蕪湖城南地區(qū)礦山隧道淺層氣災(zāi)害勘察結(jié)構(gòu)分析及治理措施

馬楊敏，王成玲，石芳婷

（1.安徽省化工地質(zhì)勘察總院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京長城電子工程技術(shù)有限公司，北京 100195；3.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 工程簡介

蕪湖城南過江礦山隧道是安徽省發(fā)改委在長江干流橋梁（隧道）布局規(guī)劃中確定的一條礦產(chǎn)隧道運輸路網(wǎng)過江通道，主要連接蕪湖市城南主城區(qū)和無為市。該項目路線起于江北二壩鎮(zhèn)，向東南跨越長江。本次礦山隧道工程專項勘察主要為盾構(gòu)段的第四系覆蓋層（如圖1所示），其中左線里程范圍為ZK5+520～ZK6+395、右線里程范圍為YK5+500～YK6+404。

圖1 代表性工程地質(zhì)縱斷圖

2 地層巖性

據(jù)詳細(xì)勘察報告揭示，礦山隧道場區(qū)覆蓋層上而下可分為5個大層，共8個亞層。主要為流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q4al）、軟塑-可塑粉質(zhì)黏土（Q4al）、粉土（Q4al）和砂（Q4al）等，典型地質(zhì)縱斷面如圖2所示，均為全新統(tǒng)沖洪積地層。在詳細(xì)勘察過程中現(xiàn)場部分靜力觸探孔揭示出淺層氣，為確保礦山隧道工程的順利建設(shè)，開展了此次淺層氣專項勘察。

3 礦山隧道內(nèi)淺層氣體勘察方法

本次礦山隧道內(nèi)勘察采用“地下淺層探測儀”（圖2）進(jìn)行淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力測試，頂、底板埋深測定及氣體流量大小的測定。主要操作步驟有靜壓、上拔（間隔0.5m拔一次）、檢測、測壓和采氣，必要時在上拔之后進(jìn)行一次吹氣（0.7MPa壓力）過程。頂?shù)装迓裆顪y定采用靜壓設(shè)備探桿壓入法，通過查看氣體有無溢出情況來判斷頂?shù)装迓裆睢?/p>

圖2 礦山隧道內(nèi)淺層氣體勘探測試儀示意圖

實際流量結(jié)果根據(jù)如下公式測定。

式中：PN,TN,ρN一空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力、絕對溫度、密度；PS,TS,ρSN一被測氣體的絕對壓力、絕對溫度、密度；QN,ZSN,ZS一被測氣體流量計讀數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)、被測氣體在PS,TS時的壓縮系數(shù)。

4 礦山隧道內(nèi)淺層氣體勘察成果分析

（1）礦山隧道內(nèi)淺層氣體測試結(jié)果。本文礦山隧道內(nèi)淺層氣體勘察外業(yè)共完成勘探孔69個，其中13個孔揭示出淺層氣，絕大部分淺層氣體氣量小、氣壓低。綜合分析壓力測試結(jié)果得出：實測最大中心峰值壓力為0.10MPa，其理論峰值壓力0.18Mpa。綜合分析隧道氣體流量測試結(jié)果得出：實測流量范圍為14.3L/min～33.7L/min。通過不同孔位探桿上拔至同一層位的礦層時，根據(jù)探桿頂口井噴的強烈程度與井噴持續(xù)時間，可以判定隧道淺層氣體是呈團(tuán)塊狀或透鏡體狀。本文通過現(xiàn)場所采集的氣樣品，由中科學(xué)蘭州油氣資源研究中心對樣品進(jìn)行了氣體成分測定試驗。

（2）隧道礦層中生氣層及儲氣層。通過現(xiàn)場測試：當(dāng)探桿上拔至（2）1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）層時，井噴現(xiàn)象居多，得出本區(qū)間的（2）1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）層為淺層氣生氣層。通過分析本次淺層氣專項勘察資料并對比詳勘地層后可以得出：該區(qū)域淺層氣主要儲氣層為（2）1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q4al）層中的粉土（Q4al）、粉砂（Q4al）夾層和（3）粉土（Q4al）層。

（32）含氣層頂板、底板埋深及厚度。通過現(xiàn)場測試：隧道內(nèi)盾構(gòu)沿線含氣層的頂板平均埋深約19.1m，其中QC20號探孔含氣層頂板埋深最淺，在隧道頂板底面以下6.0m；QC5和QC6號探孔含氣層頂板埋深最深，在頂板底面以下25m。含氣層底板的平均埋深約22.1m，QC20號探孔含氣層底板埋深最淺，在水底面以下7.0m；QC5與QC6號探孔含氣層底板埋深最深，在水底面以下約29m。

5 礦山隧道淺層氣體防治對策

當(dāng)在外部因素下作用對淺層氣體進(jìn)行突發(fā)性釋放時，含氣礦層會大范圍的撓動，嚴(yán)重時造成上覆或下臥地層擾動。引起的地基不均勻沉降，誘發(fā)管片結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形，甚至斷裂損壞。更嚴(yán)重的是當(dāng)達(dá)到5%～15%時，由于達(dá)到爆炸極限，遇明火將發(fā)生劇烈爆炸。解決礦山隧道工程施工過程中，淺層氣體的突發(fā)性釋放對工程造成的影響，最有效的防治措施是提前控制性放氣。

（1）排氣時間與設(shè)備。目前國內(nèi)對于第四系淺埋隧道內(nèi)含氣體礦層采取的有控釋放，是為了降低隧道施工風(fēng)險主要措施之一，但其釋放時間要結(jié)合礦層、淺層氣體分布以及施工方法的特點來確定。根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，有控釋放時間建議在礦山隧道內(nèi)推進(jìn)前2～3月內(nèi)進(jìn)行。

由于鉆孔孔徑太大及泥漿護(hù)壁，易造成孔壁坍塌和不利淺層氣體的排放，建議采用靜壓排氣。靜壓設(shè)備中通過安裝各種截止閥、減壓閥以及壓力表，可以控制放氣流量，大大降低對周圍礦層的破壞。

（2）排氣控制原則。有控放氣注重“均衡放氣”，即淺層氣體釋放的速率不產(chǎn)生，對放氣孔周圍礦層的較大攏動，以不帶出泥砂為控制標(biāo)準(zhǔn)，釋放過程注重壓力的動態(tài)平衡。

（3）排氣孔布置及排氣順序。排氣孔布置原則：盾構(gòu)外側(cè)結(jié)構(gòu)線30m～50m范圍，深度控制在礦山隧道結(jié)構(gòu)線下5m～10.0m或氣囊底板下10m范圍內(nèi)；隧道內(nèi)盾構(gòu)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)線外側(cè)3m左右處，各布置2排（呈梅花型）放氣孔，放氣孔平行對稱布置，孔間距一般為15m～20m。

（4）單孔放氣施工步驟。組織排氣施工前，核對孔位的礦層與該孔淺層氣體埋置的頂板深度、壓力。排氣施工中將探桿靜壓至含氣層內(nèi)部，利用含氣層與探桿內(nèi)的壓差，通過探桿使氣體逐漸釋放出來。整個放氣過程中，可通過閘閥實施控制性放氣，觀察氣壓狀態(tài)，控制好放氣流量，連續(xù)記錄有關(guān)參數(shù)。

6 結(jié)論與建議

（1）結(jié)論。本文通過利用靜力觸探改造探測儀對礦山隧道淺層氣體進(jìn)行專項勘察，查明了淺層氣體的空間分布規(guī)律，氣體成份組成、氣壓及流量特征，生氣與儲氣特征。淺層氣體中主要成分為甲烷（CH4），其次為氮氣（N2）、氧氣（O2）和二氧化碳（CO2），還有一些微量的氬（Ar）。實測最大中心峰值壓力為0.10MPa，其理論峰值壓力0.18Mpa；實測流量范圍為14.3L/min～33.7L/min。本文通過分析得出隧道內(nèi)淺層氣體的生氣層與儲氣層。

（2）建議。建議淺層礦山隧道區(qū)域的管片采用抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)高的混凝土制作，并設(shè)立隧道淺層氣體專職監(jiān)測人員，動態(tài)檢測盾構(gòu)推進(jìn)過程中隧道內(nèi)的淺層氣體濃度，必要時可在盾構(gòu)機(jī)前端采用探測設(shè)備。礦山隧道內(nèi)盾構(gòu)內(nèi)應(yīng)采用通風(fēng)設(shè)備并保持空氣流暢，使隧道內(nèi)作業(yè)場所淺層氣濃度小于1.0%。