隧道穿越多煤層瓦斯抽采技術(shù)方案優(yōu)選*

楊智成，向中國(guó)，覃 嶺，陳治宏

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

1 研究背景

隧道穿越煤（巖） 與瓦斯突出地層，施工時(shí)極易引發(fā)瓦斯事故，增加施工成本，影響施工進(jìn)度。為了保證施工安全，施工前應(yīng)采取預(yù)排放的瓦斯控制措施。煤礦在煤（巖） 與瓦斯突出治理上已有成熟的理論和技術(shù)體系，相比而言，由于公路隧道具有施工斷面大、施工作業(yè)人員及施工設(shè)備多、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（例如JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》、JTG/T 3374-2020《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》等） 還不完善等特點(diǎn)，因此在借鑒煤礦行業(yè)理論和施工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，深入研究煤（巖） 與瓦斯防突技術(shù)體系，對(duì)公路隧道防突技術(shù)具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者對(duì)公路隧道防突技術(shù)和理論開展了研究。龍港等[1]以某公路隧道為研究對(duì)象，采用頂板穿層區(qū)域預(yù)抽瓦斯技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期區(qū)域防突效果，實(shí)現(xiàn)了安全揭煤施工。任青陽(yáng)等[2]以天城壩隧道為依托，優(yōu)化研究了水力壓裂增透技術(shù)在多煤層隧道揭煤防突施工中的應(yīng)有。熊文亮[3]采用理論研究、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了寶鼎2 號(hào)隧道采用水力割縫技術(shù)瓦斯抽采前后防突效果。李棟等[4]系統(tǒng)研究了大斷面瓦斯隧道揭煤綜合防突體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明能有效加快施工進(jìn)度。彭宇峰等[5]分析了玉京山隧道瓦斯突出煤層，針對(duì)穿層網(wǎng)格預(yù)抽法消突技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

上述學(xué)者多從單項(xiàng)防突技術(shù)開展研究，隨著防突技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)研究不同技術(shù)方案特點(diǎn)，匹配得出適應(yīng)于研究對(duì)象的合理方案，隨后進(jìn)行方案優(yōu)化，為公路隧道瓦斯治理思路提供參考。本文以桐梓隧道T7 標(biāo)為研究對(duì)象，系統(tǒng)比較了水平井CO2壓裂瓦斯抽采、小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采和分次穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的工藝參數(shù)和特點(diǎn)，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，為類似公路隧道穿越煤層瓦斯抽采提供參考。

2 工程概況

蘭州至?？趪?guó)家高速公路重慶至遵義段（擴(kuò)容工程） 桐梓隧道為三車道特長(zhǎng)大跨隧道。桐梓隧道設(shè)計(jì)文件表明，隧道含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，穿越P3l 煤系地層，開挖中需揭穿多個(gè)煤層，穿煤段段長(zhǎng)約175 m。為獲取煤系地層的地層發(fā)育、煤層發(fā)育、瓦斯地質(zhì)等地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)施工了瓦斯地質(zhì)參數(shù)孔TZ-C1。根據(jù)井煤層段瓦斯參數(shù)測(cè)定情況以及《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》關(guān)于煤層突出危險(xiǎn)性的判定，確定桐梓隧道煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

3 瓦斯抽采技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)快速抽采隧道掘進(jìn)斷面和隧道斷面輪廓左右上幫向外輻射12 m、隧道輪廓下幫向外輻射6 m范圍內(nèi)所有煤層瓦斯，達(dá)到煤層瓦斯含量＜8 m3/t，煤層瓦斯壓力＜0.74 MPa，減小隧道掘進(jìn)過(guò)程中的煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的目的。結(jié)合桐梓隧道實(shí)際以及目前工藝提出水平井CO2壓裂瓦斯抽采、小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采和分次穿層鉆孔瓦斯抽采3 種方案，并進(jìn)行綜合分析比較。

3.1 水平井CO2 壓裂瓦斯抽采

3.1.1 井位部署

考慮項(xiàng)目工作區(qū)周邊的地表地形及環(huán)境，井場(chǎng)選址布置于隧道右洞，并與煤系地層保持安全距離以提高固井質(zhì)量，保證壓裂安全。在具體部署時(shí)，隧道右洞YK40+309 及YK40+416 處各部署一口單分支L 型水平井（TZ-HF1 井、TZ-HF2 井），水平段穿越7 層煤，水平井軌跡設(shè)計(jì)方位與隧道平行。圖1 為井位及軌跡方位圖。TZ-HF1 井水平段設(shè)計(jì)205.21 m，TZ-HF2 井水平段設(shè)計(jì)202.53 m。

圖1 井位及軌跡方位圖

3.1.2 工程設(shè)計(jì)

水平井CO2壓裂瓦斯抽采主要工程設(shè)計(jì)包括：鉆井、鉆井液、地質(zhì)錄井、固井、測(cè)井、射孔、壓裂、抽采。相關(guān)設(shè)計(jì)要求如下。

1） 鉆井。受限于隧道內(nèi)空間位置，且井口距離著陸點(diǎn)和靶點(diǎn)的垂深差較小，優(yōu)選井型為單分支水平井。鉆機(jī)擬采用連云港黃海機(jī)械股份有限公司FDP-150 型。TZ-HF1 井和TZ-HF2 井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)：一開采用Φ311.1 mm 鉆頭，鉆至著陸點(diǎn)后繼續(xù)鉆進(jìn)20 m，下入Φ244.5 mm 套管固井，固井水泥返至井口；二開采用Φ215.9 mm 鉆頭，中靶后終孔，下入Φ139.7 mm 套管固井，固井水泥返至井口。

2） 鉆井液。出于快速鉆進(jìn)和安全鉆井考慮，一開鉆井液體系采用水基鉆井液，以防垮、防漏為主，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行相對(duì)密度和黏度的調(diào)整。二開進(jìn)入目的層，以前鉆井液以防垮、防漏和防水涌為主，進(jìn)入目的層至完鉆井深采用鉀基低固相低密度鉆井液，保證在欠平衡條件下鉆開煤層。鉆井液相對(duì)密度＜1.20 g/cm3，黏度＜40 S。此外，為保證地質(zhì)錄井準(zhǔn)確性，嚴(yán)禁在全井段鉆井液中使用含有熒光的處理劑。

3） 地質(zhì)錄井。本井目的層為泥頁(yè)巖及煤層，須配備偏光顯微鏡，將巖屑磨制成簡(jiǎn)易薄片，描述巖屑的巖性、孔隙結(jié)構(gòu)，并結(jié)合肉眼觀察進(jìn)行詳細(xì)記錄，著重于油氣水、孔隙、巖性及次生礦物觀察、描述和挑樣。全井及時(shí)建立1∶500 隨鉆錄井剖面，剖面繪制要求：地層層位、井深、巖性剖面、分層描述、油氣水顯示、鉆時(shí)、氣測(cè)曲線、鉆井液曲線等，目的層段要求標(biāo)注鉆井液添加劑情況及其他與油氣水顯示有關(guān)的資料。

4） 固井。固井包括技術(shù)套管固井（表層套管固井） 和生產(chǎn)套管固井。一開結(jié)束后，下入表層套管，封固松散層，使用G 級(jí)油井水泥，水泥漿平均密度1.85 g/cm3，固井水泥漿返至井口，固井結(jié)束候凝48 h。二開結(jié)束后，下入生產(chǎn)套管，封固地層，使用G 級(jí)油井水泥，水泥漿平均密度1.85 g/cm3，技術(shù)套管固井水泥漿返至井口。二開固井結(jié)束候凝48 h 試壓，試壓20 MPa，30 min 內(nèi)壓降＜0.5 MPa，視為合格。

5） 測(cè)井。儲(chǔ)層識(shí)別測(cè)井采用自然伽馬和人工伽馬，測(cè)量井段為0～井底，固井質(zhì)量檢測(cè)選用聲幅或變密度測(cè)井，測(cè)量井段為固井段。

6） 射孔。射孔管柱串由非開挖鉆機(jī)推送至目的層位，對(duì)煤層進(jìn)行60°相位螺旋射孔，射穿套管后進(jìn)入煤層。為實(shí)現(xiàn)7 層煤的瓦斯消突，保障各煤層的壓裂及消突效果，將煤層劃分為3 個(gè)組段進(jìn)行射孔壓裂，C1-C3 煤為一組段總厚度2.38 m，C4-C5 煤層為一組段總厚度2.90 m，C6-C7 煤層為一組段總厚度1.82 m。每組段之間地層最小垂向跨度分別為13 m 和48 m 左右，滿足分段壓裂下橋塞的要求。

7） 壓裂?？紤]安全性和施工場(chǎng)地面積，壓裂設(shè)備和人員布置于隧道外，通過(guò)長(zhǎng)3.36 km 高壓管線連接隧道內(nèi)的井口，優(yōu)選采用70%CO2+30%水的壓裂改造方式，施工過(guò)程中攜帶支撐劑入井，使得裂縫能長(zhǎng)久有效溝通。壓裂液配方：70%CO2+30%清水+1.5% KCl+0.02%殺菌劑+2%增稠劑。支撐劑選擇20/40 目（850～425 μm） 和40/70 目（1 180～850 μm） 低密度陶粒（密度1.0～1.3 g/cm3），比例初步擬定為2∶1 左右，加砂量10 m3/m。

8） 抽采。抽采包括兩個(gè)階段，第一階段為自主產(chǎn)水產(chǎn)氣階段，該階段地層壓力較高，地層流體在地層壓力作用下向井口流動(dòng)，降低儲(chǔ)層壓力。自主產(chǎn)水產(chǎn)氣階段可細(xì)分為溢流產(chǎn)水階段、快速降壓階段、臨界解吸階段和穩(wěn)定產(chǎn)氣階段4 個(gè)階段。第二階段為負(fù)壓設(shè)備輔助抽采階段，地層壓力降低且井口無(wú)溢流產(chǎn)水后的抽采階段，此階段地層壓力較低，需采取負(fù)壓抽采設(shè)備輔助排水采氣，負(fù)壓抽采裝備包括壓縮機(jī)、過(guò)濾器、自動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻器和瓦斯燃燒爐等主要裝備。

3.2 小導(dǎo)洞CO2 致裂瓦斯抽采

3.2.1 方案概述

小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采采用頂抽巷與底抽巷相結(jié)合的方式治理煤層瓦斯。頂抽巷（小導(dǎo)洞） 距離C7 煤層法線距離10 m，由T8 合同段開挖，開挖樁號(hào)YK40+152，設(shè)計(jì)巷道寬5 m、高4.5 m、長(zhǎng)168 m。底抽巷（小導(dǎo)洞） 距離C1 煤層法線距離10 m，由T7 合同段開挖，開挖樁號(hào)ZK39+863，設(shè)計(jì)巷道寬5 m、高4.5 m、長(zhǎng)87 m。圖2 為頂抽巷（小導(dǎo)洞） 布置位置圖。

圖2 頂抽巷（小導(dǎo)洞）布置位置圖

頂抽巷需施工鉆孔工程量共計(jì)34 873 m/906 孔，底抽巷需施工鉆孔工程量共計(jì)13 380 m/432 孔。

3.2.2 預(yù)抽瓦斯參數(shù)

瓦斯抽采巷內(nèi)采用ZYW-3200 型煤礦液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工穿層預(yù)抽鉆孔。石門揭煤抽放鉆孔直徑94～120 mm，在地質(zhì)條件變化劇烈地帶可采用直徑42～75 mm 的鉆孔。沿掌子面開挖方向，抽放鉆孔控制煤層范圍為上幫、左幫、右?guī)驮谳喞€以外，鉆孔長(zhǎng)度≥12 m，下幫≥6 m（煤層線方向距離）。掌子面預(yù)抽鉆孔終孔間距為4.0 m，實(shí)際考察后按照預(yù)抽時(shí)間確定相應(yīng)的終孔間距。預(yù)抽鉆孔采用兩堵一注封孔工藝，封孔材料由兩堵一注、封孔管（1.25 MPa、Φ50PVC 管和1.25 MPa、Φ32PVC 管）、馬麗散、水泥、囊袋、閥門及其它輔材，封孔深度≥8 m，封孔管直徑≥32 mm。有效抽采時(shí)間≥20 d，如果在鉆孔施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有噴孔、頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象的，有效抽采時(shí)間≥60 d。每組預(yù)抽孔應(yīng)有計(jì)量裝置和控制閘門，支管和主管必須有計(jì)量裝置和自動(dòng)放水裝置。

3.2.3 CO2致裂實(shí)施方案

C1-C3 煤層組CO2增透鉆孔共布置28 排，排間距8 m，每排布置5 個(gè)鉆孔，共布置140 個(gè)鉆孔。C4-C7 煤層組CO2增透鉆孔共布置27 排，排間距8 m，每排布置7 個(gè)鉆孔，共布置189 個(gè)鉆孔。

3.2.4 抽放系統(tǒng)方案

鉆孔設(shè)備選用煤礦許用本質(zhì)安全型鉆機(jī)，鉆機(jī)輸出扭矩應(yīng)在1 200 N·m 以上。考慮封孔工藝的操作復(fù)雜程度、封孔速度及封孔效果等因素，抽放鉆孔封孔方式推薦采取聚氨酯材料，封孔深度5～8 m?？變?nèi)抽放管采用5 cm 雙抗塑料管或鐵管，孔徑為50 mm。抽放管在孔內(nèi)端鉆10～20 個(gè)直徑為10 mm 的小孔，并用雙層鐵篩網(wǎng)扎好。隧道瓦斯抽放管選用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為DN150，PN=0.8 MPa，長(zhǎng)度為3 700 m?；谕咚钩榉疟玫挠?jì)算流量Q與吸氣壓力H，設(shè)計(jì)推薦選用2BEC-42 型水環(huán)式真空泵及壓縮機(jī)，其標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)為最大氣量110 m3/min，極限真空160 hPa，配用功率132 kW，轉(zhuǎn)速330 r/min。抽放主管路選用無(wú)縫鋼管，規(guī)格為D300，PN=0.8 MPa。

3.3 分次穿層鉆孔瓦斯抽采

C1-C3 煤層作為一組，C4-C7 煤層作為一組，掌子面分二次實(shí)施“分次穿層鉆孔瓦斯抽采”，分步治理過(guò)煤層段的煤層瓦斯。左洞第一次在ZK39+863 對(duì)C1-C3 煤層實(shí)施防突措施，有效后開挖至ZK39+902 對(duì)C4-C7 煤層實(shí)施防突措施，有效后開挖至隧道貫通。右洞第一次在YK40+152 對(duì)C1-C3煤層實(shí)施防突措施，有效后開挖至YK40+191 對(duì)C4-C7 煤層實(shí)施防突措施，有效后開挖至隧道貫通。左洞第1 次C1-C3 煤層鉆孔工程量合計(jì)為7 891 m/198 孔（右洞相同），第2 次C4-C7 煤層鉆孔工程量合計(jì)為10 701.8 m/242 孔（右洞相同），左洞及右洞共需施工鉆孔工程量37 185.6 m/880 孔。預(yù)抽瓦斯參數(shù)及抽放系統(tǒng)與方案二中一致。

4 方案優(yōu)選

從技術(shù)成熟度、預(yù)期抽采效果、臨建、施工干擾、工期和經(jīng)濟(jì)性6 個(gè)方面，對(duì)水平井CO2壓裂瓦斯抽采（方案一）、小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采（方案二） 和分次穿層鉆孔瓦斯抽采（方案三） 各方案進(jìn)行詳細(xì)比較分析。

1） 技術(shù)成熟度。方案一采用地面煤層氣開發(fā)技術(shù)，鉆井施工過(guò)程中煤層具有較大的垮塌風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在下套管過(guò)程中可能導(dǎo)致套管不能下至設(shè)計(jì)深度，對(duì)于近似于躺著的水平井，水泥漿凝固后離析現(xiàn)象難以控制，很有可能在井段水泥環(huán)上面形成一條通道，從而導(dǎo)致固井失敗，采用的CO2壓裂國(guó)內(nèi)亦少在煤層氣井中應(yīng)用，技術(shù)成熟低，實(shí)施難度高；方案二采用小導(dǎo)洞CO2增透提前預(yù)抽，CO2致裂增透在煤礦應(yīng)用較多，技術(shù)成熟度高；方案三采用目前效果比較好的兩堵一注囊袋式封孔工藝，技術(shù)成熟度高。綜上所述，方案二和方案三技術(shù)成熟度均較高。

2） 預(yù)期抽采效果。方案一技術(shù)因煤非均質(zhì)特性，瓦斯抽采效果難以保證，后期需要對(duì)未達(dá)標(biāo)區(qū)進(jìn)行小范圍穿層鉆孔補(bǔ)充抽采；方案二技術(shù)在煤礦中應(yīng)用廣泛，布孔數(shù)量與距離合理，更易于達(dá)到預(yù)期的抽采效果；方案三技術(shù)能達(dá)到預(yù)期效果，可能受煤層不穩(wěn)定影響，導(dǎo)致局部煤層增厚，抽采時(shí)間變長(zhǎng)。綜上所述，方案二和方案三均易于達(dá)到預(yù)期抽采效果，而方案三更容易受地質(zhì)條件變化導(dǎo)致抽采工期不可控。

3） 臨建。方案一增加施工用地、施工用水和抽采管材等投入；方案二增加施工抽采巷道、抽采管材等投入；方案三僅增加T7 合同段的抽采管材等投入。綜上所述，方案三投入臨建設(shè)施較少。

4） 施工干擾。方案一在鉆進(jìn)、固井、壓裂施工期間T8 標(biāo)段隧道右洞的掘進(jìn)需停止施工，左洞掘進(jìn)至ZK40+200 后需停止施工；方案二小導(dǎo)洞施工開始時(shí)間為T8 標(biāo)段右洞掘進(jìn)至7 煤法線10 m 處的時(shí)間，后期小導(dǎo)洞掘進(jìn)及瓦斯治理工程不影響T8 標(biāo)段左洞施工；方案三僅單洞開挖，兩洞不能同時(shí)開挖，需保持50 m 同向開挖距離和分次進(jìn)行揭煤作業(yè)。綜上所述，方案二基本無(wú)干擾。

5） 工期。方案一按照當(dāng)前進(jìn)度需279 d 進(jìn)行施工和抽采，預(yù)計(jì)2022 年9 月完成抽采，2023 年4月1 日完成貫通，存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，工期可控性差；方案二按照當(dāng)前進(jìn)度需140 d 進(jìn)行瓦斯消突防治，預(yù)計(jì)2022 年5 月完成抽采，2023 年1 月30日完成貫通，工期可控；方案三按照當(dāng)前進(jìn)度需進(jìn)行兩次瓦斯治理，共152 d 進(jìn)行瓦斯消突防治，第二次瓦斯治理預(yù)計(jì)2022 年12 月完成抽采達(dá)標(biāo)，2023 年7 月17 日完成貫通，受煤層變化可能導(dǎo)致抽采工期增加。綜上所述，方案二工期較短且可控，能滿足在T7 標(biāo)段右洞掘至揭煤點(diǎn)之前完成瓦斯抽采一次性達(dá)標(biāo)，貫通時(shí)間比方案三可提前近6 個(gè)月。

6）經(jīng)濟(jì)性。方案一瓦斯治理費(fèi)用概算大約需要3 742.5 萬(wàn)元；方案二瓦斯治理費(fèi)用概算大約需要3 323.3 萬(wàn)元；方案三瓦斯治理費(fèi)用概算大約需要1 637.5 萬(wàn)元。表1 為工程費(fèi)用清單。

表1 工程費(fèi)用清單

綜合分析可知，重點(diǎn)考慮技術(shù)成熟度、預(yù)期抽采效果與施工工期因素影響，推薦采用小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采（方案二） 作為煤層段揭煤瓦斯治理技術(shù)方案。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)桐梓隧道T7 標(biāo)揭煤段施工，共提出了3 種瓦斯抽采技術(shù)方案，并對(duì)各方案技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選出小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采為最優(yōu)技術(shù)。

2） 小導(dǎo)洞CO2致裂瓦斯抽采具有技術(shù)成熟度高，抽采效果好，對(duì)施工基本無(wú)干擾，工期短且可控等優(yōu)勢(shì)。

3） 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，小導(dǎo)洞CO2致裂抽采瓦斯技術(shù)相關(guān)參數(shù)和瓦斯抽采范圍仍需優(yōu)化。