复杂地质构造条件下多煤层区域联合揭煤防突施工技术

朱建伟，刘盛

（中铁隧道集团一处有限公司，重庆401121）

1 引言

随着我国铁路建设的蓬勃发展，近年来，铁路煤层瓦斯突出隧道逐渐增多，由于前期对煤层瓦斯突出隧道施工的认识不足，缺乏足够的防治经验，在工程建设中面临的瓦斯突出等灾害事故问题将越来越严峻。因此，瓦斯突出防治问题是普遍面临的问题，而伴随复杂地质构造条件的突出煤层揭煤防突施工尤为困难，防治煤与瓦斯突出与安全揭煤，是揭煤防突施工中要解决的一大难题。

根据TB 10120—2019《铁路瓦斯隧道施工技术规范》[1]，隧道揭煤防突施工采用区域防突措施先行，工作面防突措施作为补充的综合防突技术措施，该措施安全有效。

由于煤层附近伴随着断层破碎带以及受背斜构造等地质条件影响，给揭煤防突施工带来了困难，因此，很有必要研究在此类复杂地质构造条件下，如何采取有效措施防治煤与瓦斯突出，并且确保安全快速施工。本文通过执行多煤层平导与正洞区域联合揭煤防突施工技术，有效降低复杂地质构造条件下突出煤层的瓦斯含量，减少突出煤层揭煤施工的危险性，解决复杂地质构造条件下多煤层区域防突施工带来的工期影响，验证了执行平导与正洞多煤层区域联合揭煤防突措施的可行性和可靠性。

2 工程概况

鹞子岩隧道位于重庆市北碚区境内，为正线双线隧道，最大埋深330 m，全长4 782 m，线路穿越中梁山山脉，隧道设置辅助坑道平导1 座，位于左线线路中线右侧35 m，全长3 154 m，隧道在正洞DK153+205~DK153+470 和平导PDK153+ 220~PDK153+480 穿越龙潭组第3 段K8、K9 煤层，煤层瓦斯压力高，存在瓦斯突出危险。煤层附近分布观音峡背斜与白庙子断层，由于观音峡背斜与白庙子断层的影响，瓦斯气体易沿着破碎带裂隙溢出，影响范围将进一步扩大。鹞子岩隧道是全线的控制性工程，为I 级高风险隧道。煤层分布示意图如图1 所示。

图1 煤层分布示意图

3 超前地质预报

3.1 综合超前地质预报

为揭煤防突提供依据，并防止误穿煤层和采空区，鹞子岩瓦斯突出段采取地质调查、物探及超前钻探等方法，进行超前地质综合预测预报，进一步查明煤层瓦斯的地质条件，核实和确定煤层和瓦斯具体情况，并进行瓦斯等有毒有害气体超前预测，包括煤层位置、产状、层厚，以及前方地层中瓦斯等有害气体性质、成因、构造影响和浓度、含量、压力等情况及参数[2]。

3.2 突出煤层超前地质钻孔

超前钻孔分3 次实施，且在平导内同步探明平导及正洞前方的地质情况，为正洞施工节约钻孔时间。

1）第一次超前钻孔：当平导施工至距白庙子逆断层法向距离50 m 时，实施第一次超前钻孔，在平导内同时对平导和正洞进行地质钻孔，初步探明平导及正洞断层位置特征及富水情况。

2）第二次超前钻孔：当平导施工至距白庙子逆断层20 m 时，实施第二次超前钻孔，在平导内同时对平导和正洞进行地质钻孔，进一步探明平导及正洞断层位置特征及富水情况，与上循环钻孔搭接10 m。

3）第三次超前钻孔：当平导施工至K9（右上）煤层法向距离50 m 时，实施第三次超前钻孔，在平导内同时对平导和正洞进行地质钻孔，初步探明平导及正洞煤层的位置及分布特征，并通过本项钻孔检测前方地层煤层瓦斯含量、瓦斯压力、煤层坚固系数、煤层瓦斯放散初速度等，与上循环钻孔搭接10 m[3]。

4 区域联合揭煤防突措施

4.1 揭煤防突方案的选择

鹞子岩隧道设计采用平导及正洞分开采取揭煤防突措施的施工方案，按照此方案，正洞施工至煤层位置法向距离10 m再采取揭煤防突措施，需要耗费约5 个月进行预测及瓦斯抽采，严重影响了工期。经研究，利用平导超前正洞施工的条件，缩短正洞揭煤防突时间，通过平导向正洞方向开设区域瓦斯抽采硐室，采取平导和正洞共用一套瓦斯抽放系统，联合执行区域防突措施，分开揭煤的施工方案。先进行平导揭煤施工，待平导穿过煤系地层段后，再进行正洞揭煤施工，严禁平导和正洞同时揭煤，可缩短正洞施工工期约5 个月。

4.2 正洞抽采硐室的布置

4.2.1 正洞抽采硐室周边超前地质钻孔

为防止开挖抽采硐室时误揭煤层，首先在平导右侧边墙PDK153+410 里程处向正洞方向施作6 孔超前地质钻孔，探明正洞抽采硐室周边的地质情况，经探测无煤层及瓦斯突出等不良地质情况后，方可开挖抽采硐室。

4.2.2 抽采硐室开挖

抽采硐室开挖按照横通道的断面进行开挖，与平导夹角为45°[4]，抽采硐室开挖至距离正洞煤层法向距离20 m 位置（即DK153+355），硐室开挖采用全断面法施工，采用三级煤矿许用炸药、煤矿许用毫秒延期电雷管、电力起爆器。初期支护根据围岩情况采用锚网喷进行临时支护。抽采硐室平面布置示意图详见图2。

图2 抽采硐室平面布置示意图

4.3 区域突出危险性预测

4.3.1 区域突出危险性预测钻孔

区域突出危险性预测钻孔平导与正洞同时实施，平导在PDK153+374 执行，共计布置地质钻孔13 孔，其中3 孔取芯。正洞在抽采硐室内执行，因属于同一区域煤层，正洞共计布置地质钻孔3 孔进行补充预测。

钻孔过程中孔口瓦斯浓度最高达到100%，硫化氢浓度最高达到0.05%以上（超出仪器量程）。且现场出现瓦斯喷孔现象，喷孔间隔时间约15~20 s 不等，喷孔距离长达4 m，每次喷孔时均造成工作面风流中瓦斯浓度超限[5]。

4.3.2 煤层瓦斯相关参数测定及判定

根据打设的预测孔安装压力表测定煤层瓦斯压力。每个煤层采用煤芯采取器对该煤层进行取芯采样，装入煤样罐送检进行瓦斯含量等参数的测定。K8、K9 煤层主要参数实测值如表1~表3 所示。

表1 煤层瓦斯压力实测值MPa

表2 煤层瓦斯含量实测值m3/t

表3 煤层瓦斯透气性系数实测值m2（/MPa2·d）

根据测定结果判定，各煤层瓦斯压力均大于0.74 MPa，各煤层瓦斯含量均大于8 m3/t，且钻孔施工过程中存在瓦斯动力及喷孔现象，判定该区域煤层为突出煤层。根据测定的煤层透气性系数均小于0.1 m2/（MPa2·d），K8、K9 煤层均属于较难抽放煤层。

4.4 穿层钻孔联合预抽多煤层瓦斯

4.4.1 穿层钻孔布置及参数

根据区域危险性预测结果，该区域煤层属于突出煤层，需进行瓦斯主动抽排；采取平导与正洞穿层钻孔联合抽排的施工方案，均在距离煤层法向距离10 m 位置实施，穿层钻孔一次性穿透所有煤层，且进入煤层底板不小于0.5 m。穿层钻孔联合预抽多煤层瓦斯钻孔布置图如图3 所示。

图3 穿层钻孔联合预抽多煤层瓦斯钻孔布置图

4.4.2 穿层钻孔抽排范围

考虑煤层地层条件复杂，结合《防治煤与瓦斯突出实施细则》（2019 年版）及TB 10120—2019《铁路瓦斯隧道施工技术规范》等要求，瓦斯抽排范围为顶部及底部开挖轮廓线外顺煤层方向不小于20 m，两侧拱墙开挖轮廓线外顺煤层方向不小于15 m。

4.4.3 钻孔施工

钻机选型及施工方法：选择ZDY-1250 型煤矿用液压坑道钻机，其钻进深度可达200 m，主机外形尺寸（长×宽×高）为2 240 mm×1 020 mm×1 380 mm，钻孔直径 φ75 mm~φ115 mm，施工倾角-90°~+90°，钻杆直径 φ50 mm，电机功率 22 kW，满足瓦斯抽采钻孔施工的需要。

4.4.4 封孔施工

预抽瓦斯钻孔封堵必须严密，穿层钻孔的封孔段长度不得小于5 m。穿层钻孔封孔方法选用水泥砂浆封孔，水泥砂浆采用C40 硅酸盐水泥、砂子与水混合搅拌而成，水泥与砂子的质量比为 1∶2.4~1∶2.5，砂子颗粒直径为 0.5~1.5 mm。

4.4.5 抽排系统的布置

瓦斯抽排在鹞子岩隧道出口平导洞外50 m 处布置瓦斯抽排泵站，瓦斯抽采系统主要由瓦斯抽采泵站，抽采主管道、支管道、阀门、放水器及排放管道、安全装置等组成。瓦斯抽排系统布置图如图4 所示，现场瓦斯抽排照片如图5 所示。

图4 瓦斯抽排系统布置图

图5 现场瓦斯抽排照片

抽排泵站应在抽排钻孔施工前设立、安装并运行，以抽排钻孔施工期间涌出甚至喷出的瓦斯。

采用SPSS17.0对所有数据进行统计学分析处理，各组计量资料结果用（± s）表示，两两比较采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

管路布置：抽排泵接φ200 mm 主管经平导→沿平导→平导抽采钻场以支管和软管、钢管与钻孔相连→在正洞抽排硐室交叉口分支接正洞抽采硐室，以支管和软管、钢管与钻孔相连；抽排管从抽采泵接出后直接排出，将瓦斯排出洞口50 m外，形成抽采管路系统，并于管路低位点设置放水器。

按规定安装各种仪表和传感器，监测瓦斯抽采情况，记录瓦斯抽采数据。

抽排泵站和抽排设备必须有专人负责运行、维护。在区域抽排完毕进行消突效果评价，并经工作面防突效果检验确认抽采有效后才能拆除。

4.5 区域联合防突措施效果检验

4.5.1 消突效果评价

对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验时，均应首先分析、检查预抽区域内钻孔的分布等是否符合设计要求，不符合设计要求的，不予检验。根据瓦斯预抽的抽采指标，瓦斯抽采总量达到原煤瓦斯含量的51.84%。上述2 项工作符合要求后，实施效果检验，检验地点为区域性防突措施的实施地点。

4.5.2 区域防突措施效果检验孔布置

效果检验孔分别位于平导和正洞的防突措施预抽范围上部、中部和两侧，并且至少有1 个检验测试点位于抽排区域内距边缘不大于2 m 的范围；各检验测试点应布置于所在部位钻孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短的位置，并尽可能远离测试点周围的各预抽钻孔或尽可能与周围预抽钻孔保持等距离。

根据超前钻孔和抽排钻孔施工揭露情况，在地质构造复杂区域适当增加检验测试点。钻孔位置应根据探明的地质构造情况调整施工参数或增加钻孔[6]。

4.5.3 区域防突措施效果检验

平导共取K8、K9 煤层煤样49 个，经检验，全部煤样的残余瓦斯含量均小于6 m3/t，且钻孔期间无瓦斯动力现象，防突措施有效，判定各煤层预抽范围内无突出危险，可执行安全防护措施开挖掌子面。

正洞共取K8、K9 煤层煤样60 个，经检验，全部煤样的残余瓦斯含量均小于6 m3/t，且钻孔期间无瓦斯动力现象，防突措施有效，判定各煤层预抽范围内无突出危险，可执行安全防护措施开挖掌子面。

4.6 区域验证

平导先行进行验证及揭煤施工，待平导完全穿过煤层后正洞再进行验证及揭煤施工。严禁平导和正洞同时揭煤。

平导和正洞每揭完一层煤，需分别进行验证，区域验证与工作面防突措施的预测为同一工作步骤，距离各煤层法向距离5 m 及法向距离2 m 的位置进行钻孔验证。

4.6.1 区域验证方法及其临界指标

区域验证方法采用钻屑指标法进行验证，每钻进1 m 测定该1 m 段的全部钻屑量S，每钻进2 m 至少测定一次钻屑瓦斯解吸指标K1或Δh2值。临界指标值为：K1=0.40 ml/(g·min1/2)（湿样）或 0.50 ml/(g·min1/2）（干样）、S=14 kg/m（φ89 mm 孔径）；喷孔、卡钻等异常现象视为超标。

4.6.2 区域验证结果判断

实测得到的S、K1或Δh2的所有测定值均小于临界值，并且未发现其他异常情况，判定该工作面为无突出危险工作面。

通过区域验证不超标，上报审批后浅掘浅进至下一控制岩柱再进行验证，可不采取工作面防突措施。

5 揭煤施工

根据施工组织安排，平导先行进行揭煤施工，待平导完全通过煤层后，正洞掌子面开挖至煤层法向距离5 m 位置，执行区域验证及揭煤施工。平导与正洞不得同时揭煤。

5.1 开挖工法

揭煤前，根据现场的围岩及赋水情况先采取超前注浆加固围岩，防止掌子面出现坍塌引发瓦斯突出。平导采用台阶法开挖揭煤，上台阶先行揭开煤层。正洞采用CRD 法（交叉中隔墙法）开挖揭煤。

5.2 揭煤相关要求

揭煤的相关要求包括：

1）爆破揭煤作业采用煤矿许用炸药，煤矿许用毫秒电雷管，电力起爆，最后一段的延期时间不得大于130 ms。

2）揭煤时，掘进工作面与煤层之间必须保持一定的岩柱，其最小垂厚不小于2 m，根据煤层的倾向，掌子面先进行刷坡处理，保证石门岩柱的厚度一致。

3）放炮时，回风系统内电气设备必须切断电源。

4）工作面必须有独立可靠的回风系统，并保证回风系统中风流畅通。

5）开挖工作面附近20 m 风流中瓦斯浓度必须小于0.5%。

6）必须采用湿式钻孔，炮眼深度不小于0.6 m，炮眼内岩粉清除干净。

6 结论

本文结合工程实例对多煤层区域联合揭煤防突施工技术进行研究，得出以下结论：

1）优化瓦斯突出隧道防突揭煤施工技术，选择合理的防突方案非常重要，对工程的总体工期控制有关键作用。重庆铁路枢纽东环线鹞子岩隧道在瓦斯突出地段存在断层及背斜构造条件下，通过平导向正洞方向设置瓦斯抽排硐室，利用平导超前施工的条件，联合平导提前预抽正洞多煤层瓦斯，鹞子岩隧道总体工期节约5 个月，实现了复杂构造条件下多煤层区域联合防突揭煤施工安全、快速的总体建设目标。

2）采用多煤层穿层钻孔预抽煤层瓦斯施工技术，根据TB 10120—2019《铁路瓦斯隧道施工技术规范》规定，结合现场的复杂构造条件，将抽排范围调整为顶部及底部开挖轮廓线外顺煤层方向不小于20 m，两侧拱墙开挖轮廓线外顺煤层方向不小于15 m。经区域防突措施效果检验，该措施安全可靠，能达到抽排效果。

3）采用在平导提前施作长探孔探测正洞前方断层及煤层分布情况，可为正洞施工提供准确的地质预报资料，节约正洞施作地质超前钻孔的时间。