煤与瓦斯突出隧道穿越采空区缓倾煤层揭煤防突关键技术研究

曾妙林 ZENG Miao-lin

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545007）

1 项目背景及工程概况

贵州省某高速公路建林岩隧道为分离式特长隧道，总长约3900m。隧道衬砌内轮廓采用三心圆，内轮廓设计高程距拱顶高度5m，净宽10.75m。隧道施工为进、出口两端开挖掘进，设计出口端穿过鑫源煤矿属煤与瓦斯突出工区。通过设计图纸及相关资料综合分析，建林岩隧道（左幅ZK9+595～ZK9+795/右幅YK9+610～YK9+810 段）穿越鑫源煤矿煤系地层，共穿过三层煤（C6、C5、C1），穿煤段瓦斯含量高、瓦斯压力大，存在煤与瓦斯突出危险性。建林岩隧道瓦斯段左幅纵断面图如图1 所示。

图1 建林岩隧道瓦斯段左幅纵断面图

2 揭煤防突系统准备

2.1 监控检测系统

建立了瓦斯自动监控系统+人工监测系统，自动监控系统采用KJ73X 型瓦斯监控系统，实现了隧道内迎头瓦斯、一氧化碳、风速等环境参数的实时监测，重要通风设备的开停状态监测，实现风电闭锁和瓦电闭锁功能。

2.2 通风系统

通风是瓦斯治理的重要手段，高瓦斯及煤与瓦斯突出隧道须配备双风机双电源，风机供电实现“三专”供电（即专用变压器、专用开关、专用线路）。

2.3 供电系统

隧道洞口地面设置3 台箱式变压器，其中1 台变压器为两隧道（左、右线）的通风机专用供电；1 台变压器（KS11矿用一般型、中性点不接地）负责隧道洞内动力、照明等设备的供电；1 台变压器负责地面压风、照明及地面的其他负荷；另各配备1 台柴油发电机组，主要是保证隧道主（备）用风机的供电，从而实现通风的“双风机、双电源”，同时进入隧道的动力供电实现“瓦斯电闭锁”“风电闭锁”的闭锁控制，以保证瓦斯隧道的安全施工。

2.4 作业设备改装

隧道内施工的电气设备与作业机械均使用防爆型，固定设备：电力线路、衬砌台车，照明灯具，开关设备、射流风机、洞内掌子面抽水机等。行走作业机械：出碴车辆、挖掘机、装载机、小型车辆、混凝土罐车、输送泵等移动设备全部进行防爆改装。

3 揭煤综合防突技术措施

对具有突出危险性的煤层，揭煤时采用两个“四位一体”综合防突技术措施。即区域综合防突措施，局部综合防突措施。

3.1 地质预报

超前地质预测预报目的主要是通过物探、钻探等手段，探测掌子面前方、周围的地质情况，力图在施工前掌握前方、周边的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况。主洞超前地质预测预报是在结合综合物探工作基础上，施作3 个地质超前钻孔予以验证。当综合物探有异常时，则施作5 个钻孔，超前钻孔直径为ϕ89，钻孔与煤层顶板（底板）交点应控制在衬砌开挖轮廓线外10m 范围内，保证正洞开挖在遇到煤层前20m 外了解煤层的大概位置。钻孔过程中现场做好钻探记录，包括孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、孔内有毒有害气体、返水颜色等详细情况，施钻过程采用水钻，禁止使用干钻，必要时更换相应取芯钻头对掌子面围岩进行取芯。同时每班开挖过程中在掌子面施工5 个加深炮孔，单孔斜长5m，打孔过程做好详细记录。

3.2 煤层探测

3.2.1 煤层初探测 在掌子面掘进至距煤层法向距离20m 处位时，正洞上台阶位置施作5 个ϕ89 超前钻孔，钻孔应穿过煤层并进入岩层不小于0.5m。钻孔过程中详细记录各煤层的见煤点深度、煤层厚度、有无喷孔等异常现象，以初步掌握隧道掌子面与煤层间的距离，防止施工过程中误揭煤层。该隧道属顶板揭煤，除判别墙角煤层揭煤位置外，还应根据地质雷达预报判断煤层是否存在褶皱或断层。

3.2.2 煤层精探测及预测探孔 为了进一步探明隧道煤系地层的瓦斯赋存情况及地质状况，在掌子面掘进至距煤层法向距离10m 处位置时，施工7 个穿透左、右洞煤层全厚的测压及取芯钻孔，详细记录岩芯资料，确定煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性，掌握并收集探孔施作过程中的瓦斯动力现象，为安全揭煤提供可靠的基础资料。煤层精探测布置图如图2 所示。

图2 煤层精探测布置图

3.3 区域综合防突措施

3.3.1 区域突出危险性预测 根据对现掌子面施工的7 个钻孔揭露地质资料分析，掌子面前方地层产状为82°∠38°，煤（岩）层走向与隧道夹角73°，经过换算揭露的C6和C5 煤层真视厚度为0.28m、1.22m，C6 煤层小于0.3m（没有突出危险）与C5 煤层平均间距为3.87m，间距小于5m。因此，可将隧道出口端拟揭露C6、C5 煤层作为一个整体进行评定预测。

①C5 煤层瓦斯压力测试：采用直接法测定煤层瓦斯压力，即利用施工穿层钻孔穿透煤层，封孔后直接用压力表测定煤层瓦斯压力。②C5 煤层瓦斯含量测试：采用直接法测定煤层瓦斯含量，即在隧道施工钻孔时采集煤样进行解吸瓦斯，根据煤样解吸的瓦斯规律推算取样过程煤样的损失瓦斯量，然后在实验室测定煤样的煤层残存瓦斯含量，最后根据损失瓦斯量、现场解吸瓦斯量、实验室煤层残存瓦斯含量和煤样重量计算煤层瓦斯含量。③经过有资质的第三方预测单位测定本次煤层瓦斯含量最大值Wmax=11.94m3/t，大于临界值8m3/t，瓦斯压力最大值0.78MPa，超过临界值0.74MPa。因此该隧道C5 煤层工作面为突出危险工作面，必须对其执行区域防突措施。

3.3.2 区域防突技术措施 区域防突措施一般采取洞内钻孔抽放措施，抽放钻孔需控制到隧道安全轮廓线范围，瓦斯抽放后进行煤层区域检验。

①抽放钻孔准备。隧道高度约10.24m，上台阶高约7.18m，下台阶高度约3.06m，首先在掌子面打设树脂锚杆、挂塑料网片并喷射C25 混凝土封闭。确保掌子面及端头喷射平整，防止端头局部积聚瓦斯。然后回填渣土，修筑施钻平台及排水沟，同时下台阶设置三级沉淀池，抽放孔施工由上至下的顺序进行。

②抽放钻孔设计。距离煤层最小法向距离10m 位置设计抽放孔，终孔需穿过煤层底板0.5m。按照规范要求抽放钻孔控制隧道轮廓线拱顶及左、右边墙外不小于12m、底部不小于12m（急倾斜煤层不小于6m），拱顶控制范围的外边缘到隧道轮廓线的最小法向距离不小于5m，抽放半径不得大于2.0m。根据现场区域防突效果检验结论，进一步进行现场防突措施方案动态调整，终孔间距按2.8m×2.8m 网格重叠布置（杜绝终孔空白带存在）。

实际控制范围：左边墙13.33m、右边墙14.57m、上部14.61m、下部13.56m。

隧道掌子面抽放钻孔采用上、下两台阶布置，其中：上台阶布置14 排，即第一至四排的间排距离为0.50m（孔间距）×0.35m（排间距），第五至十四排的间排距离为0.70m（孔间距）×0.35m（排间距）。下台阶布置3 排，即第十五至十七排的间排距离为0.70m（孔间距）×0.35m（排间距）。抽放孔布置图见图3。

图3 抽放孔布置图

③瓦斯抽采量计算。按照《防治煤与瓦斯突出细则》要求，区域防突措施需治理揭煤区域煤层瓦斯含量至8m3/t以下，遇地质构造带，需治理揭煤区域煤层瓦斯含量至6m3/t 以下。该隧道超前地质预报显示前方无地质构造带，按治理至煤层瓦斯含量8m3/t 以下进行计算。

1）煤炭储量计算。

式中：L—单元煤层走向长度，m；1—单元抽采钻孔控制范围内煤层平均倾向长度，m；H1、H2—分别为单元走向方向两端巷道瓦斯预排等值宽度，m。h1、h2—分别为单元倾向方向两侧巷道瓦斯预排等值宽度，m。R—抽采钻孔的有效影响半径，m；m—单元平均煤层厚度，m；酌—评价单元煤的密度，t/m3。

2）瓦斯抽采量量计算。

抽采过程中采取自动计量装置统计抽采期间的瓦斯抽采总量Q，预抽瓦斯后煤层的残余瓦斯含量应小于临界指标8m/t，为保证安全煤层残余瓦斯含量按7.5m3/t 指标进行计算：Q=W0G-WCYG

式中：WCY——煤的残余瓦斯含量，7.5m3/t；W0——煤的原始瓦斯含量，11.94m3/t；Q——评价单元抽排瓦斯总量，m3；G——评价单元参与计算煤炭储量，4306.3t。

经计算单洞抽排瓦斯总量Q=（11.94-7.5）×4306.3=19120m3。

④排放参数测定。根据《煤矿安全规程》第一百八十四条（采用干式抽采瓦斯设备时，抽采瓦斯浓度不得低于25%）。本隧道设计抽采瓦斯浓度为30%，采用水环式抽放泵，按最大抽采瓦斯纯量19120m3，瓦斯抽放时间最少按20 天计算，抽采混合流量约2.21m3/min。

每天测定孔口瓦斯浓度，并做好瓦斯排放台账，分析孔口瓦斯浓度衰减情况，根据煤层计算的原始瓦斯含量与瓦斯抽采过程中所测定的抽采参数计算煤层的残余瓦斯含量进行区域防突措施效果检验。

⑤区域防突措施效果检验。区域防突措施效果检验测试点设计在距离C5 煤层10m 最小法向距离处施工，钻孔分别位于预抽区域内的上部、下部和两侧，检验孔不少于4 个。

结合《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》规定，对煤层进行防突效果检验时，按照抽放最小控制范围进行检验，采用煤层瓦斯压力、残余瓦斯含量及钻屑瓦斯解析指标（K1值）检验。

当残余瓦斯含量、瓦斯压力、钻屑瓦斯解析指标均小于规范临界值，且未发现其他异常现象，判定预抽措施有效，该区域为无突出危险区域；反之其中任何一项指标大于规范临界值，则说明预抽措施效果无效，预抽区域仍为突出危险区，补充实施区域防突措施。

若防突效果检验判定有效，则采取全洞撤人、断电、远距离放炮措施开挖至C5 煤层最小法向距离5m 和2m 处，分别再次进行区域验证（即对工作面突出危险性预测），效果检验达标后进行揭煤施工。

4 结语

本项目通过对煤层地质预报、超前探测、瓦斯突出性预测，制定了有效的区域综合防突技术措施，并通过区效果检验论证了防突技术措施可行性，消除了瓦斯突出危险，力保了瓦斯突出隧道的安全揭煤施工，合理的防突技术措施也极大缩短瓦斯工区的施工周期，防止瓦斯工区施工中的大量窝工、停工与资源浪费问题，最大化地节省施工经济成本，并为类似的煤与瓦斯突出隧道揭煤防突施工提供借鉴和参考。