淺談高瓦斯公路隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)判

廉育

中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司 福建 福州 350000

1 研究背景

鹿角隧道位于重慶彭水縣，為雙洞隧道。根據(jù)地勘資料，擬建鹿角隧道ZK39+160～ZK39+190（K39+170～K39+200）段穿越二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）煤層，屬于低瓦斯地層；ZK39+820～ZK39+870（K39+830～K39+880）段穿越二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）煤層，屬于高瓦斯地層。地下工程施工中，地質(zhì)情況多變，由于各種原因，可能會(huì)發(fā)生多種災(zāi)害，其中瓦斯事故防治是地下工程施工中應(yīng)解決的重要問(wèn)題。

因此，為準(zhǔn)確掌握隧道工區(qū)后續(xù)施工過(guò)程瓦斯突出危險(xiǎn)性，測(cè)定隧道施工區(qū)段絕對(duì)瓦斯涌出量及相關(guān)參數(shù)，并依據(jù)實(shí)測(cè)值對(duì)隧道瓦斯地層等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而判突出危險(xiǎn)性。因此，本文針對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)實(shí)施原理進(jìn)行闡述，以便根據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工。

2 絕對(duì)瓦斯涌出量測(cè)定

2.1 測(cè)定范圍和測(cè)點(diǎn)布置

2.1.1 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置：絕對(duì)瓦斯涌出量實(shí)測(cè)方法要求，測(cè)風(fēng)斷面選擇在距掌子面約20～30m處穩(wěn)定回風(fēng)流中，測(cè)風(fēng)斷面前后10m內(nèi)無(wú)分支風(fēng)流、無(wú)拐彎、無(wú)障礙、斷面無(wú)變化，風(fēng)速測(cè)點(diǎn)在測(cè)風(fēng)斷面布置12個(gè)風(fēng)速測(cè)定點(diǎn)[1]。

根據(jù)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置位置，采用側(cè)身法，測(cè)風(fēng)步驟《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求進(jìn)行，測(cè)風(fēng)結(jié)束后，根據(jù)斷面尺寸，計(jì)算測(cè)風(fēng)斷面面積，并進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算。

2.1.2 瓦斯測(cè)點(diǎn)布置：依據(jù)相關(guān)規(guī)范中絕對(duì)瓦斯涌出量實(shí)測(cè)方法要求，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次測(cè)量瓦斯選擇在瓦斯工區(qū)風(fēng)流段落內(nèi)進(jìn)行，測(cè)量瓦斯斷面前后10m應(yīng)選取無(wú)影響風(fēng)速變化的段落[2]，因此風(fēng)速測(cè)點(diǎn)斷面與瓦斯測(cè)量斷面布置一致，瓦斯測(cè)定在瓦斯測(cè)點(diǎn)斷面布置6個(gè)瓦斯?jié)舛葴y(cè)定點(diǎn)。

圖1 風(fēng)速及瓦斯測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)瓦斯檢測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置，具體檢測(cè)步驟應(yīng)遵循《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，其中要注意的是瓦斯?jié)舛鹊呐c測(cè)風(fēng)是同步進(jìn)行的，數(shù)據(jù)記錄在記錄表上。

2.2 瓦斯絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

瓦斯工區(qū)瓦斯絕對(duì)瓦斯涌出量根據(jù)隧道實(shí)際涌出量和實(shí)測(cè)最大瓦斯?jié)舛劝词剑ㄊ?）計(jì)算確定。

式中： —絕對(duì)瓦斯涌出量（m3/min）；

Q —隧道斷面通風(fēng)量（m3/min）；

表1 鹿角隧道施工區(qū)段實(shí)測(cè)絕對(duì)瓦斯涌出量結(jié)果表

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，瓦斯隧道分為微瓦斯、低瓦斯、高瓦斯及煤（巖）與瓦斯突出四類。瓦斯工區(qū)與瓦斯地層類別判定指標(biāo)為隧道內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量，并應(yīng)符合表2規(guī)定。在瓦斯隧道掘進(jìn)過(guò)程中，加強(qiáng)通風(fēng)和瓦斯檢測(cè)，隧道施工區(qū)段內(nèi)檢測(cè)有瓦斯時(shí)，則洞口至開挖掌子面的施工區(qū)段為瓦斯工區(qū)；當(dāng)施工區(qū)段內(nèi)經(jīng)檢測(cè)并評(píng)定無(wú)瓦斯時(shí)，則洞口至開挖掌子面的施工區(qū)段為非瓦斯工區(qū)。

表2 瓦斯地層或瓦斯工區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量判定表

根據(jù)表2可知，鹿角隧道施工區(qū)段為低瓦斯地層，當(dāng)前鹿角隧道施工工區(qū)為低瓦斯工區(qū)。

3 煤層瓦斯參數(shù)及壓力測(cè)定

3.1 測(cè)定區(qū)域選擇

本次測(cè)定的煤層是鹿角隧道二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）煤層中的原始瓦斯含量，測(cè)定范圍在鹿角隧道出口右線開挖輪廓線距二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）煤層隧法向距離20m范圍以內(nèi)，設(shè)計(jì)該煤層平均厚度為0.7m，測(cè)定區(qū)域煤層未受采動(dòng)影響。

3.2 鉆孔布置及施工參數(shù)

本次鉆孔施工位置設(shè)計(jì)位于鹿角隧道出口右線K39+886.3處，使用DZY-1200鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔施工設(shè)計(jì)按《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374-2020）中10.2.2條接近煤層前，在開挖工作面距煤層最小距離≥20m時(shí)進(jìn)行超前探孔，探孔數(shù)量不少于3個(gè)，且至少有一個(gè)鉆孔需要取芯的要求進(jìn)行施工。

圖2 鉆孔剖面示意圖

根據(jù)以上思路，在鹿角隧道出口右線掌子面K39+886.3處，布置了1#、2#、3#、4#穿層鉆孔，其中1#孔為開挖工作面距煤層最小法向孔，采用取芯管取樣，2#、3#、4#號(hào)孔，采用風(fēng)排渣取樣，用于探取二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）煤層的煤樣進(jìn)行測(cè)定瓦斯含量并計(jì)算瓦斯壓力。

表3 鉆孔竣工參數(shù)表

3.3 煤層瓦斯含量W及瓦斯壓力P的測(cè)定

在掌子面K39+866.3進(jìn)行鉆孔取樣時(shí)要記錄取樣地點(diǎn)大氣壓、溫度及停鉆時(shí)間、取樣時(shí)間、取芯結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)。通過(guò)鉆孔取芯設(shè)備取出煤樣，在煤樣中選取直徑較大且質(zhì)量大于500g的煤樣快速封入煤樣筒，然后將煤樣筒出氣口用乳膠管與井下解吸儀連接牢固，連接前初值要讀取準(zhǔn)確。在連接瞬間氣體會(huì)涌出，需立即讀取液面刻度作為0min刻度并打開秒表計(jì)時(shí)。然后每60s讀取液面數(shù)據(jù)一次，持續(xù)30min后結(jié)束。解吸完畢后關(guān)閉煤樣筒閥門，并把煤樣桶放入清水中進(jìn)行氣密性檢測(cè)，若有漏氣現(xiàn)象則該煤樣作廢，重新取樣；若無(wú)漏氣現(xiàn)象則可作為合格樣品收存，待取樣檢測(cè)工作全部結(jié)束后一起帶回試驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)[3]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤的瓦斯吸附常數(shù)等參數(shù)，輸入軟件計(jì)算測(cè)點(diǎn)常壓吸附瓦斯量、瓦斯含量和瓦斯壓力。

圖3 瓦斯解吸速度測(cè)定儀與密封罐示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定及瓦斯壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 煤樣瓦斯參數(shù)測(cè)定及瓦斯壓力計(jì)算結(jié)果

從表4可以看出，3個(gè)測(cè)試孔的噸煤瓦斯含量最高為3.92m3/t，計(jì)算瓦斯壓力最高值為0.66MPa，噸煤瓦斯含量和瓦斯壓力均低于相關(guān)規(guī)定的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)噸煤瓦斯含量臨界值8m3/t，瓦斯壓力臨界值0.74MPa。

4 主要結(jié)論及施工建議

4.1 主要結(jié)論

本次鹿角隧道在施工期內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量測(cè)定及瓦斯地層等級(jí)評(píng)價(jià)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了隧道回風(fēng)流風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算了隧道絕對(duì)瓦斯涌出量及瓦斯壓力，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道瓦斯等級(jí)進(jìn)行判定，得出如下結(jié)論。

4.1.1 鹿角隧道出口端左右線隧道施工區(qū)段圍巖逸出氣體為瓦斯，主要成分為甲烷（CH4），來(lái)源于其下伏的瓦斯頁(yè)巖氣、志留系中統(tǒng)羅惹坪群頁(yè)巖涌出的裂隙瓦斯。

4.1.2 鹿角隧道跟蹤監(jiān)測(cè)段為低瓦斯地層，則判斷鹿角隧道洞口至掌子面施工區(qū)段為低瓦斯工區(qū)。

4.1.3 從瓦斯含量測(cè)定結(jié)果看，鉆孔瓦斯含量均小于突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)瓦斯含量臨界值8m3/t；瓦斯壓力小于突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)瓦斯壓力臨界值0.74MPa。故該段瓦斯工區(qū)段無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)性。

4.2 施工建議

4.2.1 嚴(yán)格按照高瓦斯隧道施工相關(guān)規(guī)定管理，并加強(qiáng)管理人員、技術(shù)人員和施工人員的管理和安全知識(shí)培訓(xùn)，提高安全意識(shí)。

4.2.2 施工過(guò)程加強(qiáng)對(duì)鉆孔瓦斯?jié)舛葴y(cè)定和掌子面瓦斯?jié)舛葴y(cè)定，詳細(xì)記錄瓦斯?jié)舛茸兓闆r，為后續(xù)揭煤工作提供數(shù)據(jù)參考。

4.2.3 在施工掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)通風(fēng)，防止因有害氣體積聚導(dǎo)致安全事故發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著瓦斯隧道施工越來(lái)越多，隧道施工安全尤為重要。施工時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行，通過(guò)檢測(cè)手段對(duì)瓦斯隧道瓦斯工區(qū)等級(jí)和突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工，對(duì)瓦斯隧道安全施工具有重要的指導(dǎo)意義。