瓦斯隧道工程地質(zhì)特征分析及涌出量預(yù)測

紀(jì)云靜

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，沈陽110006）

煤層地層常常賦存著數(shù)量不等的有害氣體，比如瓦斯等易燃?xì)怏w等，隧洞工程在穿越煤層地層時，不可避免地引起瓦斯釋放，給隧道施工造成隱患，特別是鉆爆法施工隧道中，往往涉及用電、明火使用，瓦斯在一定濃度條件下點(diǎn)燃造成爆炸， 嚴(yán)重影響著隧道的施工人員安全［1-5］。 因此，在施工時探明掌子面前方瓦斯的賦存情況， 并預(yù)測瓦斯涌出的可能性和估算瓦斯涌出量，具有十分重要的作用［6］。 本文依托柴河水庫供水隧洞工程， 在分析瓦斯隧道工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，采用多種測試方法，獲取可靠的隧洞瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，并對瓦斯涌出量進(jìn)行理論計算，以評估瓦斯對隧道掘進(jìn)的工程影響。

1 工程概況

柴河水庫供水隧洞工程位于沈陽市沈北新區(qū)清水臺街道和馬剛街道， 隧洞起止里程S28+550～S42+554，全長14004m。全部采用鉆爆方式開挖。2～4#主洞段上游起止里程S34+213～S36+252， 總長2039m，截止2018年1月12日，隧道拱架支護(hù)過程中，電焊火花引燃少量可燃?xì)怏w，導(dǎo)致隧道停止施工，上游掌子面里程S34+812，已開挖隧洞長1439m，剩余599m左右未開挖，需進(jìn)一步查明有害氣體賦存情況后，評估瓦斯對隧洞開挖的影響程度才能施工。 經(jīng)掌子面小導(dǎo)管釋放瓦斯并實(shí)測濃度為4.22%，如圖1。

1.1 地層工程地質(zhì)特征

隧洞穿越的地層巖性主要為白堊系下統(tǒng)九佛堂組（K1jf）地層和晚侏羅世侵入巖（α52（3））地層。 白堊系下統(tǒng)九佛堂組主要為粗砂巖、 粗砂巖夾粉砂巖、礫巖、粉砂巖、泥巖夾煤層、粉砂巖鏡下及泥巖鏡下；晚侏羅世侵入巖主要包括角礫熔巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r。根據(jù)洞室開挖圍巖情況和鉆探揭露，巖性描述如下：

（1）粗砂巖：青灰色為主，碎屑結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，層面傾角13°～30°，巖屑主要為長石、石英等，次圓狀為主。節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面平直粗糙，無填充，銹蝕嚴(yán)重；多為陡傾角，約75°。 巖芯多呈短柱狀，局部受構(gòu)造影響呈碎塊狀。

（2）粗砂巖夾粉砂巖：灰黑色，碎屑結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，層面傾角14°～43°，巖屑主要為長石、石英為主，含有少量有機(jī)質(zhì)，次圓狀為主。節(jié)理發(fā)育一般，節(jié)理面平直粗糙，無填充；多為陡傾角，約45°。 巖芯多呈短柱～長柱狀。 巖體整體耐風(fēng)化能力差，巖芯放置2～3d后，多沿層理面崩解。 層間夾有煤線厚度5～10cm。

（3）礫巖：青灰色，碎屑結(jié)構(gòu)，厚層～巨厚層構(gòu)造，礫石成分較為復(fù)雜，礫徑約2～80mm，分選差，受構(gòu)造影響，礫石邊緣清晰度差。 節(jié)理不發(fā)育。 巖芯多呈短柱～長柱狀。

（4）粉砂巖、泥巖夾煤層：灰黑色～黑色，薄層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，層面傾角約10°～30°，局部夾有棱角狀礫石。 節(jié)理發(fā)育一般，節(jié)理面平直光滑，多泥質(zhì)填充或無填充，巖芯多為短柱～長柱狀，局部較為破碎。層間夾有薄煤層及煤線。

（5）粉砂巖鏡下：碎屑結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。巖石主要由碎屑顆粒（含量約85%）和填隙物（含量15%）兩部分組成。碎屑物分選較好，次圓狀～棱角狀，主要集中在0.02～0.2mm之間。 顆粒支撐類型主要為基底式膠結(jié)，雜基支撐。碎屑主要為石英，長石和巖屑組成。填隙物為鈣質(zhì)膠結(jié)物和雜基， 鈣質(zhì)膠結(jié)物成分為方解石，含量約5%，雜基主要為黏土礦物和細(xì)小碎屑顆粒，多發(fā)生絹云母化，含量約10%。

（6）泥巖鏡下：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)育層理，巖石中含有少量的碎屑顆粒，碎屑物分選較好，碎屑粒徑較小，約在0.02～0.18 mm之間， 碎屑物主要為石英和長石組成；黏土礦物：呈泥狀集合體產(chǎn)出，部分被鈣質(zhì)交代，礦物粒徑較小，均勻分布，含量約90%；其他礦物粒徑極小，均勻分布于黏土礦物中，含量約10%。

其中②層及④層為主要含煤線和煤層地層，根據(jù)巖芯統(tǒng)計，其分布高程和厚度如表1。

表1 鉆孔揭露含煤系地層統(tǒng)計 單位：m

（7）角礫熔巖：灰黑色，角礫成分主要為長石粗砂巖，礫徑10～100mm，分選差，多為棱角狀，膠結(jié)邊界受構(gòu)造影響鈍化。 節(jié)理發(fā)育一般， 節(jié)理面平直粗糙，無填充，傾角約75°。巖芯多呈短柱～長柱狀。局部夾2～5cm煤線。

（8）安山質(zhì)凝灰?guī)r：灰綠色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；節(jié)理發(fā)育一般，陡傾角為主，節(jié)理面平直粗糙，無填充，銹蝕嚴(yán)重；巖芯多呈短柱～柱狀。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)測繪及鉆探情況， 洞室部位里程S34+700～S34+770段為斷層帶；斷層走向?yàn)楸睎|向，傾向南東，傾角約60°，屬新華夏正斷層；斷層厚度約10 m。 斷層上盤為晚侏羅世侵入巖（α52（3））體；下盤為白堊系下統(tǒng)九佛堂組（K1jf）地層；受斷層拉拽影響，鉆孔CSK1和CSK2同一對應(yīng)地層高差約15 m。 斷層物質(zhì)多以糜棱巖化砂巖為主。 其中CSK2鉆孔29.6～50.3 m局部夾有厚約50cm的斷層泥。 斷層及其影響帶巖芯破碎多為碎塊狀。

2 隧洞瓦斯測試基礎(chǔ)參數(shù)

預(yù)估隧洞瓦斯的賦存量是評估隧洞開挖安全等級的重要前提， 獲取預(yù)估瓦斯涌出量的基礎(chǔ)參數(shù)成為巖土工程勘察階段的重要內(nèi)容［7］。 隧洞瓦斯的賦存量與煤層的組成成份具有直接關(guān)系， 其中煤樣的灰分和揮發(fā)分是表明煤樣自燃傾向的重要物理參數(shù)，是煤樣可燃成份與不可燃成份比例的重要指示，揮發(fā)分的多少直接關(guān)系到煤樣的瓦斯釋放能力，通過室內(nèi)試驗(yàn)可知，隧道內(nèi)煤樣灰分小于80%，而揮發(fā)分在10%左右，如表2。

表2 煤樣的成份測試成果

隧洞上游里程S34+812處CSK1鉆孔所采集的煤樣進(jìn)行煤層瓦斯解吸量的現(xiàn)場測試、 損失量的推算及實(shí)驗(yàn)室殘存量的測定，得到了CSK1 鉆孔煤層瓦斯含量，具體成果數(shù)據(jù)如表3。

表3 煤層瓦斯含量

在上游里程S34+812中采取煤系地層樣品2組，進(jìn)行瓦斯放散初速度ΔP值的測定，測定結(jié)果表明，其瓦斯放散初速度ΔP值分別為2.9，3.2。 采用負(fù)壓采樣器對隧洞上游掌子面上中部和右上部進(jìn)行氣樣采集，進(jìn)行氣體組分測定，結(jié)果如表4。

表4 煤層氣體濃度分析

表4

3 預(yù)測及危害評估

3.1 隧洞瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)勘察成果及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 按照TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧洞技術(shù)規(guī)范》獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量公式進(jìn)行計算［8-9］：

式中 q1為掌子面由于煤塊暴露釋放瓦斯涌出量（m3/min）；q2為新鮮開挖斷面引起瓦斯涌出量（m3/min）；q3為噴射混凝土后隧洞瓦斯涌出量（m3/min）。 其中，可按式（2）計算：

式中 Va為每日開挖各循環(huán)爆落煤塊總體積（m3）；本研究根據(jù)設(shè)計提供開挖斷面及勘察揭露煤層分布情況取4m3（其中每日按開挖2m計算，洞室斷面上煤層厚度取0.4m，洞徑取5.2m，下同）；ρ為煤樣密度，取1.3t/m3；W為單位噸重煤樣釋放瓦斯量（m3/t），即原煤瓦斯含量與煤樣中殘存瓦斯量之差，根據(jù)勘測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得：W=W0-W′0=2.51-1.113=1.397（m3/t）。

為新鮮開挖斷面引起瓦斯涌出量， 可按式（3）計算：

式中 A為每日新鮮開挖煤層面積（m2），本次根據(jù)設(shè)計提供開挖斷面及勘察揭露煤層分布情況， 每日按開挖2m計算，取值為3.6m2；Q0為每分鐘每單位開挖新鮮煤層面積內(nèi)瓦斯的逸出初始強(qiáng)度，Q0=0.026W0［0.0004（Vr）2+0.16］=0.026×2.51×（0.0004×11.322+0.16）=0.0138 （m3·m-2min-1），Vr為 煤 層 揮 發(fā) 份 （%），取11.32；f（t）為瓦斯涌出量隨時間的衰減函數(shù)，f（t）=e-αt=e-0.0496×0.5=0.9755，α 為 衰 減 系 數(shù)，α=0.0047λ+0.0026=0.0047λ×10.0+0.0026=0.0496（d-1），λ為煤層的氣體滲透系數(shù)，參照《煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊》中統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)鉆孔揭露洞室部位煤層，節(jié)理裂隙發(fā)育，多為碎塊狀等狀態(tài)，其煤層透氣性較好，綜合考慮取10.0（m2·MPa-1·d-1）；t為新鮮開挖煤層面積的曝露時間，按規(guī)范可取0.5 d。

q3為噴射混凝土后隧洞瓦斯涌出量， 可按照式（4）計算：

式中 V為每日開挖進(jìn)尺，取2m；S為斷面周長取13.5m；K為噴射混凝土層的瓦斯?jié)B透系數(shù)，本次按普通混凝土取6×10-10m/min；P2為隧洞內(nèi)大氣壓強(qiáng)，按0.1MPa取值；ρa(bǔ)為瓦斯的密度， 取0.716kg/m3；Δ 為混凝土的噴射厚度， 本次取為0.15m；P0為瓦斯初始壓力，根據(jù)掌子面瓦斯逸出情況、鉆探過程孔口中無瓦斯氣體溢出、洞室部位煤層埋深較淺（80m左右）、上覆巖體受斷層影響完整性差及勘測數(shù)據(jù)， 原煤瓦斯含量為1.46～2.51m3/t，瓦斯含量較小。另根據(jù)《煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊》，表明洞室部煤層位于瓦斯風(fēng)化帶中， 一般瓦斯風(fēng)化帶中瓦斯初始壓力為0.15～0.20MPa， 結(jié)合上述資料和工程安全綜合考慮本次瓦斯初始壓力取0.3MPa。 α1為噴射混凝土支護(hù)地段瓦斯壓力衰減系數(shù)，取0.025；n為坑道內(nèi)煤巷與半煤半巖巷長度L（考慮已經(jīng)開挖噴護(hù)段逸出，本次采用長度100m）除以每日進(jìn)尺V，取50。

隧洞瓦斯涌出量：q=q1+q2+q3=0.005+0.048+0.0838=0.1368（m3/min）。

3.2 瓦斯對隧道工程危害評估

隧道瓦斯涌出是一種極其復(fù)雜的地質(zhì)動力現(xiàn)象， 受多種因素的影響， 具有不確定性和非線性特征。由于探測的局限性和瓦斯地質(zhì)條件的復(fù)雜性，洞室部位主要為灰黑色～黑色粉砂巖、 泥巖夾煤層，除煤層煤線外，粉砂巖、泥巖同樣含有少量黑色有機(jī)質(zhì)成分，本文對隧洞瓦斯量進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型，不排除在局部儲蓋組合良好的區(qū)域存在煤層瓦斯賦存條件急劇變化的可能， 此區(qū)域極易形成瓦斯包或氣囊。 因此，考慮工程安全等因素，建議在施工過程中，瓦斯絕對涌出量取為0.27m3/min，并加強(qiáng)超前探測，實(shí)時監(jiān)測掌子面瓦斯涌出量。

根據(jù)按照TB10120—2002《鐵路瓦斯隧洞技術(shù)規(guī)范》，瓦斯絕對涌出量0.27m3/min＜0.5m3/min；隧洞屬于低瓦斯隧洞，工區(qū)屬于低瓦斯工區(qū)。由測試成果可知，噸煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯壓力為0.3 MPa；地段等級屬二級。 瓦斯放散初速度ΔP為2.9～3.2，無瓦斯突出危險。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)洞室開挖圍巖情況和鉆探揭露，隧洞工區(qū)煤線和煤層主要位于粗砂巖夾粉砂巖和粉砂巖、泥巖夾煤層，CSK1鉆孔揭示最大煤層段長1.1m，平均段長0.46m；CSK2鉆孔揭示最大煤層段長0.6m， 平均段長0.28m。

（2）隧道內(nèi)的煤樣灰分小于80%，而揮發(fā)分在10%左右， 由測試成果可知噸煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯壓力0.3MPa；地段等級屬二級。瓦斯放散初速度ΔP為2.9～3.2，無瓦斯突出危險。 綜合判定隧洞屬于低瓦斯隧洞，工區(qū)屬于低瓦斯工區(qū)。

（3）隧道瓦斯涌出是一種極其復(fù)雜的地質(zhì)動力現(xiàn)象， 受多種因素影響， 具有不確定性和非線性特征。由于探測局限性和瓦斯地質(zhì)條件復(fù)雜性，本文對隧洞瓦斯量進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型， 不排除在局部儲蓋組合良好的區(qū)域存在煤層瓦斯賦存條件急劇變化的可能，此區(qū)域極易形成瓦斯包或氣囊。 因此，建議在施工過程中，瓦斯絕對涌出量取0.27m3/min，并加強(qiáng)超前探測，實(shí)時監(jiān)測掌子面瓦斯涌出量。