探析深部瓦斯隧道瓦斯治理技術

王登廣

中國鐵建昆侖投資集團有限公司 四川 成都 610093

引言

我國西部多山，鐵路和高速交通線路在穿越山區(qū)時必然需要修建大量的隧道工程。截止2017年底，中國鐵路營業(yè)里程達12.7萬km，其中投入運營的鐵路隧道14547座，總長15326m[1]。部分隧道要揭穿煤系地層，有些煤系地層埋深較深，局部埋深達到800m以深，瓦斯賦存情況比較復雜，出現(xiàn)“三高一低”現(xiàn)象，即瓦斯壓力瓦斯含量高、地應力高及透氣性低。給隧道建設帶來極大的困難，容易引發(fā)瓦斯燃燒、瓦斯窒息、瓦斯爆炸及瓦斯突出等事故[2-3]。如2017年5月2日在建高鐵七扇巖隧道發(fā)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。隧道瓦斯問題時長期困擾隧道安全高效施工。

所以對于深部瓦斯隧道除了要做到地質(zhì)構(gòu)造精準探測外，還需加強瓦斯治理技術積累。本文通過文獻檢索結(jié)合煤礦常用的瓦斯治理措施，探討深部瓦斯隧道瓦斯治理技術。

1 工程概況

成昆鐵路米（易）-攀（枝花）段保安營1 號隧道全長13326m，為客貨共線單線電力牽引鐵路，最大埋深約887m，屬大埋深、特長隧道。

為滿足安全高效施工需要，全隧共設3 座斜井，分別為1#斜井、2#斜井及3#斜井，全長分別為2460m、1898m、884m。其中1#主斜井工區(qū)、2#斜井工區(qū)原設計為低瓦斯工區(qū)由于瓦斯異常均變更為高瓦斯工區(qū)。

1#斜井為穿層掘進，設計坡度9.2%，需揭穿三疊系上統(tǒng)寶鼎組下段（T3bd1）煤系地層。保安營1號隧道1號斜井施工至X1DK1+570里程時，開挖工作面揭露一層約0.3m厚的黑色、松軟、顏色暗淡巖層，施工班組在開挖工作面施焊時發(fā)生不明氣體燃燒。2#斜井工區(qū)正洞為穿越斷層掘進，2#斜井正洞工區(qū)施工至LXD4K8+230里程時，開挖工作面出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?，至此工作面停止作業(yè)。

2 我國瓦斯隧道瓦斯治理現(xiàn)狀

2.1 瓦斯排采技術

瓦斯排放措施在現(xiàn)掌子面位置實施。鉆孔沿排放層層面呈輻射狀布置，開孔點間距約1m，鉆孔長度5-8m。鉆孔直徑為Φ65mm。每施工完一個排放孔，將排放孔封孔。封孔方法為將一寸PVC管頭部鉆花眼，塞入排放孔內(nèi)，封孔長度3～5m。排放管管口卷纏棉紗及馬麗散進行封堵。鉆孔孔封好后，用軟管連接至“掃把頭”進行匯流，如圖1所示。

圖1 引排系統(tǒng)布置示意圖

2.2 瓦斯異常涌出段“鉆墻”截流瓦斯技術

對于裂隙瓦斯，根據(jù)鉆孔有效抽采瓦斯影響半徑，在隧道兩側(cè)設計并施工一定數(shù)量的超前鉆孔，在隧道輪廓線外形成截流瓦斯的“鉆墻”，在瓦斯抽采系統(tǒng)的負壓作用下，高效阻止瓦斯異常涌出區(qū)（段）的瓦斯進入掌子面，確保治理措施不干擾或者少干擾隧道掘進。

具體做法是：每隔150m，在掌子面10m之后隧道兩側(cè)交錯施工一個鉆場，為避免應力集中，兩側(cè)鉆場位置錯開30m。使之在隧道輪廓線外約4m的巖（煤）體內(nèi)形成一堵彎曲的 “鉆墻”，使之“包裹” 要掘進的隧道，抽截煤巖瓦斯。如圖2所示。

圖2 “鉆墻”鉆孔布置設計圖

2.3 揭煤防突技術

對于需要揭穿較穩(wěn)定煤層的瓦斯隧道，需要根據(jù)鐵路行業(yè)規(guī)范《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》，參照煤炭系統(tǒng)《防治煤與瓦斯突出細則》（2019）、《煤礦安全規(guī)程》（2022）等規(guī)定，制定瓦斯隧道“四位一體”的綜合防突措施，揭煤過程主要包括突出危險性預測、防突措施、效果檢驗和遠距離放炮安全技術措施四個部分[4-5]，如圖3所示。

圖3 揭煤設計防突流程

3 深部瓦斯治理面臨的問題

3.1 深部瓦斯隧道瓦斯災害威脅巨大

隨著瓦斯隧道埋深的增加，需要揭穿的煤系地層瓦斯賦存條件更加復雜。瓦斯參數(shù)（瓦斯壓力和瓦斯含量）、地應力和瓦斯涌出量不斷增大，造成瓦斯災害嚴重。一方面，工區(qū)的瓦斯等級提升，由低瓦斯轉(zhuǎn)變成高瓦斯或高瓦斯轉(zhuǎn)變成突出工區(qū)。與淺層瓦斯為主的突出不同，深部是應力為主的突出、巖爆和煤與瓦斯突出復合動力災害，突出強度增加，誘導突出的原因復雜。另一方面，深部的煤系地層的滲透率一般比較差，抽采和排放時間較長。

3.2 深部煤系地層瓦斯?jié)B流理論不完善

煤巖層的孔隙結(jié)構(gòu)復雜且不均一，瓦斯在煤體中的流動基本上不符合達西定律。而目前的研究手段局限在數(shù)值分析及數(shù)值模擬，缺乏大量的物理模擬及現(xiàn)場工程試驗數(shù)據(jù)支撐。瓦斯?jié)B流理論研究進展緩慢，且煤層氣資源評估、煤層瓦斯涌出量預測方法、煤層氣產(chǎn)能預估等仍然多依靠經(jīng)驗公式，結(jié)果與真實情況差別偏大。

3.3 瓦斯防治關鍵技術問題尚未有效突破

西南山區(qū)隧道圍巖較破碎，巖性變化頻繁。抽排鉆孔在軟硬巖交替處或破碎段施工時會產(chǎn)生偏移，實際施工的鉆孔終孔位置和設計位置偏差較大，甚至達到10-20m。故瓦斯富集區(qū)域很難實現(xiàn)均勻布孔。鉆孔間距較大的區(qū)域形成空白帶，間距較小的區(qū)域又會產(chǎn)生穿孔，影響瓦斯抽采效果，無法短時間內(nèi)達到消除煤與瓦斯突出的目的。隧道瓦斯治理技術起步較晚，很多技術參數(shù)都是參考煤礦系統(tǒng)，各類技術的實用性還有待商榷。

4 深部隧道瓦斯治理的對策

4.1 瓦斯?jié)B流理論研究

4.1.1 增透理論研究。對低透氣性煤層深入開展氣液固多場多相耦合作用下水力化措施，松動爆破，CO2相變致裂等增透機理及滲透規(guī)律試驗研究，積極探索低滲松軟煤層的機械造穴、微波及可控沖擊波、氣潤濕反轉(zhuǎn)等增透技術原理及適用條件，匹配不同地質(zhì)條件，不同變質(zhì)程度煤層的技術適用性。

4.1.2 大斷面巷道松動圈的范圍。鐵路隧道跟煤礦巷道比較具有斷面大的特點，有必要開展大斷面條件下的巷道松動圈的范圍研究，為瓦斯抽采鉆孔的封孔參數(shù)提高科學依據(jù)。

4.1.3 深部隧道掌子面自卸壓范圍。根據(jù)巖石力學采動卸壓理論可知，掌子面會在工作面前方形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū)。其中，卸壓區(qū)內(nèi)各類裂隙均較發(fā)育，因而滲透性比較好；靠近卸壓區(qū)的部分應力集中區(qū)煤體同樣受到采動應力破壞而產(chǎn)生損傷裂隙，使得透氣性顯著增加，鉆孔施工到這些區(qū)域瓦斯抽采效果較好。

4.2 加強關鍵技術及裝備研發(fā)

研發(fā)瓦斯抽采鉆孔的保直防斜技術及裝備，解決打鉆過程中出現(xiàn)的偏斜問題，改善鉆孔的成孔質(zhì)量，提高瓦斯抽采的效果。研發(fā)瓦斯含量、瓦斯壓力精準測試技術及裝備，精確獲得煤系地層真實瓦斯含量和壓力，通過井下物探、鉆探或工程揭露等手段，精準掌握煤層地質(zhì)構(gòu)造特征及其展布。研發(fā)封孔與漏氣處置一體化的鉆孔封孔技術及裝備，開發(fā)能與隧道抽采監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的抽采鉆孔封孔質(zhì)量檢測儀，實現(xiàn)封孔質(zhì)量在線監(jiān)測，提高煤層鉆孔瓦斯抽采效果，消除煤層的煤與瓦斯突出危險性。

5 結(jié)束語

隨著隧道工程多次穿越煤系地層，瓦斯災害已逐漸發(fā)展為瓦斯隧道施工建設過程中重大地質(zhì)災害之一。鐵路系統(tǒng)目前可執(zhí)行的規(guī)范僅有《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》，因此，為減少和防止隧道建設過程中瓦斯災害的發(fā)生，我們?nèi)孕柙诘刭|(zhì)構(gòu)造的精準探測，瓦斯技術參數(shù)的測試，低透氣性煤系地層的卸壓增透，瓦斯抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化等方面加強理論、實驗室及現(xiàn)場實測研究。