玉京山隧道中厚煤层瓦斯抽放技术

彭宇峰， 田 亮， 杨东升， 康湘辉， 黄 泽， 孙云华， 谭 俊

(1. 中铁五局集团第四工程有限责任公司， 广东 韶关 512031； 2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

玉京山隧道中厚煤层瓦斯抽放技术

彭宇峰1， 田 亮2， 杨东升1， 康湘辉1， 黄 泽1， 孙云华1， 谭 俊1

(1. 中铁五局集团第四工程有限责任公司， 广东 韶关 512031； 2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

成贵高铁玉京山隧道进口工区C5煤层为瓦斯突出煤层，为保证隧道施工安全，避免发生瓦斯事故，确定采用穿层网格预抽法进行消突。通过方案比选，确定在平行导坑轮廓线左侧设置钻场，平行导坑与正洞整体一次抽放，并确定瓦斯抽放控制范围、开孔间距及终孔间距。防突流程分为区域防突、局部防突和石门防突3个过程，利用瓦斯解吸指标K1值和瓦斯含量来验证消突效果。根据KJ83N安全监控系统对瓦斯体积分数、风速等的实时监测结果可知，采用双风机独头压入式通风可以满足通风要求。玉京山瓦斯突出隧道通过采用系统的瓦斯抽放技术，消突效果显著，为揭煤和穿越煤系地层施工提供了安全保障。

铁路隧道； 瓦斯抽放； 穿层网格法； 压入式通风； 实时监测

0 引言

针对瓦斯隧道的施工，文献[1-3]根据公路瓦斯隧道规范，开展瓦斯隧道施工技术工业试验并取得良好的应用，而铁路隧道目前仍然采用2002年铁道部颁布的TB 10120—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》，该规范主要参考《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出细则》编制。由于铁路隧道断面大、服务时间长，与煤矿巷道区别较大，其揭煤方式、通风方法、抽放范围、检验指标等参数并不完全适用于铁路瓦斯隧道的现场实际。

针对瓦斯抽放工艺技术，许多工程人员及学者开展了大量研究及实践工作，黄雄军[4]以四川某隧道为例，从超前预报、瓦斯监测、施工通风、安全管理等方面探讨了瓦斯隧道的技术及要点；以天坪隧道为背景，文献 [5-7]介绍了在平行导坑中施工穿层网格式瓦斯集中抽放技术，瓦斯抽放钻孔孔径75 mm，终孔距离4 m，抽排控制范围为顶板及两侧各14 m，底板8 m；新凉风垭隧道[8-11]工程施工采用水力压裂增透技术，极大减少了钻孔数量，钻孔孔径75 mm，间距优化为5 m×5 m，控制范围为隧道轮廓线上下、左右各14 m，顺利穿过9层煤系地层；张忠义[12]详细阐述了斗磨隧道揭煤防突步骤及瓦斯参数测定，确定瓦斯抽放范围为轮廓线外5 m，钻孔孔径90 mm；徐文平等[13]提出区域措施先行、局部措施补充的瓦斯防突思想，合理控制瓦斯抽放范围和瓦斯抽放孔间距；昆明恩甲隧道[14]的揭煤施工强调了准确超前地质预报的重要性；方斗山隧道[15]、圆梁山隧道[16]采用瓦斯解吸指标辅以瓦斯初散速度的方法判定是否具有瓦斯突出危险，其钻孔孔径为90～110 mm，抽放半径为1 m，控制范围为隧道轮廓线上方5 m、左右4 m和底板2 m；乌蒙山1号隧道[17-18]采用巷道式混合通风安全穿越20多个煤系地层，其瓦斯排放半径为75 cm，控制范围为顶板12 m，左右帮12 m，底板6 m。英国、波兰在有突出危险的煤层进行作业时，采用震动放炮的方法；比利时使用大直径超前钻孔；匈牙利则是在煤层内打超前钻孔进行水力冲刷；捷克近几年采用了药壶爆破法，炮眼深约5～8 m。

上述文献仅对常规瓦斯抽放工艺及应用效果进行了一般性叙述，并未考虑设计参数的合理性与影响。本文以中铁五局集团施工的玉京山瓦斯突出隧道为工程背景，针对C5中厚倾斜煤层及鸡窝煤，研究了穿层网格预抽法在玉京山平行导坑、正洞整体一次抽放的工艺流程及参数。根据现场实时监测结果，讨论了煤层透气系数对瓦斯钻孔数量、有效孔深等的影响，并进一步探讨了钻孔参数对瓦斯抽放效果及围岩稳定性的影响，以期为同类工程及相关标准的修订提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

玉京山隧道属于新建成都—贵阳高速铁路客运专线，位于云南省威信县境内，隧道进口里程D3K277+860，出口里程D1K284+164，全长6 304 m，为铁路双线隧道，30‰单面坡，线间距4.6 m。为了加快施工进度，隧道增设玉京山横洞，将隧道划分为玉京山进口工区、横洞工区和玉京山出口工区3部分。

玉京山隧道进口工区C5煤层超前钻孔过程中出现喷孔现象，测得煤层瓦斯含量最高为10.81 m3/t，瓦斯压力为2.42 MPa，瓦斯放散初速度为3.6 kPa，煤的破坏类型为Ⅲ类，判定玉京山隧道C5煤层为瓦斯突出煤层。该隧道为一级风险隧道，岩溶强烈发育且存在瓦斯突出风险，是成贵客运专线的控制性工程之一。

进口工区正洞长2 555 m，包括高瓦斯段71 m，瓦斯突出段439 m，低瓦斯段710 m，如图1所示。正洞右侧35 m设置平行导坑，长2 665 m。正洞揭煤里程为D3K279+061，距离洞口1 201 m；平行导坑揭煤里程为PDK279+090，距离洞口1 230 m。

图1 玉京山隧道进口工区平面图(单位： m)

1.2 工程难点及重点

1) C5煤层为中厚煤层，隧道轴线与煤层斜交，且煤层倾斜，水平穿煤距离较长；

2) 隧道断面较大，围岩条件差，不能像煤矿巷道一样，一次全断面揭露煤体；

3) 瓦斯含量高、压力大，存在极高的瓦斯突出风险；

4) 多次爆破引起煤岩体扰动，裂隙发育，降低围岩稳定性，诱发瓦斯突出的危险性增大；

5) 煤层透气系数低，属于较难抽放煤层，增加了瓦斯抽放时间与难度。

2 煤与瓦斯地质概述

2.1 煤层产状及地质情况

玉京山隧道进口工区主要穿越二叠系长兴组P2C地层和二叠系上统龙潭组P2I地层。P2C段主要为灰岩、泥灰岩夹页岩和煤，煤体为深灰色，厚层状，质硬性脆。P2I段煤层黄铁矿结核很发育，硫分高，顶板多为泥岩、铝土质泥岩、泥质铁质胶结。

在C5煤层法距30 m前，经过5个循环的超前水平钻孔，测得煤层产状及煤样特性。隧道进口工区主要穿越C1、C4、C5、C6、C10煤层，C5煤层为当地主采无烟煤层，平均真厚度2.43 m，水平厚度3.43 m，煤层真倾角37°，与隧道呈52°斜交。穿越C5煤层区域埋深约140 m，如图2所示。C5煤层坚固性系数为0.3，揭煤段围岩为Ⅴ级破碎岩体，节理、含水裂隙发育，岩质较软，围岩整体较差。其他煤层为薄煤层、煤线或鸡窝煤。

图2 C5煤层相对位置(单位： m)

2.2 煤层特性参数

由重庆煤科院测得的隧道正洞C5煤层瓦斯参数见表1，瓦斯含量为8.88～10.81 m3/t，超过《防治煤与瓦斯突出规定》中规定的瓦斯突出临界值(8 m3/t)。通

过反算，正洞C5煤层瓦斯压力为1.20～2.42 MPa，超过规范规定的临界值(0.74 MPa)。根据瓦斯指标及附近煤矿瓦斯突出情况，判定C5煤层具有突出危险性。C5煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数分别为0.001 02 m2/(MPa2·d)和0.126 d-1，认为玉京山隧道C5煤层属于较难抽放煤层。

隧道附近矿区在采掘期间均发生过瓦斯突出事故，最近2起分别是2003年11月15日发生在柳尾坝煤矿和2011年5月17日发生在南风煤矿的瓦斯突出事故。附近2个矿区主采C5煤层瓦斯参数见表2，可以看出C5煤层瓦斯含量、瓦斯压力及放散初速度都远大于临界值。

表1 隧道正洞C5煤层瓦斯参数

表2 附近煤矿C5煤层瓦斯参数

3 瓦斯抽放

3.1 瓦斯抽放方案

3.1.1 防突措施与抽放方法调查

隧道的主要防突措施有： 震动性放炮、多排钻孔排放、管喷支护法、水力冲孔法、超前钻孔法、渐进式防突技术、深孔松动爆破以及平行导坑超前抽排法。

预抽煤层瓦斯是国内外使用较多的方法，但由于我国大部分煤层透气性差，在具备条件的区域常常要考虑采用强化措施增加煤层透气性。目前强化瓦斯抽采的增透措施主要有密集钻孔、深孔预裂爆破、水力冲孔、水力割缝和水力压裂等。

对比分析以上几种增透方法的优劣点可知: 水力措施工艺复杂，技术水平及投入较高，割缝及裂隙发育难以掌握，对于小范围、短期性增透不适用； 密集钻孔容易实施、施工成本及技术要求较低，瓦斯排放网格终孔间距采用2.0 m。

3.1.2 玉京山隧道瓦斯抽放方案

根据工期及现场条件，确定平行导坑与正洞煤层瓦斯整体一次抽放，采用穿层网格法瓦斯抽放技术。在平行导坑PDK279+048～+060段隧道轮廓线左侧开挖12 m×6.2 m×6 m(长×高×深)的钻场，如图3所示。正洞排放孔直径75 mm，设计开孔间距35 cm，终孔间距2.0 m。平行导坑分为掌子面、左帮和右帮3个区域，开孔间距0.5 m，终孔间距2.0 m。抽放孔孔底深入煤层底板长度不小于0.5 m。

考虑到玉京山隧道揭煤断面较大，现场地质构造复杂，煤层突出危险性大，平行导坑揭煤区域为隧道轮廓线外上、左、右帮15 m，底板12 m。预抽钻孔最短为20 m，最长为65.8 m，共计460个钻孔，平均长度约34.7 m，共计15 962 m。

图3 平行导坑钻场示意图

正洞通过钻场施工预抽钻孔，揭煤区域为轮廓线外上、左帮15 m，右帮13 m，底板12 m。共需布置575个钻孔，平均长度为49 m，共计28 175 m。

图4示出平行导坑内开孔布置及瓦斯排放管路连接的现场图片。采用水泥砂浆封孔，封孔长度不小于8 m。瓦斯抽放管之间的相互连接可以采用法兰盘。为确保瓦斯管路的安全可靠和有效运行，按照相关规程的要求，瓦斯抽放系统需安设放水装置、防爆防回火装置、控制流量装置、放空和避雷装置。瓦斯抽放泵置于洞外安全位置，且需要专业的瓦斯抽放管理员记录设备运行情况。

3.2 瓦斯防突流程

严格按照《防治煤与瓦斯突出规定》、《煤矿安全规程》及《铁路瓦斯隧道技术规范》等规范要求开展相应的防突工作，采用“四位一体”措施： 突出危险性预测、具体防突措施实施、防突效果检测和安全防护措施综合使用。包括区域“四位一体”措施和局部“四位一体”措施。

选取瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值2个指标来确定抽放效果。瓦斯含量包括损失瓦斯量与残存瓦斯量，采用地勘钻孔解吸法测定，两者之和相加不超过界限值8 m3/t，则可进入下一循环施工。K1值反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小，采用WTC瓦斯突出参数测试仪确定。干煤样的K1临界值为0.5 cm3/g·min1/2，湿煤样的K1临界值为0.4 cm3/g·min1/2。

图5示出玉京山隧道防突揭煤工艺流程，包括区域防突、局部防突和石门防突3部分。遵循“区域措施先行，局部措施补充”的防突原则，在距煤层法距7 m、5 m和2 m时分别对区域防突效果和局部防突效果进行检验。对于玉京山隧道进口工区C5中厚煤层，详细防突流程如下。

3.2.1 区域防突

在距离煤层法距不小于30 m时，施作超前钻孔，每循环的搭接长度为20 m，基本确定煤层里程及相关参数。

(a) 钻孔布设

(b) 封孔

(c) 抽放孔管路布设

(d) 抽放主管与支管布设

在距离煤层法距不小于10 m时，施作层位钻孔，明确煤层产状及其与隧道的相对位置关系，确定煤层瓦斯参数；同时制定瓦斯抽放方案及布孔参数，施工瓦斯抽放孔，并进行瓦斯抽放。

在距离煤层法距不小于7 m时，施工区域措施校验孔，测定煤层瓦斯含量，如果瓦斯含量低于8 m3/t，则掘进至距离法距5 m；反之则补充抽放孔，延长抽放时间，直至瓦斯含量低于8 m3/t。

图5 防突工艺流程

3.2.2 局部防突

在距离煤层法距不小于5 m时，施工局部措施校验孔，测定煤层瓦斯含量和瓦斯解吸指标K1值，如果瓦斯含量低于8 m3/t且K1值低于0.5 cm3/g·min1/2，则掘进至法距2 m；如果瓦斯含量高于8 m3/t或K1值高于0.5 cm3/g·min1/2，则补充抽放孔，直至瓦斯突出指标降至临界值以下。

3.2.3 石门防突

在距离煤层法距不小于2 m时，施工局部措施校验孔，测定煤层瓦斯解吸指标K1值，如果K1值低于0.5 cm3/g·min1/2，则采取超前加固措施和安全措施，准备揭开煤层；如果K1值高于0.5 cm3/g·min1/2，则补充抽放孔，自然排放直至瓦斯指标低于临界值，然后采取相应措施，揭穿煤层。

3.3 瓦斯抽放效果

平行导坑设计瓦斯抽放量为39 791 m3，从2015年12月1日开始抽排，截至2016年3月9日，平行导坑共计抽放44 296 m3，完成比例约为111.3%；正洞设计瓦斯抽放量为54 079 m3，截至 2016年6月13日，正洞共计抽放61 661 m3，完成比例约为114%。

根据断面形状和施工工艺，布置5～7个检验孔，按照上中下、左中右的布置原则，全面检测断面各处瓦斯参数。由于C5煤层为难抽放煤层，正洞在法距5 m和2 m时K1值超标，需补充抽放孔来增大煤层透气系数。距离平行导坑法距2 m时K1值的测定结果见表3，记录每米钻孔的钻屑解吸指标。可以看出，4#、5#孔指标较高，最大K1值为0.42 cm3/g·min1/2，低于临界值0.5，可以揭开煤层。指标较大的钻孔位于平行导坑与正洞之间，可能处于钻孔布设的盲区或者排放孔较少的位置。所以检测孔布置应多循环且尽量涵盖多的位置、深度，保证消突效果的有效性、准确性。

表3平行导坑瓦斯解吸指标K1值(法距2 m)

Table 3 Values of gas desorption indexK1(vertical distance of 2 m)

4 其他辅助措施

4.1 瓦斯体积分数监测

采用重庆煤科院提供的KJ83N煤矿安全生产监控系统，可以实现瓦斯体积分数、CO体积分数、风速等参数的实时监测工作。

揭煤期间瓦斯体积分数见图6。由图6可知： 在爆破作业或钻孔施工后，瓦斯体积分数普遍升高。平行导坑揭煤从4月6日开始，正常情况下，平行导坑掌子面风流中的瓦斯体积分数为0.06%～0.16%。4月5日至6日，由于一开始揭露煤体面积较小，瓦斯释放量较少，瓦斯体积分数相对较低；随着上下台阶同时揭开煤层，煤体揭露面积增加，4月7日至14日，瓦斯释放量增加，这期间的瓦斯体积分数也达到较高水平，最大值2.61%；4月15日之后，由于新揭露的煤体体量越来越小，前期揭露部分基本喷混凝土封闭，瓦斯体积分数基本在报警值0.5%以下。

对实时瓦斯体积分数监测曲线分析可知，在风速为 0.5～1.0 m/s 时，平行导坑掌子面瓦斯消散到日常稳定体积分数的平均时间约为22 min，满足瓦斯隧道施工要求。

图6 揭煤期间瓦斯体积分数(2016年)

Fig. 6 Values of gas concentration during cutting through coal seam(in 2016)

4.2 施工通风

平行导坑断面23.1 m2，使用2台型号为SDF(C)、功率2×110 kW风机，一台风机接φ1.6 m风筒布，另一台接φ1.2 m风筒布。正常施工时1台供风、1台备用，揭煤期间2台同时供风。由平行导坑瓦斯体积分数监测结果可知，瓦斯抽放后，采用双风机独头压入式通风，可以满足1 200 m瓦斯隧道的通风要求。

进口工区正洞选用2台型号为SDF-No.13轴流风机，功率为2×132 kW (1台备用)，与直径1.8 m螺旋双抗风管匹配。根据在线监测系统数据，满足隧道正洞独头1 200 m瓦斯通风要求。

4.3 隧道变形分析

平行导坑和正洞每5 m布设1个隧道变形监测断面、1条拱顶下沉量测线、2条两帮收敛量测线，测得拱顶下沉量及两帮收敛量，计算得到平均变形速率。通过对揭煤前20 m至过煤后10 m区段各个断面的数据进行分析，可以得出：离煤层越近的断面，其变形量受开挖影响越早，变形越大。非煤区域的隧道帮部收敛量大于拱顶下沉量，拱肩位置收敛量最大；煤层区段的拱顶下沉量偏大，主要是由于帮部煤体松散，隧道潜在跨度增加，导致拱顶下沉量增大。石门前后由于2种岩性不同，存在接触面，受开挖影响，应力重分布导致应力集中，因此石门段必须采取超强支护。总体而言，揭煤期间隧道平行导坑和正洞没有出现较大变形及片帮、冒顶现象。

为保证揭煤的顺利进行，还采取了超前地质预报、加深炮孔、无动火作业、煤矿安全生产实时监控系统等技术措施。高瓦斯及瓦斯突出工区洞内电气设备采用防爆型，所有内燃机械设备进行防爆改装。

5 结论与讨论

通过穿层网格预抽法在玉京山瓦斯突出隧道的成功应用，取得了几点有意义的经验：

1)穿层网格预抽法施工简便、有效，可实现多个煤系地层(包括C5煤层、鸡窝煤、松散煤体)整体一次抽放，避免了单个煤层逐一抽放的重复性施工。

2)借助平行导坑钻场，实现平行导坑和正洞瓦斯抽放一次完成，共用1套抽放系统，保证了各工序平行作业，为正洞的顺利施工节省了大量时间。

3) 采用双风机匹配双抗风管独头压入式通风，可以满足1 200 m大断面瓦斯突出隧道通风要求。

虽然穿层网格预抽法在玉京山隧道揭煤施工中得到了成功应用，但仍有很多地方需要改进：由于该煤层透气系数较低，前期并没有采取相应措施来增加煤层透气系数，仅仅通过密集布孔来实现瓦斯抽放，会造成钻孔工作量偏大，施工时间增长；大量瓦斯抽放孔、校验孔、补充措施孔及加深炮孔等的施作，严重破坏了隧道围岩的整体性，造成掌子面围岩布满钻孔，给后期的爆破掘进造成较大的困难，影响爆破效率。瓦斯抽放范围及参数仍需优化，平行导坑打设至正洞的瓦斯抽放孔深度为49～90 m，在煤体内及围岩破碎带容易塌孔，钻孔抽放的有效深度有待进一步优化，以避免钻孔参数的单一性。

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GasDrainageTechnologyforMedium-thicknessCoalSeaminYujingshanTunnel

PENG Yufeng1, TIAN Liang2, YANG Dongsheng1, KANG Xianghui1, HUANG Ze1, SUN Yunhua1， TAN Jun1

(1.The4thConstructionCo.,Ltd.ofChinaRailwayNo.5EngineeringGroup,Shaoguan512031,Guangdong,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

The coal seam C5 in entrance section of Yujingshan Tunnel on Chengdu-Guiyang High-speed Railway is determined to be risky because of gas outburst. In order to ensure the construction safety and avoid gas accidents, the gas drainage technology of penetrating meshy boreholes is adopted. By comparison among several schemes, the drilling field is set in left side of parallel heading, gas drainage of parallel heading and main tunnel is carried out at the same time and the control range, borehole span and endhole span of gas drainage are decided. The gas outburst elimination includes three parts, i.e. regional outburst prevention, local outburst prevention and rock outburst prevention. The value of the gas desorption indexK1and gas concentration are used to testify the effect of gas outburst elimination. The real-time monitoring results about gas concentration and air velocity based on KJ83N on-line system show that by using deadend forced ventilation with two fans, the air-conditioning requirements can be met. The systematic technology of gas drainage used in Yujingshan Tunnel is successful; and the effect of gas outburst elimination is obvious, so as to guarantee the construction safety of tunnel crossing coal seam.

railway tunnel; gas drainage; penetrating meshy boreholes; forced ventilation; real-time monitoring

2017-05-17;

2017-07-07

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2010YL09)

彭宇峰(1974—)，男，湖南汨罗人，2003年毕业于湖南大学，机械自动化专业，本科，高级工程师，主要从事铁路工程施工及管理方面的工作。E-mail: tonglicz@sohu.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.12.014

U 45

B

2096-4498(2017)12-1600-07