煤系地层开挖水库隧洞的工程地质及涌出量分析

纪云静

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

隧道在穿越富含瓦斯的煤系地层时，一旦发生事故就会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。为了尽可能避免风险，有必要对风险的成因进行深入分析。在施工时探明掌子面前方瓦斯的赋存情况，预测瓦斯涌出的可能性、估算瓦斯涌出量，具有十分重要的作用。本文依托柴河水库供水隧洞工程，利用工程地质调查分析瓦斯隧道的工程地质特征，采用多种测试方法获取可靠的隧洞瓦斯参数，并对瓦斯的涌出量进行理论计算，以评估瓦斯对隧道掘进工程的影响，最后提出相关建议以用于工程实践。

1 工程简介

1.1 工程概况

柴河水库供水工程施工四标位于沈阳市沈北新区清水台街道和马刚街道。本段主洞起止桩号S28+550～S42+554，全长14004m。全部采用钻爆方式开挖。隧洞段穿越地貌为侵蚀构造地形—剥蚀隆起低山—圆顶状低山区。地面高程一般在118～150m左右，地表主要为耕地，覆盖层厚度较薄。洞室最大埋深约104m(见图1)。

图1 隧洞地质纵断面

1.2 工程地质条件

本段隧洞穿越的地层岩性主要为白垩系下统九佛堂组地层和晚侏罗世侵入岩地层。主要分布桩号在S34+812～S34+730处。其中②层及④层为主要含煤线和煤层地层，根据岩芯统计其分布高程和厚度(见表1)。

根据测绘及钻探情况，洞室部位桩号S34+700～S34+770段为断层带；断层走向为北东向，倾向南东，倾角约60°左右，属新华夏正断层；断层厚度约10m左右。断层上盘为晚侏罗世侵入岩体；下盘为白垩系下统九佛堂组地层；受断层拉拽影响，钻孔CSK1和CSK2同一对应地层高差约15m左右。断层物质多以糜棱岩化砂岩为主。其中CSK2钻孔29.6～50.3m高程局部夹有厚约50cm的断层泥。断层及其影响带岩芯破碎，多为碎块状。

1.3 主要地质问题

1.3.1 围岩稳定问题

12-B2段桩号S34+690～S34+770，段长80m，洞室围岩位于断层带中，围岩强度低，受地下水影响易泥化，洞室易发生塑性变形；洞室开挖后底板受地下水影响易发生泥化。

1.3.2 有害气体问题

上游掌子面桩号S34+812处出现有害气体，主要为煤系地层即②层和④层为主要含煤线及煤层地层，产生瓦斯气体。根据勘察揭露的地质情况推测，前方开挖桩号约S34+720～S34+812段(长度约92m)为低瓦斯地层。

2 瓦斯对隧道工程危害评价

2.1 隧洞瓦斯基础参数与气体组成成分

2.1.1 煤样工业分析结果

在2-4号支洞控制段主洞上游桩号S34+812前

30m处CSK1钻孔中采集煤样进行工业分析，测定结果见表2。

2.1.2 煤层瓦斯含量计算

对2-4号支洞控制段主洞上游桩号S34+812(上游掌子面距交叉段1440m)前30m处CSK1钻孔采集的煤样进行了煤层瓦斯解吸量的现场测试、损失量的推算以及实验室残存量的测定，得到了CSK1钻孔煤层瓦斯含量(见表3)。

表3 CSK1钻孔瓦斯含量

2.1.3 煤的放散初速度ΔP

2-4号支洞控制段主洞上游掌子面(上游桩号S34+812)中采取煤系地层样品，送实验室进行瓦斯放散初速度ΔP值的测定(见表4)。

表4 瓦斯放散初速度ΔP测定结果

2.2 洞内瓦斯涌出量估算与瓦斯隧洞级别

根据勘察成果，按照《铁路瓦斯隧洞技术规范》TB 10120—2002(J160—2019)中附录L独头坑道瓦斯涌出量的计算：

隧洞瓦斯涌出量q=q1+q2+q3，其中：

a.开挖工作面爆落煤块的瓦斯涌出量q1可按下式(1)计算：

q1=VaρW/1440=0.005(m3/min)

(1)

式中Va——每日开挖爆落煤块体积，m3，根据设计提供开挖断面及勘察揭露煤层分布情况取4m3(每日按开挖2m计算，洞室断面上煤层厚度按0.4m计，洞径按5.2m计，下同)；

ρ——煤的密度，取1.3t/m3；

W——每吨煤块瓦斯溢出量，m3/t，根据基础数据得：W=W0-W′0=2.51-1.113=1.397，m3/t；

W0——原煤瓦斯含量取2.51，m3/t；

W′0——煤块中残存瓦斯量取1.113，m3/t。

b.新暴露煤壁瓦斯涌出量q2可按式(2)计算：

q2=AQ0f(t)=0.048(m3/min)

(2)

式中A——每天新暴露未支护煤壁面积,m3，本次根据设计提供开挖断面及勘察揭露煤层分布情况取3.6m2(每日按开挖2m计算)；

Q0——单位时间单位坑壁面积瓦斯逸出初始强度，可按式(3)计算。

Q0=0.026W0[0.0004(vr)2+0.16]=0.0138(m/min)

(3)

式中vr——煤层挥发份取11.32。

f(t)——时间衰减函数，可按式(4)计算：

f(t)=e-αt=e-0.0496×0.5=0.9755

(4)

式中α——衰减系数，可按式(5)计算。

α=0.0047λ+0.0026=0.0496/d

(5)

式中λ——煤的透气系数，根据钻孔揭露洞室部位煤层，节理裂隙发育，多为碎块状等状态，其煤层透气性较好，综合考虑取10；

t——煤壁暴露时间，按规范可取0.5d。

c.喷射混凝土地段洞壁瓦斯逸出量q3可按照下式(6)计算：

=0.084(m3/min)

(5)

式中V、S——每日按开挖2m计算，断面周长按13.5m计算；

K——喷射混凝土层的瓦斯渗透系数，本次按普通混凝土取6×10-10m/min；

P2——洞内气压按0.1MPa取值；

ρa——瓦斯气体密度取0.716kg/m3；

Δ——喷射混凝土支护厚度本次取0.15m；

P0——瓦斯初始压力，根据掌子面瓦斯逸出情况、钻探过程孔口中无瓦斯气体溢出、洞室部位煤层埋深较浅(80m左右)、上覆岩体受断层影响完整性差；煤科集团沈阳研究院有限公司提供的数据，原煤瓦斯含量为1.46～2.51m3/t，瓦斯含量较小。一般瓦斯风化带中瓦斯初始压力为0.15～0.20MPa，结合上述资料和工程安全综合考虑本次瓦斯初始压力取0.3MPa；

α1——喷射混凝土支护地段瓦斯压力衰减系数，取0.025；

n——坑道内煤巷与半煤半岩巷长度L(考虑已经开挖喷护段逸出，本次采用长度100m)除以每日进尺，取50。

综上所述可知：隧洞瓦斯涌出量q=q1+q2+q3=0.1373(m3/min)。

洞室部位主要为灰黑色 - 黑色粉砂岩、泥岩夹煤层，除煤层煤线外，粉砂岩、泥岩同样含有少量黑色有机质成分，考虑工程安全等因素，建议瓦斯绝对涌出量为0.27(m3/min)。

根据按照《铁路瓦斯隧洞技术规范》(TB 10120—2019)，瓦斯绝对涌出量0.27m3/min<0.5m3/min；隧洞属于低瓦斯隧洞，工区属于低瓦斯工区。由煤科院提供的成果吨煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯压力为0.3MPa；地段等级属二级。瓦斯放散初速度ΔP为2.9～3.2，无瓦斯突出危险。

3 结 论

综上所述，本隧洞属低瓦斯隧洞，工区属于低瓦斯工区，地段等级属二级，无瓦斯突出危险。洞室段穿越含煤地层段桩号约S34+720～S34+812段(长度约92m)，为低瓦斯地层；断层与洞室夹角约50°，洞室穿越断层及影响带宽度约80m，穿越桩号为S34+690～S34+770，洞室围岩类别Ⅴ类，断层带地下水不发育，洞室可能以线流为主。开挖前建议采用适当的超前支护措施，开挖后及时全断面支护，保证洞室稳定性。

建议：施工单位做好超前地质预报，进一步校核穿越瓦斯地层和瓦斯工区类别，超前预报过程中需一名专职瓦斯安全员全过程跟班作业，并做好瓦斯监测记录，钻孔过程中应加强工作面及回风流中瓦斯浓度检测，当工作面瓦斯浓度达到0.5%时，应立即撤出人员，切断电源，加强通风；隧洞掘进过程每循环在拱部打5个、底部打3个钎探做瓦斯探测，钎探深度5m，当钻孔出现不良地质征兆时，可以及时采取处理措施。