发耳隧道揭煤防突技术

徐文平，宋聚勇，黄长国，李秋林

(1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037;3.贵州路桥集团有限公司，贵州贵阳 550001)

0 引言

在国内以往的瓦斯隧道工程中，揭煤防突程序一般按照煤炭系统《防治煤与瓦斯突出细则》中石门揭煤的相关规定来设计，揭煤防突措施主要以局部防突措施为主，如六沾铁路乌蒙山一号隧道和广邻高速华蓥山隧道等。在以往的相关研究中:文献［1］基于现有施工规范介绍了铁路瓦斯隧道施工工艺流程，并对规范不明确内容进行了分析和探讨;文献［2］总结了华蓥山隧道东口右线揭穿和通过煤层的施工技术;文献［3］介绍了六沾铁路乌蒙山一号隧道的超前地质预报、瓦斯突出预测、揭煤防突工艺和关键技术;文献［4］针对高速铁路大断面的特点，介绍了沪昆客运专线刘家庄隧道施工关键技术;文献［5］介绍了梅岭关高瓦斯隧道施工过程中的瓦斯预报、检测与监控、通风、机械和供电等环节的关键技术;文献［6］介绍了兰渝铁路肖家梁隧道快速施工设备配套以及施工机械的防爆改装技术;文献［7］介绍了以瓦斯涌出量、煤层瓦斯压力和瓦斯含量为依据对马家坡隧道瓦斯等级进行判定的方法。随着我国煤矿领域防突技术的发展及装备的进步，国家安全监察局2009年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出规定》中2个“四位一体”的措施体系代表目前国内最先进的防突理念。本文通过引入这一措施体系，按照“区域措施先行，局部措施补充”的指导思想，制定发耳隧道揭煤防突措施，摸索出一套适合公路瓦斯突出隧道的揭煤防突施工技术。

1 工程概况

贵州省水盘高速公路发耳隧道为一座上下行分离的4车道高速公路长隧道，左线长2 064 m(ZK22+413～ZK24+477)，右线长 2 099 m(YK22+385～YK24+484)。隧道地处发耳矿区，并贯穿发耳矿区的煤系地层，设计预计穿越17层煤，实际穿越14层煤(全洞穿越煤层)，煤层倾角为0°～16°。发耳隧道围岩为Ⅳ级和Ⅴ级，属高瓦斯煤层地段，最大埋深210.47 m。Ⅳ级围岩地段开挖宽度为12.72 m，高度为10.06 m，开挖面积为104.1 m2;Ⅴ级围岩地段开挖宽度为13.02 m，高度为10.42 m，开挖面积为110.5 m2。采取双向掘进、上下台阶法施工，爆破开挖。发耳隧道在施工中随时面临瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出两大灾害的发生，施工难度非常大。

2 揭煤防突措施

公路隧道与煤矿巷道相比具有断面大、线路长和通风简单的特点。发耳隧道为煤与瓦斯突出隧道，在穿过煤与瓦斯突出煤层时首要面临着瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和围岩稳定性差等危险因素。施工中需要着重解决好防爆、防突等安全问题。目前，公路瓦斯隧道施工尚无相应的技术规范，故参照煤炭系统《防治煤与瓦斯突出规定》［8］、《煤矿安全规程》［9］及《石门揭穿煤与瓦斯突出煤层程序技术条件》［10］等规定和铁路行业规范《铁路瓦斯隧道技术规范》［11］。结合发耳隧道的特点和“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的指导思想，制定了发耳隧道“四位一体”的综合防突措施，如图1所示。

3 区域综合防突措施

3.1 区域突出危险性预测

发耳隧道区域预测分为施工前的工区瓦斯等级划分和施工过程中的区域预测。施工前的工区瓦斯等级划分主要依据隧道地勘资料和发耳矿区瓦斯地质资料进行;施工过程中的区域预测为施工超前探孔实测预揭煤层原始瓦斯压力或瓦斯含量。

3.1.1 工区瓦斯等级划分

根据发耳隧道详勘地质资料，发耳隧道穿越煤系地层为二叠系上统大隆组。地勘钻孔埋深170 m，最大瓦斯含量为8.63 m3/t，超过文献［8］区域预测指标临界值，表明具有煤与瓦斯突出危险。根据发耳矿区瓦斯赋存地质资料，发耳矿区瓦斯风化带深度为80 m，发耳隧道进出口段埋深低于80 m区段划分为不具有突出危险区域。据此，将发耳隧道划分为瓦斯工区和高瓦斯突出工区，如图2所示。

图1 发耳隧道揭煤综合防突措施Fig.1 Comprehensive coal and gas outburst prevention technology adopted for Fa’er highway tunnel

3.1.2 区域预测

发耳隧道区域突出危险性预测在距离煤层最小法向距离10 m前实施。结合现场的实际情况，进口测量采用瓦斯压力法，出口测量采用瓦斯含量直接测定法。进口方向底板揭煤时，在开挖工作面上台阶布置4个深度为30～70 m的预测钻孔，分别位于隧道上、中和左右部位。进口方向区域预测钻孔布置如图3所示。出口方向顶板揭煤时，在开挖工作面上台阶布置4个深度为30～70 m的预测钻孔，分别位于隧道下、中和左右部位。出口方向区域预测钻孔布置如图4所示。当所测煤层瓦斯压力超过0.74 MPa或者煤层瓦斯含量超过8 m3/t，则煤层具有突出危险性，否则煤层不具有突出危险性。

图2 发耳隧道瓦斯工区划分(单位:m)Fig.2 Division of gas working lots of Fa’er highway tunnel(m)

经过区域预测，发耳隧道进口左线第4层煤原始瓦斯压力达0.78 MPa，第5层煤原始瓦斯压力达0.76 MPa，出口右线第9层煤瓦斯含量为10.434 m3/t，出口左线第9层煤瓦斯含量为11.025 m3/t。区域预测为有突出危险，须实施区域防突措施。

3.2 区域防突措施

发耳隧道区域防突措施采用预抽煤层瓦斯。根据隧道穿越煤层瓦斯情况，进出口各建一个小型地面固定瓦斯抽放泵站。由于发耳隧道具有开挖断面大、煤层倾角缓和揭煤距离长的特点，进口分2轮抽放瓦斯。第1轮钻孔控制前方75 m，预留15 m超前距离施工第2轮穿层钻孔，第2轮钻孔控制前方95 m，预留15 m超前距离刚好控制完隧道前方上台阶以上煤层，如图5所示。对于剩下部分下台阶未揭煤层则不用采取措施，这是因为上台阶的超前掘进为下台阶煤层进行了保护层开采，从而节省了抽放工程量和时间。出口也分2轮抽放瓦斯，第1轮穿层钻孔控制前方130 m，预留15 m超前距离施工第2轮抽放瓦斯，如图6所示。发耳隧道进出口一共实施了6次区域防突措施，使用ZDY－1250型液压钻机施工抽放钻孔，抽放钻孔孔径为75 mm。当钻孔施工完毕后，立即埋入PVC封孔管，并用棉纱和马力散封孔，封孔深度一般为8 m，封孔完毕后立即接入总管路抽放。

3.3 区域措施效果检验

发耳隧道区域措施效果检验指标主要包括抽放过程中瓦斯累计抽采率和残余瓦斯含量。抽放过程中每天计量抽出瓦斯量，当累计抽采率大于30%时，由隧道揭煤工作面向煤层的适当位置打2～5个钻孔测定煤层残余瓦斯含量。为了掌握控制范围边缘的抽采效果，要求上部、两侧的3个检验测试点必须有1个位于钻孔控制范围靠边缘部位，即位于边缘线内侧0～2 m。在采取区域预抽煤层瓦斯措施后，当测定的煤层残余瓦斯压力小于8 m3/t时，区域防突措施有效;若测定的残余煤层瓦斯压力大于8 m3/t，则继续延长抽放时间，之后再检验，直到煤层瓦斯压力降到8 m3/t以下。区域措施效果检验应分段实施，隧道进口方向和出口方向区域防突措施效果检验钻孔布置如图7和图8所示。

3.4 区域验证

发耳隧道区域验证或工作面突出危险性预测采用钻屑瓦斯解吸指标法。在揭煤工作面距离煤层最小法向距离5 m前向隧道所揭煤层的适当位置打4个钻孔，并采用WTC型钻屑瓦斯解吸仪测定煤层的钻屑瓦斯解吸指标。由于煤层倾角较小，采取渐近式工作面预测，即在最小法向距离5，3，1.5 m处施工预测钻孔，然后揭开煤层。当从进口方向底板揭煤时，预测钻孔分别位于隧道上、中和左右部位。进口区域验证钻孔布置如图9所示。出口区域验证钻孔布置如图10所示。揭开煤层后的过煤门距离较长，采用煤巷掘进突出预测方法，即在掌子面左、中、右布置3个10 m深的顺层钻孔，按照钻屑瓦斯指标测定方法测定K1值和钻屑量S。当指标低于临界值时实施远距离放炮掘进，直至整个隧道过完煤层。

4 局部综合防突措施

4.1 工作面防突措施

经过大范围实施区域措施之后，隧道所揭煤层中的瓦斯含量已大大降低，但也存在煤层赋存发生变化地段区域措施不到位的情况，故在区域验证或工作面突出危险性预测有危险地段采取工作面防突措施。考虑到前方煤体在大量抽放瓦斯后煤层比较松软，再次施工抽放瓦斯难度较大，因而在工作面防突措施中主要采取排放措施。

施工中采用上、下部分开排放的方法:先排放上台阶瓦斯，为上台阶开挖创造条件;再在上台阶底板进行下台阶瓦斯排放，消除下台阶施工时突出危险性。这样，有利于上下台阶施工的时间差来充分排放瓦斯。在施工下半部排放孔时，可用多台钻机同时施工，进度快，且排放孔施工可以与其他工序平行作业，节省时间。上半部排放范围为:拱部7 m，左右两侧各5 m，底部3 m(有长锚杆的部位不小于6 m，以减少锚杆钻孔瓦斯逸出)。下半部排放范围为:左右两侧各5 m，底部2 m。瓦斯排放半径为1 m。隧道上半部排放钻孔布置如图11所示。在施工下半部排放孔时，在上台阶底部钻孔，孔距1 m，每排钻孔连线应与煤层走向平行，排放孔的倾角尽量与煤层的视倾角相等，一般不宜大于70°，以利排渣。隧道施工下半部瓦斯排放孔布置如图12所示。

4.2 工作面防突措施效果检验

在揭煤工作面采取防突措施后，采用钻屑指标检验措施效果。检验钻孔布置参考工作面预测钻孔布置方式。进口左线在里程ZK23+140和ZK23+185由于局部小型构造导致煤层赋存变化，工作面预测K1值为0.6，后实施了工作面防突措施，经过7 d左右排放后进行效果检验，K1值降至0.2左右，工作面防突措施均一次性检验有效。

4.3 安全防护措施

在实行了区域和局部2次防突措施之后，煤层突出危险已基本消除。考虑到隧道断面大、围岩差的现状，采取了远距离放炮、加强支护和监测监控等安全防护措施。远距离放炮措施是按照《煤矿安全规程》要求装药后人员撤至隧道外实施洞外起爆。加强支护包括隧道开挖放炮之前的超前支护和开挖掘进之后的后期支护。超前支护分为隧道洞口长管棚支护、Ⅳ级高瓦斯煤层地段的超前锚杆支护、Ⅴ级高瓦斯煤层地段的超前小导管支护;后期支护运用新奥法原理，采用复合式衬砌，分为初期支护和二次衬砌［12－13］。另外，当所揭突出煤层及四周围岩特别松软、破碎时，设计还应考虑采取固化措施来提高隧道揭煤工作面四周煤(岩)体的强度，支护方式如图13所示。监测监控措施包括在隧道进、出口分别安装一套独立的KJ90NB瓦斯监控系统，配置瓦斯传感器、风速传感器和开停传感器，分别监测掘进工作面和回风流瓦斯体积分数、风速及风机开停状态。当瓦斯体积分数＞1%时报警，并且断电，停止隧道内的一切用电作业，立即撤出全部作业人员。当瓦斯体积分数＜1%时，恢复送电。

5 实施效果

发耳隧道在采取了有效的区域防突措施后，减少了局部防突措施的次数，从而提高了隧道揭煤的效率和安全性。从2010年9月进场到2012年4月5日隧道双线安全贯通的18个月的时间里，共顺利揭开煤层8层次，进口左右线、出口左右线共4个掌子面累计掘进1 172 m，其中左线掘进638 m，右线掘进534 m，比计划完成时间提前了半年，实现零瓦斯事故，取得了较好的安全和经济效益，为国内公路瓦斯突出隧道施工积累了宝贵经验。

图13 揭煤过程中加强支护锚索布置图Fig.13 Layout of anchor-cable support for tunnel in the process of cutting through coal seams

6 结论与讨论

1)揭突出煤层前应编制隧道揭煤防突专项设计和施工组织设计，指导揭煤过程。

2)公路瓦斯突出隧道施工前需聘请有资质单位对所揭煤层进行煤与瓦斯突出危险性鉴定或预测，掌握所揭煤层突出危险的实际情况。

3)实施区域瓦斯抽放措施前需对抽放钻孔终孔间距进行考察，合理控制抽放钻孔终孔间距对钻孔施工数量、施工时间及抽放效果具有关键影响。

4)施工中洞内设施应严格防爆，对于容易积聚瓦斯的二次衬砌台车及加宽带应加强通风和瓦斯检查，防止瓦斯燃烧和爆炸事故的发生。

5)煤炭系统《防治煤与瓦斯突出规定》中规定的控制范围仅针对断面较小的煤矿巷道，而对于断面远大于煤矿巷道的公路隧道是否适用还需进一步探索和研究。

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