評價(jià)單位。針對隧道左右洞煤層的不同位置，結(jié)合掌子面實(shí)際情況，同時(shí)在隧道開挖掌子面左右洞布置鉆孔，左洞布置4個(gè)鉆孔，右洞布置2個(gè)鉆孔，共布置6個(gè)鉆孔，鉆孔布置參數(shù)見表1所示；布置圖見圖1所示。

表1 C5煤層預(yù)測鉆孔布置參數(shù)表

圖1 C5煤層預(yù)測鉆孔布置圖

施工期間嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行施工，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對隧道穿越C5煤層直接測煤層的瓦斯含量，現(xiàn)場采集新鮮的各鉆孔煤樣進(jìn)行瓦斯含量測定；對隧道穿越C5煤層直接測定掌子面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值，采用定點(diǎn)取樣裝置采集樣品。隧道進(jìn)口端左右洞掌子面C5煤層瓦斯參數(shù)測試結(jié)果如表2所示。

5.2 預(yù)測結(jié)果評價(jià)

從表2現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以看出，原始瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)實(shí)測最大值均超過《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦臨界值，說明現(xiàn)場實(shí)測方法有效，誤差較小，各預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表2 C5煤層瓦斯參數(shù)實(shí)測值

隧道進(jìn)口端無較大地質(zhì)構(gòu)造，該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存穩(wěn)定，無斷層發(fā)育，處于同一地質(zhì)單元內(nèi)。隧道實(shí)測C5煤層瓦斯含量最大值為9.4618m3/t，進(jìn)口端左洞ZK32+753.8掌子面及右洞K32+749.8掌子面測定的鉆屑解吸指標(biāo)K1最大值為0.55mL/(g·min1/2)，掘進(jìn)期間現(xiàn)場實(shí)測掌子面最大瓦斯?jié)舛燃s為0.32%，風(fēng)量約為2000m3/min，最大絕對瓦斯涌出量為6.4m3/min，瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。本次實(shí)測的瓦斯突出參數(shù)指標(biāo)和隧道掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量高的情況相符。

煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值的測定是對煤層賦存特征的不同體現(xiàn)，是隧道揭煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測的綜合指標(biāo)，為隧道穿越煤層預(yù)測提供技術(shù)依據(jù)。因此，C5煤層實(shí)測瓦斯參數(shù)為該區(qū)域瓦斯賦存真實(shí)反映，其測值準(zhǔn)確可靠。

隧道進(jìn)口端實(shí)測C5煤層最大瓦斯含量9.4618m3/t(埋深220m)，超過《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[2]中規(guī)定的瓦斯含量8m3/t的區(qū)域預(yù)測指標(biāo)臨界值；隧道進(jìn)口端左洞ZK32+753.8掌子面及右洞K32+749.8掌子面測定的鉆屑解吸指標(biāo)K1最大值為0.55mL/(g·min1/2)(干煤樣)，超過《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中規(guī)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)0.50mL/(g·min1/2)(干煤樣)的臨界值。因此，按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，預(yù)測C5煤層具有突出危險(xiǎn)性。

5.3 防突措施的實(shí)施

本次隧道揭煤斷面大、風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)工期緊張，為防止一次抽放效果不達(dá)標(biāo)，增加二次措施鉆孔施工，將大大延長工期。根據(jù)周邊礦井煤層瓦斯治理措施調(diào)研，C5煤層防突措施鉆孔抽放半徑取2m，即抽放鉆孔終孔間距取4m。防突措施針對揭煤區(qū)域范圍煤層進(jìn)行整體性控制，抽放鉆孔控制在隧道輪廓線外不小于12m，在距離煤層法距不小于7m時(shí)實(shí)施[8-11]，煤層抽放鉆孔布置如圖2所示。

圖2 防突措施鉆孔布置圖

鉆孔施工由項(xiàng)目部委托專業(yè)鉆工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，篩管下放至孔底，防止鉆孔坍塌，提高抽放效果，嚴(yán)格保證封孔質(zhì)量滿足抽放要求；技術(shù)人員旁站監(jiān)督，項(xiàng)目部和監(jiān)理共同驗(yàn)收，竣工后落實(shí)竣工圖，確保鉆孔施工質(zhì)量。同時(shí)抽放鉆孔進(jìn)行軌跡測定，當(dāng)鉆孔控制范圍不足或存在空白區(qū)域時(shí)，補(bǔ)充鉆孔消除空白區(qū)域。

由于隧道左右洞分別揭穿C5突出煤層，隧道左右洞施工工藝及揭煤流程類似，本文僅以左洞揭煤防突技術(shù)進(jìn)行研究。

5.4 防突措施的效果評價(jià)

C5煤層采取防突措施后先進(jìn)行抽放效果達(dá)標(biāo)預(yù)評判，不達(dá)標(biāo)或不滿足設(shè)計(jì)要求的不予檢驗(yàn)。C5煤層抽放效果達(dá)標(biāo)預(yù)評判滿足要求后，利用效果檢驗(yàn)鉆孔直接測定煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值。若檢驗(yàn)鉆孔施工過程中未發(fā)生噴孔等其它異?，F(xiàn)象，且測值均小于臨界值，則判定防突措施有效；否則判定防突措施無效，應(yīng)補(bǔ)充局部防突措施。防突措施效果檢驗(yàn)鉆孔平面布置如圖3所示。

圖3 效果檢驗(yàn)鉆孔平面布置圖

C5煤層效果檢驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果如表3所示。C5煤層防突措施消突效果有效，按照揭煤程序隧道掘進(jìn)至距煤層法距5m和2m處分別布置工作面預(yù)測鉆孔，采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值指標(biāo)測定，實(shí)測各數(shù)值均小于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中規(guī)定的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)0.50mL/(g·min1/2)(干煤樣)的臨界值，C5煤層突出危險(xiǎn)性評價(jià)為不具有突出危險(xiǎn)性。

表3 煤層效果檢驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果

5.5 安全防護(hù)措施

C5煤層采取防突措施抽放后，效果評價(jià)消除了突出危險(xiǎn)性，考慮到隧道斷面大，穿越煤層厚度大，圍巖破碎穩(wěn)定性差，存在過煤層時(shí)失穩(wěn)、垮落的風(fēng)險(xiǎn)和瓦斯異常涌出的可能，因此開挖掌子面應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，增加支護(hù)強(qiáng)度；對于大跨度軟厚煤層設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮采用超前管棚、縮短工字鋼間距、注漿固化等多種措施。

現(xiàn)場成立了瓦斯檢測小組，安裝一套獨(dú)立的KJ90NB瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，配置風(fēng)電和瓦電閉鎖功能，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控和人工檢測雙重保障模式。同時(shí)采取強(qiáng)化通風(fēng)管理、遠(yuǎn)距離放炮及聘請專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行人員技術(shù)指導(dǎo)和崗前培訓(xùn)等。

5.6 揭煤施工效果評價(jià)

C5煤層一次集中大范圍地采取防突措施抽放后，釋放了煤層瓦斯壓力，降低了瓦斯含量，達(dá)到了消突的目的，安全順利地揭穿了C5突出煤層，比計(jì)劃完成時(shí)間提前了3個(gè)多月，取得了較好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

(1)瓦斯隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，準(zhǔn)確預(yù)測C5煤層突出危險(xiǎn)性是實(shí)現(xiàn)安全揭煤的前提，通過瓦斯含量及鉆屑瓦斯解吸法綜合指標(biāo)對C5煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測，提高了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度及可靠性。

(2)對穿越C5煤層進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，準(zhǔn)確預(yù)測煤層風(fēng)險(xiǎn)等級，實(shí)施防突措施選擇及措施效果評價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安全揭穿突出煤層，建立了一套大斷面隧道穿越突出煤層揭煤技術(shù)方法，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場；對類似條件下隧道施工具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。