马家坡瓦斯隧道设计等级的判定研究

2011-07-25韩玉芳谢士宏

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年4期

韩玉芳，谢士宏，杨龙

(1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北石家庄050043;2.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄050043;3.中铁五局集团路桥工程有限公司，广东广州511458)

随着我国高速公路建设的发展，瓦斯隧道尤其是高瓦斯隧道明显增多，由于瓦斯在煤(岩)中的含量、压力的存在形式、涌出规律、煤层的赋存条件等很难在勘测设计阶段完全、准确掌握，需要根据施工实际揭示的瓦斯和地质情况，确定瓦斯隧道等级，及时修正设计，按照相应等级瓦斯隧道选择不同衬砌结构，并在施工中按照要求配置相应设备，以确保施工及运营后的安全［1-6］。

马家坡隧道属于湖北省宜(昌)至巴东(鄂渝界)高速公路第24合同段，根据现场和实验室瓦斯各项参数的测定，确定了该瓦斯隧道的绝对瓦斯涌出量，并依据TB10120—2002《铁路瓦斯隧道技术》［7］判定该隧道为高瓦斯工区，瓦斯地段等级为二级，文中相关数据对今后各类瓦斯隧道的施工具有一定的借鉴和参考价值。

1 工程概况

马家坡隧道穿越湖北省兴山县与巴东县县界，为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，隧道最大埋深约472 m，长3 950 m。根据野外调查及钻探、物探资料，隧道区内上覆盖层为残坡积碎石土，沿山坡分布，局部沟谷处有第四系冲积亚粘土、砾卵石层，下伏基岩主要有侏罗系中～下统聂家山组(J1-2n)长石石英砂岩与粉砂质泥岩不等厚互层;侏罗系下统香溪组(J1x)灰绿色中薄层粘土质粉砂岩、粉砂质粘土岩夹细砂岩、岩质页岩及煤线;三叠系上统沙镇溪组(T3s)灰～深灰色薄～厚层石英砂岩、粉砂岩、粘土岩夹炭质页岩和煤层;三叠系中统巴东组(T3b)巴东组灰色微晶灰岩、黄～蓝绿～紫红色页岩、泥灰岩、泥岩［8］。

2 关于瓦斯隧道

瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种，瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。瓦斯隧道工区又分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区、瓦斯突出工区共四类。其中低瓦斯工区和高瓦斯工区可按绝对瓦斯涌出量进行判定。当全工区的瓦斯涌出量小于0.5 m3/min时，为低瓦斯工区;大于或等于0.5 m3/min时，为高瓦斯工区。且瓦斯隧道只要有一处有突出危险，该处所在的工区即为瓦斯突出工区。隧道瓦斯工区等级划分标准见表1。

表1 隧道瓦斯工区等级划分标准［7］

3 煤层各项瓦斯参数检测

3.1 检测标准与方法

(1)煤的瓦斯吸附常数测定与煤的工业分析。煤的瓦斯吸附常数依据原煤炭工业部标准《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T 752—1997)进行测定，煤的工业分析依据中华人民共和国国家标准《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2001)进行测定［8-9］。

(2)煤层瓦斯含量测定。煤层瓦斯含量是指单位质量或体积的煤中所含有的瓦斯量，以m3/m3或m3/t表示。它是计算煤层瓦斯储量、矿井瓦斯涌出量预测和煤与瓦斯突出危险性预测的重要依据参数之一。目前，煤层瓦斯含量测定方法多种多样，根据应用范围可分为地质勘探钻孔中应用的方法和煤矿井下应用的方法两大类;根据方法本身的特点，又可分为直接方法和间接方法。

根据马家坡隧道的实际情况，本次直接测定马家坡隧道掌子面煤层瓦斯含量过程中，采用钻孔瓦斯解吸法。即:利用煤层钻孔采集煤体煤样，用解吸仪直接测定其解吸瓦斯量及解吸规律，根据其解吸规律来推算煤样从开始采集至解吸测定前的损失瓦斯量，并在实验室测定煤样中残存瓦斯量，测定和计算的这三部分瓦斯量之和即为煤层瓦斯含量。计算公式如下

式中，V0为标准状态下煤样瓦斯解吸量;V1为标准状态下煤样损失瓦斯量;V1为标准状态下煤样残存瓦斯量;G0为煤样可燃质量;X为煤样可燃质瓦斯含量。

煤的残存瓦斯含量经实验室脱气与气体分析，利用真空脱气装置，加热至95℃后用真空泵抽出煤样中的气体，然后用气相色谱仪分析气体成分，直到基本上无气体解吸为止。

(3)间接法测定煤层瓦斯压力。煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力，它是煤层瓦斯流动和涌出的基本参数，亦是煤层瓦斯流动的动力，它决定着煤层瓦斯含量与涌出量的大小，当煤的吸附瓦斯能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含的瓦斯量也就越大;而且对于煤与瓦斯突出危险性预测与合理制订防突措施等也起着重要的作用。因此，测定煤层瓦斯压力是十分必要的。

煤层瓦斯压力测定方法有二种，其一为实测法，即利用岩石巷道打穿层钻孔穿透煤层，封孔测定煤层瓦斯压力;其二为间接法，即利用新鲜煤样，测定煤层瓦斯含量，并取煤样在实验室测定煤的孔隙率、吸附等温线等并进行煤的工业分析，然后用郎格缪尔方程反推煤层瓦斯压力。

根据马家坡隧道布置、煤层揭露、打钻施工技术及地质因素等实际情况，暂不具备直接测定煤层瓦斯压力的条件，因此本次测定工作面煤层瓦斯压力采用间接法进行测定。间接法计算煤层瓦斯压力所采用的郎格缪尔公式

式中，X为煤层瓦斯含量;a为煤的吸附常数;b为煤的吸附常数;P为煤层瓦斯压力;Ad为煤中灰分;Mad为煤中水分;K为煤的孔隙率;γ为煤的密度。

3.2 检测结果及瓦斯绝对涌出量的计算

(1)试验检测结果。煤样采集地点位于隧道ZK140+873处，各项试验检测结果分别见表2、表3和表4。

表2 煤样吸附瓦斯试验与工业分析结果

表3 马家坡隧道左线煤层瓦斯含量结果

表4 煤层瓦斯压力间接法测定结果

(2)瓦斯绝对涌出量的计算。隧道瓦斯绝对涌出量瓦斯涌出量q等于实际暴落煤块瓦斯涌出量q1、每天新暴露洞壁煤层瓦斯涌出量q2和喷射混凝土地段洞壁瓦斯涌出量q3三者之和，基本计算参数包括:隧道施工速度为每日开挖3.5 m，喷射混凝土支护起点距开挖面0.5 m，已施做喷射混凝土1 332 m，其中33 m(ZK140+840～ZK140+873)为煤层，1 299 m为岩巷。

经计算，该隧道目前瓦斯涌出总量为2.06 m3/min，其中每天新暴露洞壁煤层瓦斯涌出量为2.03 m3/min，占总量的98.5%，已经施喷混凝土地段洞壁瓦斯溢出量为0.03 m3/min，约占总量的1.5%，暴落煤块的瓦斯涌出量近似为0 m3/min。因此，隧道新开挖段瓦斯的及时排除是控制安全施工的关键。详细计算参数及公式见表5。

表5 隧道瓦斯涌出量计算公式

表5中公式参数:K为喷层瓦斯渗透系数，6×10－10m/min;V为每日进尺，3.5 m;Va为每日开挖循环爆落煤块总体积，5 m3;ρ为煤的密度，1.42 t/m3;W为吨煤瓦斯逸出量，2.75 m3/t;A为每天暴露煤壁面积，56.24 m3;α为衰减系数;λ为煤的透气性系数，12.21 m2/(MPa·d);S为隧道周长，31.08 m;P2为洞内气压，0.094 1 MPa;ρa为瓦斯气体密度，0.716 kg/m3;Δ为喷层厚，0.24 m;P0为瓦斯初始压力，0.18 MPa;α1－α/2=0.03。