瓦斯隧道穿越突出煤层安全技术研究

吴 平，武 磊

(1.浙江省高能爆破工程有限公司，杭州 310012；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出易发生在掘进工作面，严重威胁着安全生产，消除突出是实现安全揭煤的关键。《铁路瓦斯隧道技术规范》[1]规定优先采用钻孔排放措施；当钻孔排放瓦斯较困难时，可采用抽放。《防治煤与瓦斯突出细则》[2]建议采用钻孔抽放等措施消除突出。而准确预测穿越煤层风险等级[3-6]、对突出煤层进行防突措施选择及搭建风险评价体系是实现隧道安全揭煤的前提[7]，是指导瓦斯隧道安全施工、文明施工及合理安排施工布置的重要参考依据。由于煤与瓦斯突出机理目前尚未完全清晰，不同区域地质条件、煤层赋存条件差异性较大，复杂条件会对预测技术的准确性产生不利影响。本文通过测定煤层瓦斯含量及钻屑瓦斯解吸指标参数，对C5煤层准确预测风险等级、对C5突出煤层进行防突措施选择及搭建风险评价体系，实现安全揭穿煤层，为隧道穿越突出煤层风险评判体系的完善提供数据支撑和实践依据。

1 工程概况

云南省昭泸高速坪上隧道位于镇雄县，左线全长5976m，设计路面标高1378.93～1415.7m；右线全长5997m，设计路面标高1378.5～1415.7m，为单向下坡；该隧道埋深处最大约622m，属特长隧道。根据设计资料，隧道左线ZK32+462～ZK32+786、ZK35+863～ZK36+429段落及右线K32+475～K32+787、K35+877～K36+450段落设计为高瓦斯工区段；其余段落为低瓦斯区段。隧道穿越含煤地层(1～5层)；根据周边矿井资料，其中C5煤层初步判定有突出危险性。

隧道进口端左洞掌子面掘进至ZK32+753.8里程处，右洞掌子面掘进至K32+749.8里程处；施做前探钻孔揭示，隧道掌子面掘进前方有一层约2.5m厚的煤层赋存，根据工程地质详勘报告所述煤层厚度、煤层的层位关系等综合分析，判定该煤层为C5煤层。

2 煤层预测技术的确定

根据对隧道相关管理人员的访谈及现场实际勘察，C5煤层待预测范围内未发现大的断裂和褶曲构造；煤层厚度约2.0～2.8m，平均厚度2.5m，倾角22°；煤层厚度相对稳定，煤层顶板为泥岩，底板为泥质粉砂岩，煤层顶、底板岩性较稳定，变化不大。根据隧道地质平面图及地质纵断面图分析，本次待预测区域煤层埋深约220m，处于瓦斯风化带之外；据对镇雄县煤与瓦斯突出情况的调研，隧址区相邻矿井C5煤层未发生过瓦斯突出动力现象，但按突出煤层管理。

煤层瓦斯压力、含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值是直接反映煤层瓦斯赋存条件的重要基本指标。实践中煤层瓦斯含量和K1测定周期短，瓦斯含量测定分析一般24h左右，K1测定现场即可得出结果。隧道和煤层的空间关系、保护岩柱的距离，特别是隧道一次爆破装药量多，对围岩的破坏影响较大；卸压范围不确定等现场条件，严重影响封孔质量，对测压数据干扰较大。

综上，结合隧道地质条件、施工进度、工期要求及现行的技术条件、运用指标，为提高C5煤层预测方法的准确性，对C5煤层煤与瓦斯突出危险性预测构建多参数指标综合评价体系；该体系主要包括评价单元的划分、瓦斯含量指标、钻屑瓦斯解吸指标等，即对C5煤层的预测范围进行合理取样，采用瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标K1值作为现场实测的综合预测指标。

3 突出煤层防突措施选择

实测C5煤层具有煤与瓦斯突出危险性；由于隧道断面大，揭煤风险高，对于突出高风险隧道揭煤作业，实现整体降低掌子面区域范围煤层突出风险，为掘进提供安全保障，防突措施的选择是关键。降低煤层瓦斯含量是减弱煤层突出风险的有效手段，通常采用钻孔瓦斯抽放或排放实现降低煤层瓦斯含量。瓦斯排放优点为直接在掌子面施工排放钻孔，不需要建立临时抽放系统，缺点是在自然压力作用下排放在隧道内；瓦斯排放时间长，回风瓦斯浓度大，排放期间其它工序必须停止作业，严重影响隧道施工进度，不利于隧道的安全和进度要求。瓦斯抽放优点为利用抽放设备，通过机械作用直接抽取煤层瓦斯排出洞外，对洞内的安全施工影响较小。瓦斯抽放不仅降低隧道瓦斯涌出量，还能防止瓦斯洞内积聚发生意外燃烧和爆炸；此外，瓦斯抽放达标时间短、效果好，抽放期间不影响其它工序施工等。结合坪上隧道的实际情况及煤层赋存条件综合分析，项目部优先抽放措施作为C5煤层的防突措施。

4 隧道揭煤程序的建立

首先对设计中探明的C5煤层进行精准标定方位、煤层参数测定，根据实测煤层参数进行突出危险性评价；其次，结合隧道实际情况分析，对于C5突出煤层严格执行防突措施，并首选瓦斯抽放防突措施，然后根据残余瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标K1值及动力现象进行效果检验，消除突出危险后，掘进至距离煤层法距5m和2m处再次进行掌子面预测和揭煤前验证；最后，预测无危险后，在具备安全措施的前提下进行掘进，确保施工安全。

5 隧道揭煤实践

5.1 预测参数的测定

为实现预测精细化，在进行参数测定前，需对隧道内不同地点进行评价单元划分，根据隧道开挖空间和煤层赋存条件，对钻孔进行合理布置参数。

依据地质条件分析及隧道左右洞间距关系(约25m)，判断隧道进口端左右洞穿越C5煤层段属于同一地质单元，可划分为同一评价单位。针对隧道左右洞煤层的不同位置，结合掌子面实际情况，同时在隧道开挖掌子面左右洞布置钻孔，左洞布置4个钻孔，右洞布置2个钻孔，共布置6个钻孔，钻孔布置参数见表1所示；布置图见图1所示。

表1 C5煤层预测钻孔布置参数表

图1 C5煤层预测钻孔布置图

施工期间严格按照设计钻孔参数进行施工，依据《防治煤与瓦斯突出细则》对隧道穿越C5煤层直接测煤层的瓦斯含量，现场采集新鲜的各钻孔煤样进行瓦斯含量测定；对隧道穿越C5煤层直接测定掌子面钻屑瓦斯解吸指标K1值，采用定点取样装置采集样品。隧道进口端左右洞掌子面C5煤层瓦斯参数测试结果如表2所示。

5.2 预测结果评价

从表2现场数据可以看出，原始瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标实测最大值均超过《防治煤与瓦斯突出细则》推荐临界值，说明现场实测方法有效，误差较小，各预测结果准确可靠。

表2 C5煤层瓦斯参数实测值

隧道进口端无较大地质构造，该区域内地质构造简单，煤层赋存稳定，无断层发育，处于同一地质单元内。隧道实测C5煤层瓦斯含量最大值为9.4618m3/t，进口端左洞ZK32+753.8掌子面及右洞K32+749.8掌子面测定的钻屑解吸指标K1最大值为0.55mL/(g·min1/2)，掘进期间现场实测掌子面最大瓦斯浓度约为0.32%，风量约为2000m3/min，最大绝对瓦斯涌出量为6.4m3/min，瓦斯含量高，瓦斯涌出量大。本次实测的瓦斯突出参数指标和隧道掘进过程中瓦斯涌出量高的情况相符。

煤层瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值的测定是对煤层赋存特征的不同体现，是隧道揭煤突出危险性预测的综合指标，为隧道穿越煤层预测提供技术依据。因此，C5煤层实测瓦斯参数为该区域瓦斯赋存真实反映，其测值准确可靠。

隧道进口端实测C5煤层最大瓦斯含量9.4618m3/t(埋深220m)，超过《防治煤与瓦斯突出细则》[2]中规定的瓦斯含量8m3/t的区域预测指标临界值；隧道进口端左洞ZK32+753.8掌子面及右洞K32+749.8掌子面测定的钻屑解吸指标K1最大值为0.55mL/(g·min1/2)(干煤样)，超过《防治煤与瓦斯突出细则》中规定的钻屑瓦斯解吸指标0.50mL/(g·min1/2)(干煤样)的临界值。因此，按照《防治煤与瓦斯突出细则》的相关规定，预测C5煤层具有突出危险性。

5.3 防突措施的实施

本次隧道揭煤断面大、风险高，同时工期紧张，为防止一次抽放效果不达标，增加二次措施钻孔施工，将大大延长工期。根据周边矿井煤层瓦斯治理措施调研，C5煤层防突措施钻孔抽放半径取2m，即抽放钻孔终孔间距取4m。防突措施针对揭煤区域范围煤层进行整体性控制，抽放钻孔控制在隧道轮廓线外不小于12m，在距离煤层法距不小于7m时实施[8-11]，煤层抽放钻孔布置如图2所示。

图2 防突措施钻孔布置图

钻孔施工由项目部委托专业钻工严格按照设计施工，筛管下放至孔底，防止钻孔坍塌，提高抽放效果，严格保证封孔质量满足抽放要求；技术人员旁站监督，项目部和监理共同验收，竣工后落实竣工图，确保钻孔施工质量。同时抽放钻孔进行轨迹测定，当钻孔控制范围不足或存在空白区域时，补充钻孔消除空白区域。

由于隧道左右洞分别揭穿C5突出煤层，隧道左右洞施工工艺及揭煤流程类似，本文仅以左洞揭煤防突技术进行研究。

5.4 防突措施的效果评价

C5煤层采取防突措施后先进行抽放效果达标预评判，不达标或不满足设计要求的不予检验。C5煤层抽放效果达标预评判满足要求后，利用效果检验钻孔直接测定煤层瓦斯含量和钻屑瓦斯解吸指标K1值。若检验钻孔施工过程中未发生喷孔等其它异常现象，且测值均小于临界值，则判定防突措施有效；否则判定防突措施无效，应补充局部防突措施。防突措施效果检验钻孔平面布置如图3所示。

图3 效果检验钻孔平面布置图

C5煤层效果检验指标测定结果如表3所示。C5煤层防突措施消突效果有效，按照揭煤程序隧道掘进至距煤层法距5m和2m处分别布置工作面预测钻孔，采用钻屑瓦斯解吸指标K1值指标测定，实测各数值均小于《防治煤与瓦斯突出细则》中规定的钻屑瓦斯解吸指标0.50mL/(g·min1/2)(干煤样)的临界值，C5煤层突出危险性评价为不具有突出危险性。

表3 煤层效果检验指标测定结果

5.5 安全防护措施

C5煤层采取防突措施抽放后，效果评价消除了突出危险性，考虑到隧道断面大，穿越煤层厚度大，围岩破碎稳定性差，存在过煤层时失稳、垮落的风险和瓦斯异常涌出的可能，因此开挖掌子面应及时跟进，增加支护强度；对于大跨度软厚煤层设计还应考虑采用超前管棚、缩短工字钢间距、注浆固化等多种措施。

现场成立了瓦斯检测小组，安装一套独立的KJ90NB瓦斯监控系统，配置风电和瓦电闭锁功能，实现自动监控和人工检测双重保障模式。同时采取强化通风管理、远距离放炮及聘请专业机构进行人员技术指导和岗前培训等。

5.6 揭煤施工效果评价

C5煤层一次集中大范围地采取防突措施抽放后，释放了煤层瓦斯压力，降低了瓦斯含量，达到了消突的目的，安全顺利地揭穿了C5突出煤层，比计划完成时间提前了3个多月，取得了较好的安全和经济效益。

6 结束语

(1)瓦斯隧道地质条件复杂，准确预测C5煤层突出危险性是实现安全揭煤的前提，通过瓦斯含量及钻屑瓦斯解吸法综合指标对C5煤层进行突出危险性预测，提高了预测结果的准确度及可靠性。

(2)对穿越C5煤层进行现场实践，准确预测煤层风险等级，实施防突措施选择及措施效果评价技术，实现了安全揭穿突出煤层，建立了一套大断面隧道穿越突出煤层揭煤技术方法，并成功应用于现场；对类似条件下隧道施工具有很好的推广应用价值。