非煤系地層瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法及特點分析

趙天彪

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000）

0 引言

瓦斯隧道分為煤系地層瓦斯隧道和非煤系地層瓦斯隧道，這種分類的根據(jù)是隧道中的瓦斯是否與煤層伴生，瓦斯與煤系伴生的是煤系地層瓦斯隧道，瓦斯未與煤層伴生的是非煤系地層瓦斯隧道。進行煤系地層瓦斯隧道的研究較多，也取得了豐碩的研究成果，形成了較全面且完善的施工技術(shù)體系。對于非煤系地層瓦斯隧道的研究也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢[1-3]，但至今仍未形成成熟的施工技術(shù)體系，亟需加強相關(guān)方面的研究。

非煤系地層瓦斯隧道中由于瓦斯分布不具有明顯的規(guī)律，難以形成一套行之有效的預(yù)測方法，施工中極難判斷瓦斯逸出的位置和逸出的速率，一旦發(fā)生瓦斯災(zāi)害事故，就會造成不可挽回的重大生命財產(chǎn)損失[4-5]。2005 年12 月22 日，都江堰市董家山隧道發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成重大的傷亡，直接經(jīng)濟損失超過1.5 億元[6]。2015 年2 月24 日，成都洛帶古鎮(zhèn)附近一座在建隧道（五洛路1 號隧道）發(fā)生瓦斯爆炸，造成多人傷亡，定為重大施工安全事故[7]。由此可知，利用各種不同的技術(shù)或者方法對非煤系地層瓦斯隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報，尤其是對隧道掌子面前方的瓦斯賦存情況以及地質(zhì)工程條件進行及時有效的預(yù)測，是提前制定預(yù)防措施，避免隧道瓦斯災(zāi)害發(fā)生，保證隧道安全施工的重要前提條件。

國外很早就開展瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作，在隧道施工過程中，英國、法國、德國以及瑞士等國都將超前地質(zhì)預(yù)報工作視為非常重要并且不可缺少的工序。在隧道施工過程中加強超前地質(zhì)預(yù)報工作，已經(jīng)成為工程技術(shù)人員和管理部門的共識。自20 世紀80年代我國引入超前地質(zhì)預(yù)報方法以來，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和實踐探索，取得了豐碩的理論研究成果和良好的實踐應(yīng)用效果。本文調(diào)研了國內(nèi)外大量非煤系地層瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法的研究成果，對這些預(yù)報方法及特點進行綜述，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 地質(zhì)分析法及特點

地質(zhì)分析法是最常用、最基礎(chǔ)并且成本最低的超前地質(zhì)預(yù)報方法。非煤系地層瓦斯隧道施工中常用的地質(zhì)分析法有2 種，即地面地質(zhì)調(diào)查法和掌子面地質(zhì)素描法[8-9]，其特點見表1所示。

表1 常用地質(zhì)分析法及其特點

1.1 地面地質(zhì)調(diào)查法

在非煤系地層瓦斯隧道施工中開展超前地質(zhì)預(yù)報，運用時間最早、使用頻率最高的就是地面地質(zhì)調(diào)查法。地面地質(zhì)調(diào)查法首先開展的是隧道區(qū)域地表地質(zhì)條件的調(diào)查與分析，主要是掌握隧道區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)的特征，根據(jù)地下構(gòu)造與地表構(gòu)造的相關(guān)性原理，就能夠?qū)λ淼朗┕^(qū)域的地質(zhì)條件和瓦斯有利富集區(qū)進行預(yù)測。調(diào)查的內(nèi)容比較多，主要包括地層巖性、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、斷裂帶的發(fā)育規(guī)模、發(fā)育位置和走向等。該方法適用性強，成本較低，但是工作難度相對較大，瓦斯預(yù)報的準確性較低，而且對于埋深大的地層以及巖性復(fù)雜的地層不適用。

1.2 掌子面地質(zhì)素描法

開展掌子面地質(zhì)素描工作能夠如實和準確地反映非煤系地層瓦斯隧道掌子面的地質(zhì)情況。隧道開挖過程中的各個環(huán)節(jié)，需要工作人員認真、準確地描述和記錄開挖面的地質(zhì)特征、信息，根據(jù)開挖以來的地質(zhì)特征以及瓦斯分布的變化規(guī)律，預(yù)測前方施工區(qū)域的地質(zhì)條件和瓦斯賦存情況。這種方法可以在不影響正常施工的情況下開展，不會影響施工進度，而且使用的設(shè)備簡單，非常容易操作，描述完成后可以迅速得到預(yù)測結(jié)果。但是對于描述和分析人員的技術(shù)要求較高，在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)預(yù)測的準確性相對較低。

2 超前地質(zhì)探孔與導(dǎo)坑法及其特點

超前地質(zhì)探孔與導(dǎo)坑預(yù)測法具有技術(shù)要求高、投入成本大、能夠直觀觀測等特點，其特點見表2所示。

2.1 超前地質(zhì)探孔法

超前地質(zhì)探孔法也是非煤系地層瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報中最常用的方法之一[10-11]。采用超前地質(zhì)探孔，可以直接將掌子面前方的巖石取出，分析巖石是否利于瓦斯儲集，也可以采用儀器直接測量鉆孔中是否含有瓦斯。采用這種方法的主要缺點是鉆孔速度慢并且費用很高，鉆孔時無法開展施工，會影響施工的進度。另外，對于與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面不能預(yù)報，而結(jié)構(gòu)面往往也是瓦斯運移的通道。

2.2 超前導(dǎo)坑法

超前導(dǎo)坑法在非煤系地層瓦斯隧道施工中應(yīng)用相對較少[12]。根據(jù)導(dǎo)坑的位置可以將超前導(dǎo)坑法又分為超前正洞導(dǎo)坑法以及超前平行導(dǎo)坑法。超前正洞導(dǎo)坑法就是將導(dǎo)坑布置在正洞中，小導(dǎo)坑沿著瓦斯隧道正洞軸線進行開挖，可以探明隧道掌子面前方的地質(zhì)條件。與平行導(dǎo)坑相比，超前正洞導(dǎo)坑預(yù)測的效果更好，但是施工成本比較高，還有可能對全洞進行導(dǎo)坑開挖，而且在地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜的地區(qū)預(yù)測的準確率比較低。超前平行導(dǎo)坑與隧道正洞平行，但是與隧道正洞相隔一定的距離，通過觀察、描述、分析超前平行導(dǎo)坑中已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況，從而預(yù)測正洞隧道的地質(zhì)條件。采用超前平行導(dǎo)坑法能夠非常直觀地掌握隧道正洞附近的地質(zhì)情況，具有較高的探測精度以及較長的預(yù)報距離。另外，超前平行導(dǎo)坑開挖還能夠起到排水減壓、改善通風(fēng)條件以及加大工作面等作用。

3 地球物理方法及特點

超前地質(zhì)預(yù)報方法中的地球物理方法有很多類型[13-16]，能夠應(yīng)用在非煤系地層瓦斯隧道中的主要是地質(zhì)雷達探測法（GPR）和隧道地震波探測法（TSP），其特點見表3所示。

表3 常用地球物理方法及其特點

3.1 地質(zhì)雷達探測法

地質(zhì)雷達探測技術(shù)是一種光譜電磁技術(shù)，因其具有重量比較輕、操作十分簡便、屏蔽效果好、掃描速度快、分辨率高、圖像直觀等優(yōu)點，在非煤系地層瓦斯隧道施工中的應(yīng)用較多。該技術(shù)可以用于探測地下巖體介質(zhì)的分布情況，在非煤系地層瓦斯隧道中可以結(jié)合其他手段預(yù)測瓦斯聚集的地段。

電磁波信號由地質(zhì)雷達發(fā)射機發(fā)射以后，便會以較快的速度在地下巖體介質(zhì)中傳播。電磁波信號在地下巖體介質(zhì)傳播的過程中，如果遇到存在電性差異的地下目標體（空洞、斷裂、結(jié)構(gòu)面等）時，就會發(fā)生反射。反射的電磁波信號會快速返回到地面，被提前布置好的接收天線所接收，利用專業(yè)設(shè)備就能夠?qū)邮盏降碾姶挪ㄐ盘栭_展處理和分析工作。根據(jù)接收到的電磁波信號的強度、波形以及雙程走時等參數(shù)就能夠預(yù)測地下目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)特征以及幾何形態(tài)，從而實現(xiàn)對地下隱蔽目標物的探測。

3.2 隧道地震波探測法

隧道地震波探測法是當前超前地質(zhì)預(yù)報中的一種重要方法，在非煤系地層瓦斯隧道中也得到了廣泛的應(yīng)用。隧道施工過程中，施工人員會在掌子面上鉆孔，將小型炸藥放置在鉆孔中，引爆炸藥后就會產(chǎn)生地震波；隨后，地震波會以很快的速度在地層巖體中傳播；如果地震波在地層中遇到不同介質(zhì)的分界面就會發(fā)生反射。在地層巖體中，常見的溶洞、斷裂帶以及各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)面都存在傳播介質(zhì)發(fā)生變化的情況，它們也是非煤系地層中瓦斯賦存的空間以及易于運移的通道。由此可知，地震波在這些巖體介質(zhì)中快速傳播時，遇到界面便會發(fā)生反射和散射，可以通過收集反射波的各種信息（頻率、振幅、波速）進行計算和推導(dǎo)，便可評價前方可能存在的地質(zhì)條件，預(yù)測是否存在利于瓦斯富集和逸散的地質(zhì)條件。

4 結(jié)束語

非煤系地層瓦斯隧道施工過程中，開展合理有效的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作，可以為施工方案的編制以及預(yù)防措施的制定提供依據(jù)。常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有地質(zhì)分析法、超前地質(zhì)探孔與導(dǎo)坑法以及地球物理方法，各種方法具有不同的優(yōu)點和缺點。施工中應(yīng)根據(jù)非煤系地層瓦斯隧道的實際情況，選用兩種或者多種方法結(jié)合使用，提高預(yù)測預(yù)報的準確性，保障施工安全。