公路隧道施工中瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测

2015-02-20赖伟清

四川水利 2015年3期

关键词：煤系掌子面瓦斯

赖伟清，梁勇

(中国水利水电第五工程有限公司，成都，610066)

公路隧道施工中瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测

赖伟清，梁勇

(中国水利水电第五工程有限公司，成都，610066)

本文在总结现有隧道地质超前预报技术和煤矿瓦斯突出参数测定技术的基础上，结合玉蟾山隧道隧址区内瓦斯地质特点，选用合适的分析、预报、检测方法，建立了一套能够适用于多数高瓦斯隧道施工超前地质预报及瓦斯突出风险预测的体系方案，为类似高瓦斯隧道施工中的瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测提供一种综合的方法。

公路隧道瓦斯超前地质预报瓦斯超前探测瓦斯突出风险预测

1 隧道瓦斯预测预报流程

笔者在总结隧道地质超前预报技术和煤矿瓦斯突出参数测定技术的基础上，结合玉蟾山隧道勘查和设计资料提供的地质水文情况，选用合适的分析、预报、检测方法，建立了一套能够适用于多数高瓦斯隧道施工超前地质预报及瓦斯突出风险预测的体系方案。其流程如图1所示。

图1 隧道施工中瓦斯超前地质预报

2 隧道瓦斯超前地质预报

在瓦斯隧道施工中应遵循“动态设计、动态施工、先判断后处理”的原则，从瓦斯地质的超前预报入手，对隧道施工区域内的瓦斯赋存情况有了比较充分的了解后，才能做到有效的控制。

地质超前预报主要有地质分析法、物理探测法、超前钻探法及前两种方法综合的地质物探综合法。

2.1 地质分析法

地质分析法有公式预测法和地质素描法。公式预测法是根据地表、节理和断层等通过公式直接超前预测；地质素描分析是根据开挖面的地质分析预测前方的地质状况，地质素描分析是隧道施工中常用的地质分析法。玉蟾山隧道瓦斯地质超前预报过程中，采用的就是地质素描法，这里给予简要介绍。

采取用质素描法对瓦斯地质进行分析时，由专业的地质人员对隧道开挖过程中每个循环掌子面的岩体特性、煤层(煤线)出露情况、地下水赋存情况等地质特征详细地编录并绘制地质素描图，结合勘察设计地质资料，对掌子面前方的地质情况进行预测。主要从以下几个方面进行分析：

做好洞内地层、岩性的划分和描述；核对包括煤系地层、采空区等主要地质界限在洞身的实际位置；进一步确定煤系地层、含煤(煤线)地层、采空区的位置、产状。

对掌子面及洞壁岩体和开挖渣体的岩性进行定性和定量分析和量测，查明地层富水程度，尤其在遇到煤系地层、含煤(煤线)地层、采空区时，须更加细致地查明瓦斯赋存情况及采空回填区内充体的工程特性，了解和预判开挖段瓦斯赋存情况。

对煤系地层、含煤(煤线)地层、采空区等重点地段，在岩体产状、主要结构面(断层、层理及节理、裂隙等)产状、性质、延伸长度等进行定量量测的基础上，进行统计和定性分析。并分析岩体产状和优势结构面控制下，掌子面前方煤系地层、含煤(煤线)地层、采空区等的位置和部位。

2.2 物理探测法

物理探测法有地震波法、地质雷达探测法、红外探测法等。这里以玉蟾山隧道瓦斯地质超前预报过程中主要采用的TGP法(地震波法中的一种)为例进行介绍。

TGP法地质超前预报工作原理，是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到波阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象。这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。

瓦斯赋存区域和部位的预报是通过探测，在了解掌子面前方岩体产状、主要结构面(断层、层理及节理、裂隙等)产状，尤其是煤系地层、含煤(煤线)地层、采空区等的位置和部位等地质情况的基础上，根据瓦斯赋存地质条件和特点进行推测而得出的。因此，要比较准确地预测出瓦斯的赋存区域和部位，就必须准确地对掌子面前方地质情况做出预报。因此，瓦斯地质预报的难度更大，对精度的要求更高。

与普通隧道地质超前预报相比，瓦斯地质超前预报有以下特点：

(1)瓦斯作为比重小的气体,见缝就钻、见隙就溢,并且溢出的时间及部位均表现出明显的随机性，因此，即便地质预报的准确度很高，也只能推测出瓦斯可能存在的区域和部位，但是否一定存在瓦斯，瓦斯浓度的大小是多少，则需要进一步探测和检测才能确定；

(2)瓦斯易燃、易爆的特点要求瓦斯地质预报现场探测前，要有专门的瓦斯检查员对整个隧道易积聚瓦斯的部位进行全面检测，确保隧道内各个部位瓦斯浓度为零。在现场探测前和探测过程中，隧道内要进行充分、持续的通风，预报工作人员禁止携带易燃、易爆设备。

2.3 超前钻探法

地质分析和超前物探预测为富含瓦斯段进行超全钻探，辅以探孔口的瓦斯浓度监测，以进一步确认和验证。

2.3.1 超前探孔的施做

瓦斯超前探孔分为验证孔和定位孔两种，由施工方根据设计文件要求和现场地质分析和超前物探的需要进行钻探(要求采用湿钻)。钻孔过程中由地质工程师全程进行观察，由瓦斯检测员进行瓦斯浓度监测，并现场记录打钻动力现象和孔口瓦斯浓度变化，以收集和掌握判断前方地质情况的现场第一手资料。

(1)验证孔。在距预测瓦斯位置20m～30m垂距处的工作面中部(可根据现场实际情况调整部位)打30m深的超前验证孔(一般用φ89mm)，每一循环搭接5m以上，以对瓦斯赋存位置进行验证和定位；

(2)定位孔。在距瓦斯富集带10m垂距处的隧道上台阶掌子面，按设计要求孔位和角度施做探测孔，以准确探测开挖工作面前方上部及左右瓦斯富集位置。

2.3.2 超前探孔施做过程中的监测

在所有瓦斯超前探孔施做时，地质工程师对钻孔过程中的瓦斯、煤浆、煤粉、水从钻孔中喷出(喷孔、喷水)或高压瓦斯将钻杆向外推(顶钻)、夹钻、抱钻、顶水等打钻动力现象进行观察并记录，每钻进2m瓦斯检测员用光学瓦检仪对孔口瓦斯浓度进行检测并如实记录。

3 隧道高瓦斯段瓦斯突出风险预测

瓦斯地质超前预报确定为高瓦斯地层段，须进行瓦斯突出风险预测，充分利用超前探孔进一步进行相关指标的检测来预测。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120-2002)要求，瓦斯突出危险性预测应从①瓦斯压力法；②综合指标法；③钻屑指标法；④钻孔瓦斯涌出初速度法；⑤“R”指标法等5种方法中选用两种方法，相互印证。这里以玉蟾山隧道瓦斯突出危险性预测所采用的钻孔瓦斯涌出初速度法和瓦斯压力法为例进行介绍。

3.1 超前探孔内瓦斯涌出初速度Q的测定

瓦斯涌出初速度的测定，目前常采用ZWC-1型瓦斯q值测定仪。根据国内外专家证实，当打眼结束后2min时，瓦斯涌出流量可达到最大值。因此，测定钻孔瓦斯涌出初速度时，封孔测定工作必须在2min内完成，读数时间在打眼后2min进行较为理想。测定操作过程需注意以下几点：

(1)超前探孔打到预定深度后，将孔中钻屑排净，立即将钻杆拉出钻孔；

(2)用封孔器的排气管将封孔器送到钻孔预定位置，前方留出一定的测量气室长度(0.5m，1m)；

(3)用打气筒向封孔器充气，使表压力达到0.2MPa左右；

(4)将ZWC-1型瓦斯q值测定仪与排气管连接；

(前述四项工作要求在2min内完成。)

(5)观察流量计读数约3min，待流量计稳定时读取最高流量值；

(6)在测定流量之前，要预先估计所测流量的大小，以便选取合适的量程；

(7)当钻孔中煤粉排不净时，在推拉封孔器的过程中会造成封孔器前端堵塞，测不出流量，此时可用打气筒向排气管中充气，吹开堵塞的煤粉，再测定流量，但时间不得过长。

3.2 超前探孔内瓦斯压力P的测定

瓦斯压力测定的关键步骤是封孔，封孔是否严密决定着测出的压力是否为孔内瓦斯压力的真实值。目前常采用ACW-1型瓦斯压力测定仪进行测定。它的封孔测压原理是用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表测定瓦斯压力。这种测压方法的要点是在测压过程中要始终保持粘液的压力大于瓦斯压力，从而消除瓦斯向外泄漏，能比较准确的测定瓦斯压力。为了缩短测压时间，测压时可向孔内注气，以补偿在打钻和封孔过程中释放的瓦斯量，停止注气后数日，压力表就是所测的瓦斯压力。

3.3 瓦斯突出风险预测指标

对超前探孔口检测到的数据进行整理分析，并结合瓦斯超前预报结果，就可以推断开挖面是否存在瓦斯突出的危险性。在实施超前钻孔时，如遇顶钻或卡钻等现象或者瓦斯压力测试值超过0.74MPa，又或瓦斯涌出初速度超过4L/min，则表明掌子面存在瓦斯突出危险。瓦斯突出危险性的预测指标如表1所示。

表1 瓦斯突出风险预测指标

4 预报预测实例

4.1 工程概况

玉蟾山隧道是国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程中的一段。隧道进出口地形坡度较缓，穿越的地层主要岩性为砂岩、泥质砂岩、泥岩、页岩及灰岩，其轴线与岩层走向近正交。隧道最大埋深约215m，属于低地应力区。

隧址区主要的不良地质现象为煤矿中的的瓦斯及老煤窑采空区，为高瓦斯隧道，2013年5月12日发生瓦斯爆炸事故的桃子沟煤矿就在该区域内。

隧址区穿过三叠系上统须家河组(T3xj)为含煤岩系，煤层均赋存在须家河组五段中，三叠系上统须家河五段(T3xj5)含煤7～12层，总厚1.23m～2.66m，平均1.35m，含煤系数1.8%。

在隧道进洞口附近分布有3处煤矿及其采空区，其中玉蟾山煤矿三胜煤厂及麻柳坝煤矿已停产，堆金湾煤矿现仍在开采。煤矿收集到的相关瓦斯资料显示，金湾煤矿瓦斯绝对涌出量为3.79m3/min，相对瓦斯涌出量为38.851m3/t，为高瓦斯矿井。详勘工作对玉蟾山隧址区内煤地层进行的瓦斯压力测定结果为0.78MPa，结合收集的堆金湾煤矿瓦斯资料，判断隧道穿越煤层为高瓦斯煤系地层。

由区域资料显示，隧址区主要的瓦斯煤层为龙骨炭煤层，在施工中，瓦斯突出的可能性大，在开挖前须做好瓦斯超前预报及探测。并在高瓦斯区段做好瓦斯突出风险预测，为在施工中采取相应的瓦斯防治措施提供技术支持。

4.2 超前地质预报及瓦斯突出风险

玉蟾山隧道进口右线开挖至YK1852+930m后掌子面有煤线出露，参考之前开挖的约10m范围内掌子面和洞壁地质素描情况，结合区域相关地质资料和洞口地表纵向方向约YK1852+935m处，调查到有已回填的老煤窑洞口，推断隧道开挖已进入煤系地层段。在YK1852+936m掌子面安排物探对前方瓦斯地质情况进行探测，物探结果表明，掌子面前方25m范围内岩性以强风化泥岩、泥质砂岩为主，岩体呈典型镶嵌碎裂状结构，岩层层间结合差，岩体破碎，节理间多泥质充填。受隧道埋深浅的影响，岩体表面风化裂隙十分发育。结合地表调查发现上覆泥土层在2m～4m之间，预测掌子面前方已进入煤系地层，且具备赋存瓦斯的地质条件，但在地表覆盖厚度有限、裂隙较发育且气密性不高的地质条件下，瓦斯储存在岩(煤)层的可能性较小，建议在设计煤系地层开始桩号YK1852+940m的基础上提前4m，从YK1852+936m掌子面开始按设计要求打超前探孔进行瓦斯检测。超前探孔施做过程中，没有观察到异常的打钻动力现象且孔口数次检测到的瓦斯浓度极低，均未超过0.2%。由此瓦斯地质超前预报工作推测，在YK1852+936m掌子面前方25m范围内有出现，但瓦斯赋存量和瓦斯浓度不会很高，也没有必要对掌子面瓦斯突出危险性进行进一步的预测。后续在对YK1852+936m～YK1852+961m段开挖过程中，在YK1852+947m～YK1852+952m段开挖出一直径约2m的老煤窑回填体在整个开挖过程中监测到的瓦斯浓度都比较低。监测的结果验证了瓦斯地质超前预报工作的准确性。

从瓦斯地质超前预报结果和后续开挖结果表明，隧道右线从YK1852+936m掌子面进入煤系地层段，直至开挖至YK1852+990m时依然在煤系地层段内。随着隧道埋深的加大，加之从YK1852+990m开始地表覆土层明显增厚，结合物探结果，预测YK1852+990m掌子面前方地质条件向有利于瓦斯储存的方向发展，瓦斯赋存在岩(煤)层的可能性加大。建议严格按设计要求打超前探孔进行瓦斯检测。在YK1852+992m掌子面打超前探孔过程中没有观察到异常的打钻动力现象，但孔口检测到的瓦斯浓度有增大趋势，成孔后的几天内，孔口瓦斯浓度甚至一度达到10%。因此，安排了对超前探孔孔内瓦斯涌出初速度Q和孔内瓦斯压力P的检测，检测结果为，瓦斯涌出初速度超过1.8L/min，未超过4L/min，瓦斯压力测试值为0.23MPa，也未超过0.74MPa。结合在YK1852+993m掌子面做的物探结果，推测YK1852+993m前方25m范围内不存在瓦斯突出的危险性，但地(煤)层中含有一定量的瓦斯，开挖过程中局部瓦斯浓度可能会较高。建议隧道开挖过程中加强通风和监测，严格按高瓦斯隧道工区施工要求进行施工，避免瓦斯灾害的出现。后续YK1852+993m～+YK1853+018m段施工过程中，施工单位和瓦斯监测方严格按高瓦斯工区要求进行施工，虽在每个开挖循环中，偶尔会在局部监测到瓦斯浓度达到0.20%左右，但在持续地通风条件下，完全满足了安全施工的条件，也表明玉蟾山隧道瓦斯地质超前预报及瓦斯突出风险性预测综合方案是可行的。