渝黔铁路天坪隧道瓦斯突出隧道区域措施效果检验技术

张永雄

（中铁隧道集团一处有限公司，重庆， 401121）

摘要：伴随国家基础设施建设快速发展，铁路、公路隧道等大断面地下工程开挖不可避免地穿越瓦斯地层。为确保工程建设安全，保障快速施工，穿越瓦斯突出地层时开展的区域措施效果检验技术显得尤为重要。目前，在铁路隧道及公路隧道等领域，尚未形成针对大断面瓦斯隧道开挖的区域措施效果检验技术及相关规范。鉴于此，研究依托渝黔铁路天坪隧道，针对横洞工区瓦斯突出防治与检验问题，根据隧道地质情况、煤层情况、瓦斯抽排数量、瓦斯抽排均匀性、地下水、瓦斯抽排煤层层数及煤层间距等情况确定区域措施、区域效果检验孔的布置位置、数量及检验方法，确保检验结果能准确反映隧道采取区域措施后煤层瓦斯压力、含量等实际情况。

关键词：天坪隧道，瓦斯突出，区域措施，效果检验，瓦斯压力，瓦斯含量

0 引言

隧道规划建设过程中，隧道选址应尽量避开瓦斯等不良地质段落^[1-2]。然而，随着工程建设项目越来越多，隧道建设常常无法避开瓦斯不良地质段，特别是在煤层及瓦斯分布广泛的中国西南地区。据统计，自1949年至1999年，我国修筑了18座瓦斯隧道，只占全国隧道总数的0.18%^[3-4]。随着我国交通事业的发展，穿越瓦斯地层修筑隧道的情况越来越多。据不完全统计，2000年至今我国修建的瓦斯隧道已有90余座，其中长度3 km以上的隧道32座，大大超过了2000年以前修建的瓦斯隧道总数^[5-7]。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》^[8-9]，瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道、瓦斯突出隧道。2000年以前，穿越的瓦斯隧道多以低瓦斯隧道为主，高瓦斯隧道和瓦斯突出隧道数量少，见表1；2000年以后，从公开显示的资料来看，穿越的高瓦斯隧道、瓦斯突出隧道的数量快速增加，见表2。

表1 2000年以前瓦斯隧道统计

瓦斯隧道分类	数量（座）	比例（%）
低瓦斯隧道	10	55.56
高瓦斯隧道	5	27.78
瓦斯突出隧道	3	16.66

表2 2000年以后瓦斯隧道统计

瓦斯隧道分类	数量（座）	比例（%）
低瓦斯隧道	38	41.30
高瓦斯隧道	47	51.09
瓦斯突出隧道	7	7.61

相较于低瓦斯隧道和高瓦斯隧道，瓦斯突出隧道施工过程中需要采取有效措施来防止煤与瓦斯突出，并进行措施效果检验。其中，区域措施效果检验在区域措施后进行。天坪隧道横洞工区瓦斯压力大、煤层瓦斯含量高，被确定为瓦斯突出工区。在瓦斯抽采达到设计要求数量后，根据隧道地质情况、煤层情况、瓦斯抽排数量、瓦斯抽排均匀性、地下水、瓦斯抽排煤层层数、煤层间距等情况进行区域效果检验，通过后续隧道施工，检验天坪隧道横洞工区采用的区域措施效果检验技术准确、可靠。

1 工程概况与地质环境

1.1 工程概况

天坪隧道位于贵州省北部，隧道全长13978.252 m，隧道辅助坑道设置“平导+2斜井+横洞（主、副井）”。其中，横洞工区负责承担DK128+234～DK125+100段正洞、PDK128+240～PDK124+640段平导的施工任务。横洞（主、副井）位于线路前进方向左侧，与正洞左线中线相交于PDK128+234里程处，主要负责正洞的开挖。横洞（副井）与平导中线相交于PDK128+210里程处，横洞（副井）主要负责平导的开挖，正洞开挖断面130 m²，平导开挖断面42 m²。隧道在DK127+710～DK127+850段穿越龙潭组煤系地层，横洞工区为瓦斯突出工区。

1.2 地质情况

DK127+710～DK127+850段地层为二迭系上统龙潭组（P_2l），主要为粘土岩、砂岩、硅质岩、灰岩，夹3～23层煤及多层菱铁矿，底部常有高岭土及黄铁矿（含黄铁矿粘土岩），厚约80 m。龙潭组上覆地层为二迭系上统--长兴组（P_2c）灰岩，下伏地层为二迭系下统茅口组（P_1m）灰岩，厚度约130 m，隧道埋深340 m。

F12断层位于下营堡一带，设计DZ-7钻孔和超前探孔均发现该断层，断层错动煤层，错动距离为20～30 m，为正断层。

1.3 煤与瓦斯情况

天坪隧道DK127+710～DK127+850段穿越龙潭组煤系地层，龙潭组共有3～22层煤，煤层最薄为10 cm，最厚可达3.0 m，其中对隧道影响较大的为C3、C5、C6煤层，煤层倾角70°。施工至PDK127＋800进行钻孔探测，天坪隧道C3、C5、C6各煤层情况见表3，瓦斯参数见表4。

表3 各煤层基本情况表

序号	项目		C3煤层			C5煤层		C6煤层
			设计	钻探		设计	钻探	设计		钻探
1	与隧道交角 (°)		54.00	64.00		54.00	64.00	54.00		64.00
2	线路中线相交位置		DK127+755.6	DK127+765.8		DK127+777.5	DK127+775.1	DK127+787.3		DK127+780.7
3	煤层厚度(m)	真厚	2.60	2.09		2.45	2.42	1.33		0.97
4		穿煤厚度	2.77	2.19		2.61	2.53	1.42		1.01
5	煤质		焦煤			焦煤		焦煤
6	煤层间距(m)	垂直间距			8.03		6.12
7		穿煤间距			8.40		6.40
8	煤层 产状	煤层倾角	70.00	73.00		70.00	73.00	70.00		73.00
9		煤层走向	N42-E	N50-E		N42-E	N50-E	N42-E		N50-E
10	煤层顶板			泥岩			泥岩			泥岩
11	煤层底板			砂质泥岩			泥岩			泥岩

表4 煤层瓦斯参数表

序号	煤样	吨煤瓦斯含量 (m3/t)	煤层瓦斯压力 (MPa)	备注
1	C6煤样	11.4744	1.036
2	C5煤样	9.8724	1.112
3	C3煤样	13.9131	1.342

检测结果显示，吨煤瓦斯含量和瓦斯压力均大于规范规定值（瓦斯压力大于0.74 MPa，吨煤瓦斯含量大于8 m³），故C6、C5、C3煤层均为瓦斯突出煤层。

横洞工区平导先通过煤系地层，随后正洞通过煤系地层，本文主要介绍平导通过煤系地层时的区域措施效果检验。

2 区域措施效果检验内容

《防治煤与瓦斯突出规定》^[10]与《煤矿安全规程》^[11]中规定：采用预抽煤层瓦斯区域防突措施时，应当以预抽区域的煤层残余瓦斯压力或者残余瓦斯含量为主要指标或其他经试验证实有效的指标和方法进行措施效果检验。C6、C5、C3煤层处发育F12正断层，前期对瓦斯压力的现场测定均失败，采用直接测定煤层残余瓦斯压力的方法不适用。经过分析，确定采用测定煤层残余瓦斯含量进行预抽煤层瓦斯区域措施效果检验。

3 区域措施效果检验孔设置分析

3.1 区域措施效果检验孔数量确定

（1）根据煤层数量确定区域效果检验孔数量

区域措施采取的方式为同时进行C6、C5、C3煤层瓦斯抽排，瓦斯抽排孔将C6、C5、C3煤层穿透。区域措施效果检验孔需要同时完成三层煤的检验，与通常对一层煤进行效果检验时的检验孔数量有较大区别，检验孔数量将大幅增加。区域效果检验孔首先考虑离平导掌子面最远的C3煤层；然后根据C3煤层检验孔穿过C5煤层的情况，在C5煤层盲区增加2个检验孔；最后根据C3、C5煤层检验孔穿过C6煤层的情况，在C3煤层盲区增加2检验孔；每层煤至少1个检验测试点位于要求预抽区域内距边缘不大于2 m范围。

（2）根据煤层周围地质情况确定检验孔数量

F12正断层将C6、C5、C3煤层错动，错动距离为20～30 m。F12正断层将煤层错动后，煤层的情况变得复杂。如C5煤层根据钻探资料显示厚度变化大，厚度最薄处为0.8 m，最厚处达2.5 m。煤层变得复杂后，瓦斯分布也变得复杂，需要增加检验孔数量以便准确掌握瓦斯抽排情况。

（3）根据隧道断面情况确定检验孔数量

铁路隧道相应规范没有对检验孔数量和位置进行规定，需参考煤矿的相关规定确定。但煤矿普遍断面小，预抽瓦斯范围小。根据隧道断面情况和预抽瓦斯范围大小，需增加效果检验孔数量。

（4）根据煤层周围地下水情况确定检验孔数量

前期共施工了煤层与瓦斯定位、检测孔17个，其中下俯孔3个，下俯孔均未取出煤样（周围煤矿调查情况反馈，下俯孔取出煤样的难度非常大）。原因为下俯孔处地下水发育且岩层破碎，煤样不能完整取出。根据周围煤矿经验及理论分析论证在平导底板以下布置38个密集排放钻孔，孔底间距2 m，根据打钻过程中是否发生喷孔、顶钻、夹钻及其他突出预兆判断区域措施效果。

综合考虑各种因素，平导区域措施效果检验孔在防突预抽范围内分别在C3煤层布置15个检验孔（该检验孔穿过C5、C6煤层）；C5煤层盲区部位增补2个孔，计17个孔（该检验孔穿过C6煤层）；C6煤层盲区部位增补2个孔，共计钻孔19个；平导底板以下布置38个密集排放钻孔，孔底间距2 m。钻孔工程量根据煤层的实际位置确定，开孔直径Φ86 mm，终孔直径Φ75 mm。

3.2区域措施效果检验孔位置确定

（1）瓦斯抽采均衡性分析

以平导中心线为界，右侧抽采量占总量的83%、左侧占抽采总量的17%，抽采量分布极不均衡，见表5。

表5 瓦斯抽采情况分析

时间		累计天数	瓦斯抽采情况分析
			平导右侧累计抽采量	平导左侧累计抽采量	占比（右侧）	占比（左侧）
月	日	（天）	（m3）	（m3）	（％）	（％）
8	22	1	1122	111	91	9
8	27	6	8215	1120	88	12
8	30	9	22167	3023	88	12
9	4	13	31202	4662	87	13
9	8	17	39782	5944	87	13
9	11	20	43264	6465	87	13
9	13	22	47753	7135	87	13
9	16	25	55724	8327	87	13
9	19	28	60825	9089	87	13
9	22	31	70427	10428	87	13
9	25	34	75739	11330	87	13
9	28	37	78181	12727	86	14
10	1	40	80687	13135	86	14
10	4	43	82912	13497	86	14
10	7	46	85631	13796	86	14
10	10	49	89166	14515	86	14
10	13	52	91389	14877	86	14
10	17	56	101122	17440	85	15
10	22	61	115281	20344	85	15
10	25	64	122269	20970	85	15
10	27	66	122379	21596	85	15
10	29	68	125176	22090	85	15
11	1	71	126212	25851	83	17

（2）下俯孔瓦斯抽排分析

下俯孔抽放效果较差，2014年8月11日增加插管实验，通过32天的测流观测，初步判断提高抽放效果不明显。其中：大仰孔抽采量为651.57 m³/孔，下俯孔抽采量为242.11 m³/孔，其它孔抽采量933.05 m³/孔。下俯孔抽采量为平均抽采量的27.4%。具体详见表6。

表6 抽采孔的类型分析表

时间		按抽采孔的类型来分析
		大仰孔抽采量	单孔抽采量	下俯孔抽采量	单孔抽采量	其它孔抽采量	单孔抽采量
月	日	（m3）	（m3/孔）	（m3）	（m3/孔）	（m3）	（m3/孔）
8	22	176.65	3.68	122.79	2.56	933.57	7.98
8	27	1959.15	40.82	486.13	10.13	6890.38	58.89
8	30	8263.34	172.15	1684.77	35.10	15241.47	130.27
9	4	11051.00	230.23	2826.42	58.88	21986.43	187.92
9	8	13121.48	273.36	3630.89	75.64	28973.56	247.64
9	11	13981.74	291.29	4179.25	87.07	31568.32	269.81
9	13	15432.58	321.51	4710.52	98.14	34745.24	296.97
9	16	16578.52	345.39	5655.93	117.83	41816.32	357.4
9	19	18267.31	380.57	6080.74	126.68	45565.52	389.45
9	22	19379.86	403.75	6662.53	138.80	54813.38	485.58
9	25	20154.93	419.89	7225.78	150.54	59687.43	518.70
9	28	21012.39	437.76	7620.06	158.75	62275.55	532.27
10	1	21878.92	455.81	8039.75	167.49	63903。00	546.18
10	4	22561.07	470.02	8421.62	175.45	65426.75	559.20
10	7	23163.51	482.57	8600.93	179.19	66662.56	569.77
10	10	23692.36	493.59	8798.71	183.31	71190.40	608.46
10	13	24190.95	503.98	9088.06	189.33	72987.80	623.83
10	17	24505.28	510.53	9407.60	195.99	84649.12	723.50
10	22	25239.27	525.82	9486.95	197.64	100898.83	862.39
10	25	26787.74	558.08	10707.12	223.07	105744.02	903.80
10	27	26832.86	559.02	11119.95	231.66	106022.71	906.18
10	29	28461.97	592.96	11456.92	238.68	107346.83	917.50
11	1	31275.10	651.57	11621.56	242.11	109166.51	933.05

根据瓦斯抽排均衡性和俯孔分析，区域措施效果检验表明：平导右侧好于左侧、大仰孔和其它孔好于在下俯孔、下俯孔效果最差。检验孔应在平导左侧和平导底板以下适当增加数量，以准确掌握区域措施效果。

区域措施效果检验钻孔位于平导防突措施预抽范围上部、中部和两侧，各煤层均有2个或以上检验测试点位于预抽区域内距边缘2 m范围内；各检验测试点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且尽可能与周围预抽钻孔保持等距离。

为此，区域措施效果检验孔布置见图1、图2。

图1 平导校检孔及密集钻孔布置剖面图

图2 C3煤层检验孔立面图

4 区域措施效果检验孔施作及瓦斯参数测定

4.1 区域措施效果检验孔施作

（1）人员组织

本项目请松藻煤矿的专业人员负责检验孔的施工及煤层取样。

（2）钻机选型及施工方法

选择ZDY-2300型煤矿用液压坑道钻机2台。其钻进深度可达300 m，开孔直径Φ86 mm，终孔直径Φ75 mm，施工倾角-90°～+90°，钻杆直径Φ63 mm，电机功率37 kW。

依据区域措施效果检验孔的布置及钻机操作说明书实施抽采钻孔施工，开孔Φ86 mm，孔深5 m后以Φ75 mm孔径钻进。

检验孔的孔深由技术人员现场根据钻进过程中揭示的地质情况确定，以达到穿透煤层的要求（15个孔穿透C3煤层、17个孔穿透C5煤层、19个孔穿透C6煤层）。钻孔必须穿透煤层全厚且进入底板不小于0.5 m，并详细记录岩芯资料、钻孔过程中瓦斯情况等。

4.2瓦斯参数测定

每个钻孔通过煤层时用煤芯采取器对该煤层进行取芯，采集煤芯时一次取芯长度应不小于0.4 m，采样时间越短越好，最长不得超过5 min，将取出的煤芯装入煤样罐。共19个钻孔，受到断层的影响，其中C6煤层实际取出15个煤样（设计应取出19个煤样）、C5煤层实际取出16个煤样（设计应取出17个煤样）、C3煤层实际取出12个煤样（设计应取出15个煤样），虽然未达到设计全部孔均取出煤样要求，但取样数量已经满足规范要求，取样数量合规。样取好后立即派人送到“中科煤工集团重庆研究院有限公司”进行瓦斯含量检测。

图3 煤层检验孔施作现场

5 措施效果评价分析

根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》及《防突规定》要求，对平导揭煤区域瓦斯抽采达标情况进行评判。

5.1 瓦斯抽采基础条件评判

见瓦斯抽采基础条件评判情况表7。

表7 瓦斯抽采基础条件评判

序号	规定项目	具有情况	是否达标
1	建立瓦斯抽采系统，且抽采系统正常、连续运行	地面安装2台2BEC-40型水环式真空泵，一台使用一台备用。抽采系统运行正常且连续运行	达标
2	瓦斯抽采泵站能力和备用泵能力、抽采管网能力满足抽采达标的要求，预抽瓦斯钻孔的孔口负压不得小于13 kPa	预抽瓦斯钻孔的孔口负压均大于13 kPa，抽采能力满足要求	达标
3	抽采计量测点、计量器具符合计量标准和规范要求，无超期使用，计量准确	符合要求	达标
4	具有符合标准要求的抽采效果评判用相关测试条件	相关指标测定由重庆煤科院及重庆科信煤矿安全技术公司完成	达标

5.2抽采钻孔有效控制范围界定

平导揭煤抽采钻孔防突专项设计最小控制范围：揭煤处巷道轮廓线外上、左、右各14 m、下8 m。

抽采钻孔实际有效控制范围：施工抽采钻孔实际参数揭煤处巷道轮廓线外上14.1 m、左、右各14.3 m、下8.1 m。

抽采钻孔布孔均匀程度评价：

（1）施工开孔位置均匀，符合设计要求；

（2）钻孔严格按设计参数施工，各煤层布孔满足设计及规范要求。

5.3抽采瓦斯效果评判指标测定情况

（1）平导揭煤原始参数

平导揭煤原始参数见表8。

表8 平导揭煤原始参数一览表

项目	临界值指标	实测值			备注
		C6	C5	C3
煤层倾角 (°)		73	73	73	地质钻孔
煤层厚度 (m)		0.97	2.42	2.09	地质钻孔
瓦斯压力 (MPa)	0.74	1.036	1.112	1.342	重庆科信
瓦斯含量 (m3/t)	8	11.4744	9.8724	13.9131	重庆科信
煤的坚固性系数f	≤0.5	0.25	0.25	0.17	河南理工大
瓦斯放散初速度Δp	≥10	13.8	13.5	18.7	河南理工大
煤的吸附常数a (m3/t)		34.7673	45.3047	35.1885	重庆煤科院
煤的吸附常数b (MPa-1)		1.039	1.3664	1.0607	重庆煤科院

（2）预抽时间差异系数

抽采钻孔开始抽采时间：2014年8月22日；

抽采钻孔完工施工时间：2014年11月1日；

抽采钻孔效果评判时间：2014年11月20日；

预抽时间差异系数为：

η = (T_max-T_min)/T_max×100% = (71-71)/71=0% < 30%

式中：η—预抽时间差异系数，%；

T_max—预抽时间最长的钻孔抽采天数，d；

T_min—预抽时间最短的钻孔抽采天数，d。

本次抽采钻孔可以作为一个评价单元。

（3）瓦斯抽排率

煤的储量：45281.1 t；

瓦斯储量：495252.1 m³；

瓦斯抽采量：152062.17 m³；

瓦斯抽排率：

瓦斯抽排率 = 瓦斯抽采量/瓦斯储量×100% = 152062.17/495252.1×100% = 30.70%

计算结果表明，本项目瓦斯抽采率（30.70%）大于设计预计抽排率（30.61%）。

（4）区域措施效检结果

平导校检孔共计19个，于11月13日施工完毕，施工过程中未出现喷孔等异常现象，其中19个校检孔成功取得煤样，煤样检验报告43个，煤样指标均未超标。各检验孔各煤样残余瓦斯含量参数见表9。

表9 检验孔各煤样残余瓦斯含量参数

序号	孔号	含量m3/t			终孔深度 (m)
		C6	C5	C3
1	1#	2.0620	2.0038	7.0635	68.58
2	2#	7.3462	7.0545	7.4956	57.16
3	3#	2.8674	2.0646	2.9248	46.00
4	4#	未取到	2.5508	3.1115	53.56
5	5#	2.5378	7.8463	2.8977	56.72
6	6#	2.5080	2.7412	未取到	48.74
7	7#	2.3308	7.4770	3.0977	53.10
8	8#	未取到	2.7385	2.8236	61.46
9	9#	3.1534	2.7145	3.9599	36.88
10	10#	6.8814	1.8442	未取到	62.28
11	11#	未取到	2.1371	未取到	38.94
12	12#	2.0741	未取到	7.3846	35.88
13	13#	7.5318	7.1117	3.0459	41.82
14	14#	2.4582	2.5812	4.5115	36.60
15	15#	2.0719	1.9233	2.6935	33.60
16	16#	3.1228	5.3280	/	55.81
17	17#	2.7894	3.1721	/	35.73
18	18#	5.1751	/	/	31.51
19	19#	6.1922	/	/	18.74

平导底板以下密集钻孔检验及排放钻孔已施工38个，过程中无明显动力现象。通过吨煤瓦斯含量和平导底板以下密集钻孔检测合格后进行后续施工，施工结果证明隧道区域措施效果检验技术可靠、方法得当、能很好的指导施工。

判定区域措施有效后，隧道施工进入下一步作业，即在采取安全防护措施后，实行边探边掘，并按专项施工设计及时进行支护，直至达到距C6煤层法向距离7 m时，再次进行区域防突措施检验。

6 结论与建议

6.1 结论

（1）区域措施效果检验需保证瓦斯抽排达到设计数量，并对瓦斯排放孔的直径、数量、孔深、角度、抽排时间、抽排压力、抽排瓦斯数量等进行检查合格后方可进行。

（2）煤层周围有地质构造时，需根据地质构造情况增加区域措施效果检验孔数量。

（3）煤矿区域效果检验孔数量在《防治煤与瓦斯突出规定》有明确规定（穿层钻孔预抽石门揭煤区域煤层瓦斯区域防突措施进行检查时，至少布置4个检验测试点），铁路隧道和公路隧道断面均比煤矿巷道大，需要在规定的基础上增加检验孔数量，数量控制在60～80 m²/孔。

（4）根据瓦斯抽排时的均衡性，应在抽排效果差的部位增加区域措施效果检验孔。

（5）采取具体的区域措施检验技术应根据超前钻孔情况、煤层检测相关参数、瓦斯抽排孔情况等情况综合分析确定，以找到适合现场的区域措施效果检验手段。

6.2 建议

（1）区域措施效果检验孔在下俯孔有水的情况下既不能测压力也很难直接取出煤样，采取打密集检验孔的方式进行瓦斯抽排效果检验和继续自然排放瓦斯，但此方法不能直接测得的数据，导致底板以下瓦斯抽排情况不能量化；密集排放孔施工过程中需技术人员全程跟踪，掌握钻孔过程是否存在顶钻、喷孔、夹钻等情况，据以判断区域措施效果情况。

（2）效果检验孔在布置时需要根据瓦斯排放孔的布置情况进行针对性设计，尽量避免窜孔并努力确保区域措施效果检验孔位于瓦斯抽排孔中间，提高检验数据的可靠度。

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