探析深部瓦斯隧道瓦斯治理技术

王登广

中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川 成都 610093

引言

我国西部多山，铁路和高速交通线路在穿越山区时必然需要修建大量的隧道工程。截止2017年底，中国铁路营业里程达12.7万km，其中投入运营的铁路隧道14547座，总长15326m[1]。部分隧道要揭穿煤系地层，有些煤系地层埋深较深，局部埋深达到800m以深，瓦斯赋存情况比较复杂，出现“三高一低”现象，即瓦斯压力瓦斯含量高、地应力高及透气性低。给隧道建设带来极大的困难，容易引发瓦斯燃烧、瓦斯窒息、瓦斯爆炸及瓦斯突出等事故[2-3]。如2017年5月2日在建高铁七扇岩隧道发生重大瓦斯爆炸事故，死亡12人；2019年4月1日的扎西隧道瓦斯爆炸事故，死亡7人。隧道瓦斯问题时长期困扰隧道安全高效施工。

所以对于深部瓦斯隧道除了要做到地质构造精准探测外，还需加强瓦斯治理技术积累。本文通过文献检索结合煤矿常用的瓦斯治理措施，探讨深部瓦斯隧道瓦斯治理技术。

1 工程概况

成昆铁路米（易）-攀（枝花）段保安营1 号隧道全长13326m，为客货共线单线电力牵引铁路，最大埋深约887m，属大埋深、特长隧道。

为满足安全高效施工需要，全隧共设3 座斜井，分别为1#斜井、2#斜井及3#斜井，全长分别为2460m、1898m、884m。其中1#主斜井工区、2#斜井工区原设计为低瓦斯工区由于瓦斯异常均变更为高瓦斯工区。

1#斜井为穿层掘进，设计坡度9.2%，需揭穿三叠系上统宝鼎组下段（T3bd1）煤系地层。保安营1号隧道1号斜井施工至X1DK1+570里程时，开挖工作面揭露一层约0.3m厚的黑色、松软、颜色暗淡岩层，施工班组在开挖工作面施焊时发生不明气体燃烧。2#斜井工区正洞为穿越断层掘进，2#斜井正洞工区施工至LXD4K8+230里程时，开挖工作面出现瓦斯浓度超标，至此工作面停止作业。

2 我国瓦斯隧道瓦斯治理现状

2.1 瓦斯排采技术

瓦斯排放措施在现掌子面位置实施。钻孔沿排放层层面呈辐射状布置，开孔点间距约1m，钻孔长度5-8m。钻孔直径为Φ65mm。每施工完一个排放孔，将排放孔封孔。封孔方法为将一寸PVC管头部钻花眼，塞入排放孔内，封孔长度3～5m。排放管管口卷缠棉纱及马丽散进行封堵。钻孔孔封好后，用软管连接至“扫把头”进行汇流，如图1所示。

图1 引排系统布置示意图

2.2 瓦斯异常涌出段“钻墙”截流瓦斯技术

对于裂隙瓦斯，根据钻孔有效抽采瓦斯影响半径，在隧道两侧设计并施工一定数量的超前钻孔，在隧道轮廓线外形成截流瓦斯的“钻墙”，在瓦斯抽采系统的负压作用下，高效阻止瓦斯异常涌出区（段）的瓦斯进入掌子面，确保治理措施不干扰或者少干扰隧道掘进。

具体做法是：每隔150m，在掌子面10m之后隧道两侧交错施工一个钻场，为避免应力集中，两侧钻场位置错开30m。使之在隧道轮廓线外约4m的岩（煤）体内形成一堵弯曲的 “钻墙”，使之“包裹” 要掘进的隧道，抽截煤岩瓦斯。如图2所示。

图2 “钻墙”钻孔布置设计图

2.3 揭煤防突技术

对于需要揭穿较稳定煤层的瓦斯隧道，需要根据铁路行业规范《铁路瓦斯隧道技术规范》，参照煤炭系统《防治煤与瓦斯突出细则》（2019）、《煤矿安全规程》（2022）等规定，制定瓦斯隧道“四位一体”的综合防突措施，揭煤过程主要包括突出危险性预测、防突措施、效果检验和远距离放炮安全技术措施四个部分[4-5]，如图3所示。

图3 揭煤设计防突流程

3 深部瓦斯治理面临的问题

3.1 深部瓦斯隧道瓦斯灾害威胁巨大

随着瓦斯隧道埋深的增加，需要揭穿的煤系地层瓦斯赋存条件更加复杂。瓦斯参数（瓦斯压力和瓦斯含量）、地应力和瓦斯涌出量不断增大，造成瓦斯灾害严重。一方面，工区的瓦斯等级提升，由低瓦斯转变成高瓦斯或高瓦斯转变成突出工区。与浅层瓦斯为主的突出不同，深部是应力为主的突出、岩爆和煤与瓦斯突出复合动力灾害，突出强度增加，诱导突出的原因复杂。另一方面，深部的煤系地层的渗透率一般比较差，抽采和排放时间较长。

3.2 深部煤系地层瓦斯渗流理论不完善

煤岩层的孔隙结构复杂且不均一，瓦斯在煤体中的流动基本上不符合达西定律。而目前的研究手段局限在数值分析及数值模拟，缺乏大量的物理模拟及现场工程试验数据支撑。瓦斯渗流理论研究进展缓慢，且煤层气资源评估、煤层瓦斯涌出量预测方法、煤层气产能预估等仍然多依靠经验公式，结果与真实情况差别偏大。

3.3 瓦斯防治关键技术问题尚未有效突破

西南山区隧道围岩较破碎，岩性变化频繁。抽排钻孔在软硬岩交替处或破碎段施工时会产生偏移，实际施工的钻孔终孔位置和设计位置偏差较大，甚至达到10-20m。故瓦斯富集区域很难实现均匀布孔。钻孔间距较大的区域形成空白带，间距较小的区域又会产生穿孔，影响瓦斯抽采效果，无法短时间内达到消除煤与瓦斯突出的目的。隧道瓦斯治理技术起步较晚，很多技术参数都是参考煤矿系统，各类技术的实用性还有待商榷。

4 深部隧道瓦斯治理的对策

4.1 瓦斯渗流理论研究

4.1.1 增透理论研究。对低透气性煤层深入开展气液固多场多相耦合作用下水力化措施，松动爆破，CO2相变致裂等增透机理及渗透规律试验研究，积极探索低渗松软煤层的机械造穴、微波及可控冲击波、气润湿反转等增透技术原理及适用条件，匹配不同地质条件，不同变质程度煤层的技术适用性。

4.1.2 大断面巷道松动圈的范围。铁路隧道跟煤矿巷道比较具有断面大的特点，有必要开展大断面条件下的巷道松动圈的范围研究，为瓦斯抽采钻孔的封孔参数提高科学依据。

4.1.3 深部隧道掌子面自卸压范围。根据岩石力学采动卸压理论可知，掌子面会在工作面前方形成卸压区、应力集中区和原始应力区。其中，卸压区内各类裂隙均较发育，因而渗透性比较好；靠近卸压区的部分应力集中区煤体同样受到采动应力破坏而产生损伤裂隙，使得透气性显著增加，钻孔施工到这些区域瓦斯抽采效果较好。

4.2 加强关键技术及装备研发

研发瓦斯抽采钻孔的保直防斜技术及装备，解决打钻过程中出现的偏斜问题，改善钻孔的成孔质量，提高瓦斯抽采的效果。研发瓦斯含量、瓦斯压力精准测试技术及装备，精确获得煤系地层真实瓦斯含量和压力，通过井下物探、钻探或工程揭露等手段，精准掌握煤层地质构造特征及其展布。研发封孔与漏气处置一体化的钻孔封孔技术及装备，开发能与隧道抽采监测系统联网的抽采钻孔封孔质量检测仪，实现封孔质量在线监测，提高煤层钻孔瓦斯抽采效果，消除煤层的煤与瓦斯突出危险性。

5 结束语

随着隧道工程多次穿越煤系地层，瓦斯灾害已逐渐发展为瓦斯隧道施工建设过程中重大地质灾害之一。铁路系统目前可执行的规范仅有《铁路瓦斯隧道技术规范》，因此，为减少和防止隧道建设过程中瓦斯灾害的发生，我们仍需在地质构造的精准探测，瓦斯技术参数的测试，低透气性煤系地层的卸压增透，瓦斯抽采钻孔参数优化等方面加强理论、实验室及现场实测研究。