高浓瓦斯隧道超前探测与瓦斯监控方法研究★

2024-03-14张珍

山西建筑 2024年6期

张珍

(中铁六局集团广州工程有限公司,广东广州 511400)

我国西南部地处山地,重峦叠嶂,矿产丰富,随着西部高速公路网规划的实施,尤其是贵州省6横-7纵-8联高速公路网的建设开展,高速公路隧道穿越煤层的工程施工屡见不鲜。由于高速公路瓦斯隧道具有修筑断面大、围岩破碎且复杂、煤系地层中瓦斯赋存不稳定、施工工序危险系数大等特点,施工中常出现瓦斯泄露、围岩垮塌等现象,危及现场施工安全。现有施工技术中,一方面需建立完善煤系地层施工防护技术,另一方面由于公路瓦斯隧道施工规范还不健全,须依据铁路瓦斯隧道施工规范和相关经验进行施工掘进。这必然带来了以下几点问题：1)公路隧道现场施工技术和管理人员对隧道穿越煤系地层的关键节点和瓦斯扩散机理认识不全;2)煤系地层施工中缺乏对掌子面气体安全的必要检测和监测而贸然掘进,导致瓦斯泄露;3)对隧洞内瓦斯运移扩散规律掌握不清,因而缺乏针对性的预防、处置措施。以上所述几点是导致近年来高速公路瓦斯隧道煤与瓦斯爆炸和坍塌事故频发的主因[1-4],造成了巨大的人员和财产损失。因此,针对大断面隧道穿越煤系地层的技术研究,成为了工程界关注的又一重点。

针对高速公路瓦斯隧道穿越煤系地层问题,众多专家和学者从安全防护措施、抽排防方案、快速揭煤技术等方面开展了一系列研究。黄长国[5]根据结合煤炭总局发布的防治煤与瓦斯等有害物质的相关政策和指南[6],将“优先区域措施,补充局部措施”作为隧道煤气防治的总则。以此为基础,探索和推进煤系隧道开挖探煤、瓦斯抽排、隧洞内有害气体评价、安全防护及通风监控等[7-9]技术。刘敦文等[10]针对各因素对瓦斯隧道施工通风效果影响,开展研究,就隧道施工通风方案进行了优化,并排列出各因素权重和施作效果。吕贵春[11]、武磊等[12]针对大断面隧道揭煤突发瓦斯泄露的危险性预测方法开展了研究,就如何提高揭煤工作面的安全性和预防高速公路瓦斯隧道事故等措施提出了相关建议。除了传统的隧洞内抽排方法外,李栋等[13]根据煤系地层隧道施工的特点,提出了多孔割缝定向水压劈裂法,利用定向水压力切割大断面瓦斯隧道,从而实现快速揭煤技术。

综上所述,现有研究在揭煤探测、防突预测、通风等技术方面取得了不错成果,但针对大断面高浓瓦斯隧道煤层探测及通风方法的研究仍鲜有报道。因此,本文以贵州金沙经仁怀至桐梓高速公路黄家嘴大断面隧道穿越煤系地层为工程背景,对典型煤系地层高浓瓦斯隧道超前钻孔探测技术及通风方法进行了研究。研究成果可为高速公路穿越煤系地层现场施工提供良好的借鉴经验及参考价值。

1 工程概况

黄家嘴隧道按照左、右分离式设计,左线隧道里程桩号Z3K89+593—Z3K90+850,长1 257 m;右线隧道里程桩号K89+594—K90+855,长1 261 m,均属长隧道。隧道左线最大埋深243.83 m,右线最大埋深253.46 m,设计标准为双向四车道高速公路,整幅路基宽度24.5 m,单幅路基宽度12.25 m,如图1所示。

2 隧道地质编录与超前钻孔探测

瓦斯隧道以便邻近采矿区,通过对邻近采矿区的煤系地层地质参数及特点分析,便于施工人员更为清晰全面掌握隧道施工区域范围内煤系地层、瓦斯分布等基本情况。但受到高速公路与煤矿行业的限制,相关地勘资料收集、分享具有一定难度。因此,邻近隧道项目并未及时进行煤矿区地质编录的查询与整理。在隧道施工前,对各地层按里程编号对隧道进行工程地质勘察,受限于地质勘察取芯长度,对于不同位置的煤系地层与瓦斯含量分布掌握情况较差,地质勘察报告并不全面。因此,为了更好掌握隧道开挖区域的煤系地层的分布、贮存和瓦斯运移情况,从周边煤矿的煤层与瓦斯资料较丰富、详实考虑,对隧道施工区域内的煤系地层进行地质编录。

2.1 地质编录

含煤地层为中风化砂岩和泥质粉砂岩,该区域地层含煤地层,厚度70 m～116 m,平均厚度84 m,共含煤7层—13层煤,煤层总厚6 m～10 m,平均8 m,含煤系数为10%。区内可采煤层分别为C5,C4,C1号煤层,分层概述如表1所述。

表1 隧道穿越煤层分布特点统计

2.2 超前探孔探测

对隧道施工范围内地质编录的分析与整理,可作为隧道探测实施的基础资料。在隧道施工时须采用超前钻孔探测法,获得施工区域煤系地层和瓦斯分布特点,这也是保障瓦斯隧道施工安全的关键手段。

高速公路隧道施工所进行的超前地质预报探测距离较短,且无法准确探测前方的煤岩体类型,因此本次设计的隧道煤系地层瓦斯隧道超前探测有别于常规隧道的超前地质预报。采用隧道煤层和瓦斯超前钻孔探测,通常在进入煤层段前须开始进行,以便及时指导隧道开挖施工。结合超前钻孔探测结果,及时调整施工方案和现场组织管理,以保证快速、安全和高效的施工过程。针对煤系地层高浓瓦斯隧道采用超前钻孔探测,除了可准确探明掌子面前方开挖区域煤层和瓦斯分布情况外,还可以以最小探测量实现区域性探孔。

基于煤系地层超前探测与施工要求,对比工程常见物探和钻探两种技术特点[14],采用隧道超前钻孔探测,利用小范围、小距离探测,对掌子面施工范围内进行小孔钻探,实施更为安全、科学与经济。

其施工核心技术在于对钻探点和方案优化,工程难点在于钻孔取芯后的岩性判断、瓦斯运移后的抽排。

2.2.1 超前探孔探测方案

通过地勘资料可知在HJZ-7,里程为K90+510—K90+860段预计为煤系地层段,隧道超前探孔处见图2。

具体超前探孔方案如下：

1)利用加深炮眼探测隧洞开挖前掌子面是否存在瓦斯等有害气体的泄露与溢出。单断面炮眼数量须大于5个,且由拱顶-拱腰-拱底均匀分布,规定炮眼深度大于5 m。若设置的加深炮眼探测出有毒有害气体溢出,一方面需要加大掌子面通风量和风速,另一方面采用3台φ100 mm HQF110全风动水平钻钻孔进行超前探测验证。超前钻孔后的施工长度设定为20 m,预留5 m的安全距离,可随时监控掌子面瓦斯溢出情况。

2)探测出有毒有害气体后,根据现场监测情况立即确定有害气体涌出位置。利用既有超前探孔验证瓦斯涌出后,应增加不少于3个φ100 mm超前钻孔(4号—6号孔)对瓦斯涌出浓度、围岩破碎程度、涌出速率进行确认。具体新增探孔位置,如图3所示。

黄家嘴隧道超前钻孔探测现场施作图,如图4所示。

2.2.2 超前探孔探测结果及分析

通过超前钻孔探测在里程K90+700—K90+860段存在瓦斯气体,全长160 m,洞身穿越二叠系龙潭组煤系地层,洞室开挖易产生瓦斯溢出,对应可采煤层C5,C4和C1,各层瓦斯成分如表2所示。

表2 瓦斯浓度监测结果分析

从表2中可看出,该段区域无空气基CH4质量分数(包括重烃)为44.12%～98.62%,平均为74.41%。其中C5煤层平均为65.67%,C4煤层平均为80.71%,C1煤层平均为76.84%。无空气基N2质量分数为1.10%～55.54%,平均为25.18%,无空气基CO2质量分数为0.06%～1.45%,平均为0.41%。根据HJZ-7隧道探孔777.34处～779.74处(厚2.4 m)取C5层煤做瓦斯监测,瓦斯压力为0.5 MPa,参照《铁路瓦斯隧道技术规范》规定[15],左幅隧道出口里程Z3K90+670—Z3K90+875全长205 m,右幅隧道Y3K90+688—Y3K90+858全长170 m为高瓦斯隧道段。

3 隧道瓦斯监控方法

通过隧道超前钻孔探测确定施工段瓦斯浓度及区域,同时需要针对煤系地层高浓瓦斯隧道施工过程中有害气体扩散、运移和溢出进行实时监测[16-17]。

金仁桐高速黄家嘴隧道穿越煤系地层施工期间,预先构建好以自动化监测实施监测结合人工加密探测有毒有害气体监控系统。该系统利用掌子面附件传感器记录测点附近气流参数、掌子面附近瓦斯浓度、风筒出口处的通风量和流速等关键参数,通过数据接口反映至主机端。该瓦斯隧道有毒有害气体监测系统组成分布见图5。

具体监控措施如下：

1)自动化系统实现实时监测：该系统通过隧洞内拱顶、拱腰处监测传感器对掌子面附近、隧洞断面各处空气内有害气体含量进行实时监测,将前端数据反馈至中转站,通过电信信号传至地面段主机处,并将隧洞内有害气体含量显示至主屏,便于地面管理人员掌握一手洞内信息。自动化监测传感器设备如图6所示。

2)结合隧道瓦斯溢出容易在掌子面上隅角聚集的特点,在掌子面、模板台车顶部的上隅角安设可拆卸式甲烷监测预警仪。当检测到瓦斯质量浓度ω>0.5%时[18],预警仪自动报警;当ω>1%时,由主控系统切断作业区电源,工人停止作业,并可及时撤出。隧道内瓦斯监测统计见图7。

由图7监测结果可知,隧道左洞瓦斯涌出量最大值为0.88 m3/min,对应开挖工作面最大瓦斯质量浓度为0.12%,而右线瓦斯涌出浓度最大值为1.15 m3/min,对应开挖工作面最大瓦斯浓度为1.15%。根据《铁路瓦斯隧道技术规范》可判断该隧道为高瓦斯隧道。开挖时,应控制掌子面回风流速,以稀释瓦斯风量,最大程度减小瓦斯浓度,避免隧道拱顶产生瓦斯局部积聚等问题[19-20]。

采用自动化监测与人工监控结合的方法,可针对不同气体浓度实时监测,设置报警阈值,保障工况作业安全。此外,利用物联网平台对监测有害气体浓度数据可有助于生成图文报表,掌握时间范围内气体浓度波动来了解隧道内气体运移机制,为下一步工程施工提供可靠的数据支持。