超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在高瓦斯隧道中的應(yīng)用

李方元

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司 成都 610041）

超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在高瓦斯隧道中的應(yīng)用

李方元

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)分公司 成都 610041）

近年來(lái)高速公路施工過(guò)程中瓦斯爆炸事故時(shí)有發(fā)生，本文以宜賓至敘永高速公路項(xiàng)目都良高瓦斯隧道成功穿越煤系地層為例，分析整理了該隧道施工過(guò)程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作方法和內(nèi)容，著重對(duì)超前鉆孔進(jìn)行了闡述，指出采用多種技術(shù)方法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性。

超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)；高瓦斯隧道；應(yīng)用

近年來(lái)我國(guó)西部地區(qū)的瓦斯隧道數(shù)量越來(lái)越多，由于煤層與瓦斯的復(fù)雜性，勘察期間不可能完全查明，存在一定的誤差，隧道開挖過(guò)程中經(jīng)常會(huì)由于掘進(jìn)前方瓦斯賦存情況不清楚，而造成瓦斯時(shí)常超限或者異常涌出的現(xiàn)象，對(duì)正常生產(chǎn)造成影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)由于瓦斯突出而出現(xiàn)設(shè)備損壞、人員傷亡等重特大事故。因此施工期間通過(guò)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)進(jìn)一步評(píng)定瓦斯等級(jí)、調(diào)整施工組織是確保施工安全的關(guān)鍵。

1 工程概況

宜賓至敘永高速公路項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱宜敘高速）是省“十二五”期間規(guī)劃建設(shè)的高速公路，是宜賓經(jīng)瀘州敘永、古藺至貴州習(xí)水，是進(jìn)出川高速公路通道的組成部分，是四川省重要的出川通道。宜敘高速主線起點(diǎn)為宜賓市翠屏區(qū)牟平鎮(zhèn)綏慶村，途徑宜賓市翠屏區(qū)、長(zhǎng)寧縣、興文縣，止于瀘州市敘永縣雙橋鄉(xiāng)，接納黔高速公路。

都良隧道進(jìn)口位于興文縣古宋鎮(zhèn)都良村一組，距離興文縣城約 3km，隧道全長(zhǎng)1228m，進(jìn)口樁號(hào)K76+090，設(shè)計(jì)高程362.74m，出口樁號(hào)K77+318，設(shè)計(jì)高程388.96m，為“一”字形縱坡，設(shè)計(jì)縱坡2.5%，最大埋深261m左右，屬于長(zhǎng)隧道，是宜敘高速地質(zhì)條件最復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)高瓦斯隧道。隧道采用雙車道，設(shè)計(jì)行車速度80km/h，凈高5.0m，主洞建筑限界凈寬10.0m。

都良隧道位于珙長(zhǎng)背斜南東端的北東翼，穿越二疊系長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M和三迭系下統(tǒng)飛仙關(guān)組。其中龍?zhí)督M為含煤地層，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含11層煤及煤線，其中主要有C11和C12兩層可采煤層，其煤層厚度分別為1.6m～2.2m及0.6m～0.8m，其余煤線一般10cm～20cm。相關(guān)單位對(duì)都良隧道進(jìn)行了瓦斯氣體專項(xiàng)研究，根據(jù)隧道巖性特征和含煤情況，綜合判定隧道K76+090～K76+413進(jìn)口段為非瓦斯工區(qū)；隧道K76+413～K76+645段為高瓦斯工區(qū)；隧道K76+645～K77+318出口段為低瓦斯工區(qū)。

2 瓦斯超前預(yù)報(bào)的依據(jù)和必要性

在煤系地層中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃燒以及粉塵爆炸等地質(zhì)災(zāi)害是隧道建設(shè)主要應(yīng)防止發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根據(jù)相關(guān)單位進(jìn)行的瓦斯氣體專項(xiàng)研究，都良隧道在里程 K76+413～K76+645 段穿越龍?zhí)督M含煤地層，含煤段長(zhǎng)232m；段內(nèi)煤層層數(shù)較多，主要有C11和C12兩層煤具有瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，隧道洞身煤層瓦斯壓力0.60MPa，瓦斯含量約32.38m3/t，煤層瓦斯涌出量估算為2.32m3/min，隧道綜合判定為高瓦斯隧道。

同時(shí)經(jīng)多次地表調(diào)查（及對(duì)煤礦的調(diào)查）及走訪當(dāng)?shù)厝罕?，都良隧道附近采煤?guī)模相對(duì)較大的主要煤礦有德海煤礦（老煤礦），興文縣大田灣煤礦、興文縣建設(shè)煤礦，此三個(gè)煤礦均為煤與瓦斯突出礦井，并曾經(jīng)發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出事故，均造成嚴(yán)重后果。

綜上所訴，從理論和實(shí)例出發(fā)，按照規(guī)程、規(guī)范判定標(biāo)準(zhǔn)，都良隧道為高瓦斯隧道。在隧道通過(guò)煤系地層施工過(guò)程中，應(yīng)按《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》（TB10120-2002 J160-2002）和《煤礦安全規(guī)程》等進(jìn)行瓦斯超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發(fā)生事故。

3 瓦斯超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)簡(jiǎn)述

為探明掌子面前方的地質(zhì)情況、煤層位置及產(chǎn)狀、瓦斯賦存等，防止瓦斯積聚或涌出量突然增大而發(fā)生事故，需以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)（洞內(nèi)地質(zhì)素描），以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行瓦斯超前預(yù)報(bào)。

在具有煤(巖)與瓦斯突出危險(xiǎn)地層中開挖施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行隧道地質(zhì)素描，加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。穿越低瓦斯地層地段可采用超前鉆孔進(jìn)行探測(cè)，穿越高瓦斯、突出地層地段必須采用超前鉆孔進(jìn)行探測(cè)。

過(guò)煤系地層隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)在地質(zhì)分析和物探預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合臨近煤層的超前鉆探手段，準(zhǔn)確查明前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育情況，煤層分布、厚度、傾角及走向探測(cè)，煤的破壞類型等，當(dāng)采用物探方法預(yù)報(bào)煤層及采空區(qū)時(shí)，可同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)、TSP等物探方法，長(zhǎng)短結(jié)合，綜合評(píng)判。

開挖工作面距離煤層較遠(yuǎn)時(shí)，可采用物探初步判斷前方150m范圍內(nèi)可能存在的較大煤層異常情況及巖體的完整狀況；臨近煤層30m以內(nèi)時(shí)，煤層瓦斯預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)應(yīng)以超前鉆孔為主。

進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)時(shí)，超前鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)在距煤層10～20m（垂距）處的開挖工作面布置1個(gè)超前鉆孔、初探煤層位置；在距初探煤層10m（垂距）處的開挖工作面上布置 3～5個(gè)超前鉆孔，分別探測(cè)開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置，并采取煤樣和氣樣進(jìn)行物理、化學(xué)分析和煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行瓦斯含量、涌出量、壓力等測(cè)試工作；按各孔見煤、出煤點(diǎn)計(jì)算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關(guān)系，分析煤層頂、底板巖性。

每個(gè)鉆孔深度不宜小于50m，鉆孔終孔點(diǎn)超出隧道開挖輪廓線5m以上，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長(zhǎng)度為5m以上。在鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、噴孔等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)視該開挖工作面為突出危險(xiǎn)工作面。

4 超前鉆探技術(shù)在都良隧道工程中的應(yīng)用

超前鉆探是在開挖階段進(jìn)行鉆探以查明掘進(jìn)方向的地質(zhì)條件, 不但能直接探明掌子面前方斷層破碎帶、軟巖、巖溶陷落柱等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模, 還能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層參數(shù)、瓦斯參數(shù)和巖溶 (裂隙) 水參數(shù), 并且對(duì)于煤巖體瓦斯和巖溶 (裂隙 )水具有預(yù)排放作用, 保障開挖過(guò)程生產(chǎn)安全。針對(duì)本隧道為高瓦斯隧道，高瓦斯工區(qū)和低瓦斯工區(qū)均采用超前鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行測(cè)試和預(yù)報(bào)，超前鉆孔同時(shí)兼作超前地質(zhì)探孔。

鉆孔布置分為兩個(gè)段落，其中高瓦斯工區(qū)左右洞分別進(jìn)行了9個(gè)循環(huán)超前鉆孔探測(cè)，超前鉆孔在上臺(tái)階呈三角形布設(shè) 3個(gè)，鉆孔直徑 65mm，每個(gè)鉆孔深度50m，其中拱頂鉆孔為水平鉆孔，上臺(tái)階拱腳處兩鉆孔為傾斜鉆孔，傾斜鉆孔終孔點(diǎn)超出隧道開挖輪廓線 5m，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長(zhǎng)度為 5m。打鉆過(guò)程中多數(shù)鉆孔均有承壓瓦斯，共有8個(gè)鉆孔發(fā)生夾鉆、頂鉆和噴孔現(xiàn)象，相應(yīng)增加防突措施孔24個(gè)，每個(gè)鉆孔直徑65mm，深度30m。

出口段低瓦斯工區(qū)考慮到受下覆煤系地層影響，瓦斯可能沿巖層節(jié)理裂隙逸散至隧道，左右洞分別進(jìn)行了15個(gè)循環(huán)超前鉆孔探測(cè)，在上臺(tái)階中下部布置1個(gè)鉆孔，鉆孔直徑65mm，長(zhǎng)度50m，搭接5m，主要做為超前地質(zhì)探孔，同時(shí)對(duì)前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量進(jìn)行測(cè)定。

都良隧道左右洞共施工鉆孔108個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度4920m，其中瓦斯超前預(yù)測(cè)鉆孔84個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度4200m；防突措施孔24個(gè)，鉆孔總長(zhǎng)度720m。每一個(gè)超前鉆孔施工完成后對(duì)前方圍巖的瓦斯壓力、鉆孔瓦斯涌出量、鉆孔瓦斯涌出衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算在隧道開挖過(guò)程中瓦斯涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量核定施工工區(qū)的瓦斯等級(jí)，同時(shí)預(yù)測(cè)施工前方可能出現(xiàn)異常瓦斯涌出情況或判斷是否存在煤與瓦斯突出的可能性。測(cè)試結(jié)果：瓦斯壓力0～0.58MPa；瓦斯流量0～0.12 m3/min；流量衰減系數(shù)0～0.05；鉆孔瓦斯?jié)舛瘸┟恒@孔能達(dá)到10%以上，其余大部分鉆孔孔內(nèi)瓦斯?jié)舛染?%以下。鉆孔施工完成后，24h后多數(shù)承壓鉆孔瓦斯壓力下降至0.1 MPa。

通過(guò)超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，不但能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方煤巖體的地質(zhì)情況、有效測(cè)定煤層瓦斯壓力和瓦斯含量等參數(shù)，還能排泄煤層中的承壓瓦斯，降低煤層瓦斯壓力，極大地提高了瓦斯隧道的施工效率，為隧道安全施工創(chuàng)造了良好條件。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，瓦斯隧道工程設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合煤層瓦斯段圍巖地質(zhì)條件，提出施工中的瓦斯超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的相關(guān)內(nèi)容與要求。瓦斯隧道超前預(yù)報(bào)應(yīng)采用綜合預(yù)報(bào)方法，以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，輔以物探手段，最終采用超前鉆探和瓦斯檢測(cè)加以驗(yàn)證。隨著近年來(lái)施工工藝及相關(guān)技術(shù)的革新，鉆探機(jī)具各方面性能均得到了提升，當(dāng)前實(shí)際探測(cè)及預(yù)測(cè)工作中也開始大范圍應(yīng)用超前鉆探預(yù)測(cè)技術(shù)，在實(shí)踐及工程總結(jié)過(guò)程中，超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在未來(lái)的隧道施工中必定會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

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1007-6344（2016）03-0066-01

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