区域防突措施在瓦斯突出隧道施工中的应用

陈海锋

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123)



区域防突措施在瓦斯突出隧道施工中的应用

陈海锋

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123)

瓦斯突出隧道安全风险极高，是工程项目建设的重点和难点工程。结合渝黔铁路天坪隧道施工实践，介绍区域防突措施，即在平行导洞内采用穿层网格式钻孔集中抽排技术，以实现平行导洞和正洞2条隧道前方煤层瓦斯抽排。天坪隧道区域防突措施实施效果表明：煤样的残余瓦斯含量均小于8 m3/t，钻孔期间无瓦斯动力现象，从而达到了消除瓦斯突出风险，成功安全揭煤，缩短防突工期的目标。

铁路隧道；瓦斯抽排；防突；揭煤

瓦斯突出隧道安全风险极高，是工程建设管理的重点和难点。因此，如何降低和消除瓦斯突出风险，减少和避免瓦斯事故是隧道施工中需要攻克的一大难题，其中采用有效的防突措施是解决瓦斯事故的关键所在。

目前我国已先后建成了很多高瓦斯隧道，如南昆铁路家竹菁隧道、老渝黔铁路凉风垭隧道、合武铁路红石岩隧道、水柏高速公路发耳隧道、都汶高速公路紫坪铺隧道等。文献[1-4]等表明，国内交通隧道施工中均是采用局部防突措施，未采用区域防突措施，尤其是在平行导洞及正洞均为瓦斯突出隧道时更是没有先例。本文以渝黔铁路天坪隧道为例，阐述区域防突措施在铁路隧道中的首次成功应用，为后续同类项目施工提供借鉴。

1 工程概况

天坪隧道位于贵州省桐梓县和重庆市綦江区交界处，隧道全长13 978.252 m，辅助导坑设计为平行导洞+斜井+横洞(主副井)。其中，横洞工区包含正洞DK128+234～DK125+100段3 134 m及平行导洞PDK128+240～PDK124+640段3 600 m的施工范围，其中DK127+710～DK127+850段为煤系地层段，横洞工区设计为瓦斯突出工区。天坪隧道横洞瓦斯突出工区概况如图1所示。

2 工程地质

天坪隧道横洞工区穿越龙潭组煤系地层，长约140m(DK127+710～DK127+850)，共有3～22层煤。煤层厚10～300 cm，其中3个煤层对隧道建设影响较大，分别为C6、C5、C3。隧道勘探资料显示，天坪隧道C3、C5、C6 煤层煤质均为焦煤，煤层厚度分别为2.6、2.45、1.33 m。煤层走向N42°E，倾向南，倾角70°，且煤层走向与隧道交角为54°。另外地表勘探钻孔揭示，该隧道通过段存在F12断层，受断层拉裂影响煤层表现为缺失与薄化，地质条件复杂。

图1 天坪隧道横洞瓦斯突出工区概况

通常，煤系地层段容易发生煤与瓦斯突然大量涌出或瓦斯聚积，从而发生瓦斯燃烧、爆炸事故。因此，天坪隧道煤系地层段风险评估被评定为存在极高等级安全风险，其是制约全线工期的关键，是天坪隧道施工的重点、难点。天坪隧道煤层及断裂带分布如图2所示。

图2 天坪隧道煤层及断裂带分布示意

3 区域防突的引入

按照原设计方案，天坪隧道平行导洞和正洞分别单独实施煤与瓦斯的探测及钻孔自然排放，施工工期为420 d。后来，通过调研，并结合煤矿开采经验，认为同等条件的煤层自然排放工期至少需要1年，甚至更久，而天坪隧道考虑正洞断面大(约140 m2)，排放时间会更长，因此，原设计方案远远不能满足总体工期的需要。同时，平行导洞和正洞分别进行瓦斯抽排施工将造成较长时间的停工，致使成本不必要地增加。

鉴于原设计方案工期长、经济性差的缺点，根据文献[5-7]，借鉴煤矿施工中“区域防突”理念，提出了天坪隧道平行导洞和正洞一次性抽排优化方案：利用平行导洞超前的有利条件，在平行导洞内集中设钻场，向平行导洞及正洞前方区域施工钻孔，进行抽排；同时进行平行导洞和正洞前方各煤层瓦斯抽排。该方案在保持钻孔工程量基本一致的同时，可减少后期正洞防突施工和瓦斯抽排环节，极大地加快隧道施工进度，且在安全、工期、经济性方面也比原设计方案具有明显优势，更加合理。

4 区域综合防突措施

天坪隧道为煤与瓦斯突出隧道，存在瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和围岩稳定性差等危险因素，其穿过煤与瓦斯突出煤层时面临安全风险，故防爆、防突是施工中需要着重解决的问题。天坪隧道瓦斯消突方案设计时，依据《防治煤与瓦斯突出规定》[5]、《煤矿安全规程》[9]、MT/T955—2005《石门揭穿煤与瓦斯突出煤层程序技术条件》[10]及TB 10120—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》[11]的规定，结合天坪隧道的特点，以“区域防突措施先行、局部防突措施补充”为原则，制定了天坪隧道“四位一体”的综合防突措施，如图3所示。

4.1 区域防突预测

煤与瓦斯突出危险性预测是煤与瓦斯突出防治工作的重要环节之一，它不仅能有效指导后续防突措施的合理运用，而且还能有效地保证工作面稳定和作业人员的人身安全。

区域预测一般是根据煤层瓦斯参数并结合瓦斯地质分析进行。若煤层瓦斯压力P≥0.74 MPa，或煤层瓦斯含量W≥8 m3/t，则预测为有突出危险。天坪隧道进行区域预测时，结合现场实际情况，在距煤层50、20 m处进行了详细的综合超前地质钻孔，钻孔布置如图4所示。

区域预测显示，天坪隧道平行导洞C6、C5、C3煤层原始瓦斯压力最高达3.67 MPa，平行导洞C6、C5、C3煤层瓦斯含量分别为11.47、9.87和3.91 m3/t。天坪隧道区域预测结果为“有突出危险”，因此，按照有关规定，须对其实施区域防突措施。

4.2 区域防突方案优化

天坪隧道瓦斯突出段施工采取了瓦斯预抽排的区域防突措施。传统瓦斯抽排方案是仅可解决单一隧道掌子面正前方瓦斯突出问题，而根据天坪隧道现场实际情况，若采取传统方案，则需在平行导洞和正洞实施2次探测、2次抽排。因此，经综合对比，并借鉴煤矿施工中“区域防突”的经验，确定了穿层网格式瓦斯抽排技术方案：利用平行导洞超前的有利条件，在平行导洞内集中向平行导洞及正洞前方区域施工钻孔，进行抽排。该方案在保持钻孔工程量基本一致的同时，可减少正洞防突施工和瓦斯抽排环节，加快隧道施工进度。

图3 天坪隧道瓦斯综合防突措施

图4 探测钻孔布置剖面

根据天坪隧道3个煤层相距较近的实际情况，设置穿层瓦斯抽排孔，即从施钻位置向最前方的C3煤层钻孔，依次穿透C6、C5、C3应抽排煤层。抽排孔在整个预抽区域内需均匀布置，开孔间距0.3 m，终孔间距4 m，且需进入煤层底板0.5 m。

瓦斯抽排孔需超出揭煤处隧道开挖轮廓线一定范围。《防治煤与瓦斯突出规定》要求：隧道开挖轮廓两侧及顶部14 m、底部8 m；同时还应保证控制范围外边缘到开挖轮廓线的最小距离必须大于5 m。为防止断层破碎带瓦斯突出，减小钻孔倾角，便于钻进施工，应在平行导洞揭煤工作面距C6煤层法向距离20 m处实施区域瓦斯抽排防突措施。

根据超前地质报告及天坪隧道揭煤方案，设计了天坪隧道平行导洞瓦斯抽排孔，其布置如图5、图6所示。考虑到煤层与隧道的位置关系，在平行导洞掌子面和平行导洞掌子面后方左壁洞室内设置2处钻场；平行导洞掌子面钻场主要负责平行导洞范围瓦斯抽排孔施工，平行导洞掌子面后方左壁洞室钻场主要负责隧道正洞范围瓦斯抽排孔施工。先施工平行导洞抽排孔，后施工正洞抽排孔，这样既不影响平行导洞后续施工，又能延长正洞瓦斯抽排时间，加强抽排效果。

图5 瓦斯抽排孔平面布置示意

抽排孔径为Φ75 mm，采用ZDY-1250型液压钻机施工。钻孔施工完毕后，应立即埋封孔接抽排管。封孔选用水泥砂浆，封孔长度不小于5 m。

4.3 区域措施效果检验

防突措施实施后，需对防突效果进行钻孔检验。

图6 瓦斯抽排孔正面布置示意

平行导洞和正洞的防突措施预抽范围上部、中部和两侧需分别设置检验钻孔，且至少应有1个检验测试点位于预抽区域内，其距边缘需小于2 m；钻孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短处需布置检验测试点，且测试孔尽可能远离测试点周围的各预抽钻孔，或尽可能与周围预抽钻孔保持等距离。天坪隧道防突措施实施效果检验是在其平行导洞内进行的，校验孔布置如图7所示。

图7 校验孔设置平面

5 其他安全防护措施

天坪隧道还采取了以下措施来降低瓦斯事故发生的风险。

1) 隧道恢复开挖前，对工作面进行了防突预测和防突措施实施，并对防突效果进行了检验，防突效果经检验满足规范要求后才允许进行隧道开挖。

2) 在岩石巷道与煤层连接处加强支护，揭煤前采用金属骨架超前支护过煤段巷道。过煤时采取分层分台阶方式，且在洞外起爆，从而降低了施工风险。

3) 隧道揭煤时严格遵守规范，对隧道内的瓦斯浓度、机电设备、施工活动进行了严格控制，加强通风。

4) 采用KJ70型自动瓦斯监测系统对天坪隧道从上至下进行了立体监测，同时还检测了隧道拱顶的瓦斯浓度，实现了瓦斯检测“双保险”。

5) 严格按照瓦斯隧道及煤矿相关标准，建立了“双电源(网电+自备发电机组)、双回路”供电和“三专两闭锁”(专用开关、专用变压器、专用电缆；瓦电闭锁、风电闭锁)供电系统，并设置了接地保护系统、防雷击系统、双电源自动转换系统。

6) 对施工机械全面进行了防爆改装。

6 方案实施效果

6.1 瓦斯抽排情况

2014年7月7日开始实施抽排钻孔施工，8月17日竣工，期间共完成240个瓦斯抽排孔的施工，总工程量为15 819 m。8月19日完成封孔及预抽管路、抽排设备检修等并进行试抽排。经调试，于8月21日开始对天坪隧道平行导洞的瓦斯进行稳压抽排，至11月1日结束抽排，其间抽排瓦斯152 411 m3，达到所需的抽排量。

6.2 区域消突效果检验

1) 为验证抽排效果，2014年10月10日至10月17日，在平行导洞线路中线靠左侧位置打设取芯钻孔，取煤样进行预验证。煤样检测结果表明，全部煤样的残余瓦斯含量均小于8 m3/t，取芯钻孔期间无瓦斯动力现象，防突措施有效。区域消突效果检验结果如表1所示。从表1可以看出，区域措施效检结果显示总体消突较好。

表1 区域消突效果检验

2) 在平行导洞抽排煤层基础条件达标后，2014年11月15日完成了24个校验孔的施工，施工过程中未出现喷孔等异常现象。共取出煤样40个，经检验，有3个煤样指标超标，超标率7.5%。后来对超标部位进行了补孔，待该部位煤层瓦斯自然排放7 d后重新取煤样进行了验证，结果表明全部达标。

对天坪隧道横洞瓦斯突出工区实施防突措施后，瓦斯抽排效果良好，综合防突措施符合《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的要求。对该隧道实施局部防突措施并验证有效后，陆续成功实现了平行导洞和正洞C6、C5、C3煤层的安全揭煤。

6.3 与原设计方案比较情况

天坪隧道利用平行导洞抽排平行导洞和正洞瓦斯区域防突措施实施结果表明，优化方案具有明显优势。将该方案与原设计方案进行了比较，结果如表2所示。

表2 优化方案与设计方案比较

实践证明，对天坪隧道煤系地层采用区域防突措施后，在不增加钻孔工程量的情况下，利用平行导洞综合布置施工钻孔以抽排平行导洞及正洞前方各煤层瓦斯工期总计为237 d，比原设计方案缩短工期至少半年，同时还优化了正洞的工序安排，减少了正洞局部防突措施施工时间，保证了正洞施工的连续性，极大地缩短了施工工期。另外，通过方案调整，提高了经济效益，新方案与原设计方案相比，可节约成本1/4以上。采取区域防突措施对煤层瓦斯进行集中抽排后，大大降低了瓦斯压力和储量，消除了瓦斯突出风险，安全性比原设计方案更有保证。

7 结束语

1) 天坪隧道的施工实践表明，利用平行导洞抽排平行导洞和正洞的区域防突方法是可行的，可减少正洞区域防突措施施工和瓦斯抽排环节，减少正洞工序停顿，大大节约工期，既保证了施工安全，又提高了经济效益。

2) 区域防突预测中，超前地质钻探是煤层与瓦斯突出预测的最直观、最准确方法，故必须采用，以便为下一步措施提供可靠依据。

3) 实施区域瓦斯抽排措施前，需对抽排孔进行考察，以了解瓦斯分布和压力情况，且合理控制钻孔施工数量、施工时间及抽排效果具有关键影响。

4) 区域防突措施的实施，大大降低了瓦斯赋存量、瓦斯压力，避免了瓦斯突出风险，极大地降低了安全风险，加快了后续工程施工进度，减轻了瓦斯隧道安全管理的压力，具有良好的经济性。

5) 区域防突效果检验是防止瓦斯突出的最后一道防线，需高度重视。区域抽排是解决区域“面”上的防突措施，但不代表任一局部“点”上也实现了消突。因此，必须按照区域检验和工作面验证相结合原则，对区域防突效果进行检验。

[1] 陈发东. 隧道瓦斯防突技术探讨[J]. 山西交通科技，2011，4(2)：69-71.

[2] 王庆国. 浅谈瓦斯隧道揭煤防突的措施[J]. 四川建筑，2008，28(5)：186-187.

[3] 徐文平，宋聚勇，黄长国，等. 发耳隧道揭煤防突技术[J]. 隧道建设，2013，33(4)：309-314.

[4] 赵 训，韩真理，罗 勇．水盘高速公路发耳隧道防治煤与瓦斯突出措施研究[J]．公路，2011(9)：256-261．

[5] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．防治煤与瓦斯突出规定[M]．北京：煤炭工业出版社，2009．

[6] 张许乐，魏风清. 新安煤田区域防突技术体系研究[J].中州煤炭，2013(5)：102-104，116.

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[8] 王庆国. 瓦斯隧道煤系地层揭煤施工技术探讨[J]. 重庆建筑，2010，6(9)：53-55.

[9] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程[M]．北京：煤炭工业出版社，2011．

[10]中华人民共和国铁道部．铁路瓦斯隧道技术规范:TB10120—2002/J160—2002[S]．北京：中国铁道出版社，2002．

[11]国家发展和改革委员会．石门揭穿煤与瓦斯突出煤层程序技术条件:MT/T955—2005[S]．北京：国家发展和改革委员会，2005．

Application of Regional Anti-burst Measures in Gas Burst During Tunnel Construction

CHEN Haifeng

Construction of tunnels with gas burst is extremely risky and is the vital point of overall project. This paper introduces regional anti-burst measures from the practice of Tianping tunnel construction on Chongqing-Guizhou Railway, i.e., use grid drilling in flat guide for central exhausting to exhaust coal gas from both flat guide and 2 main tunnels. The Tianping tunnel regional anti-burst measure shows that the residual gas content at the coal sample is less than 8 m3/t, there is no gas dynamic phenomenon during drilling. As a result, gas burst risk can be effectively eliminated with coal layer safely removed and anti-burst construction time shortened.

Railway tunnel; gas exhaust; anti-burst; remove coal

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.023

中铁隧道集团科技创新项目(隧研合2013-01)

2016-06-20

陈海锋(1979-)，男，浙江省缙云县人，硕士，高工。

1009-6477(2016)05-0100-05

U455.4

B