公路隧道施工中瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测.pdf

5 0。 赖伟清， 梁 勇 公路隧道施工中瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测 2 0 1 5 ． N o ． 3 更加细致地查明瓦斯赋存情况及采空回填区内充 体的工程特性 ， 了解和预判开挖段瓦斯赋存情况。 对煤系地层、 含煤 煤线 地层、 采空区等重 点地段 ， 在岩体产状、 主要结构面 断层、 层理及 节理、 裂隙等 产状、 性质、 延伸长度等进行定量 量测的基础上 ， 进行统计和定性分析。并分析岩 体产状和优势结构面控制下 ， 掌子面前方煤系地 层 、 含煤 煤线 地层、 采空区等的位置和部位 。 2 ． 2 物理探测法 物理探测法有地震波法、 地质雷达探测法、 红 外探测法等。这里以玉蟾山隧道瓦斯地质超前预 报过程中主要 采用 的 T G P法 地震 波法 中的一 种 为例进行介绍。 T G P法地质超前预报工作原理， 是利用在 隧 道围岩以排列方式激发弹性波， 弹性波在 向三维 空间传播的过程中， 遇到波阻抗界面 ， 即地质岩性 变化的界面、 构造破碎带、 岩溶和岩溶发育带等 ， 会产生弹性波的反射现象 。这种反射波被布置在 隧道围岩内的检波装置接收下来 ， 输人到仪器 中 进行信号的放大、 数字采集和处理， 实现拾取掌子 面前方岩体 中的反射波信息 ， 达到预报的 目的。 瓦斯赋存区域和部位的预报是通过探测 ， 在 了解掌子面前方岩体产状、 主要结构面 断层 、 层 理及节理、 裂隙等 产状 ， 尤其是煤 系地层、 含煤 煤线 地层 、 采空区等的位置和部位等地质情况 的基础上 ， 根据瓦斯赋存地质条件和特点进行推 测而得出的。因此 ， 要 比较准确地预测出瓦斯 的 赋存区域和部位 ， 就必须准确地对掌子面前方地 质情况做出预报。因此 ， 瓦斯地质预报的难度更 大 ， 对精度的要求更高。 与普通隧道地质超前预报相 比， 瓦斯地质超 前预报有以下特点 1 瓦斯作为 比重小的气体， 见缝就钻、 见 隙 就溢 ， 并且溢出的时间及部位均表现 出明显的随 机性 ， 因此 ， 即便地质预报的准确度很高 ， 也只能 推测出瓦斯可能存在的区域和部位 ， 但是否一定 存在瓦斯， 瓦斯浓度的大小是多少， 则需要进一步 探测和检测才能确定 ； 2 瓦斯易燃、 易爆的特点要求瓦斯地质预 报现场探测前 ， 要有专 门的瓦斯检查员对整个 隧 道易积聚瓦斯的部位进行全面检测 ， 确保隧道 内 各个部位瓦斯浓度为零。在现场探测前和探测过 程中， 隧道内要进行充分、 持续 的通风 ， 预报工作 人员禁止携带易燃 、 易爆设备。 2 ． 3 超前钻探法 地质分析和超前物探预测为富含瓦斯段进行 超全钻探 ， 辅以探孔 口的瓦斯浓度监测 ， 以进一步 确认和验证。 2 ． 3 ． 1 超前探孔的施做 瓦斯超前探孔分为验证孔和定位孔两种 ， 由 施工方根据设计文件要求和现场地质分析和超前 物探的需要进行钻探 要求采用湿钻 。钻孔过 程 中由地质工程师全程进行观察 ， 由瓦斯检测员 进行瓦斯浓度监测 ， 并现场记录打钻动力现象和 孔 口瓦斯浓度变化 ， 以收集 和掌握判断前方地质 情况的现场第一手资料。 1 验证孔。在距预测瓦斯 位置 2 0 m～3 0 m 垂距处的工作面中部 可根据现场实际情况调整 部位 打 3 0 m深的超前验证孔 一般用 b 8 9 m m ， 每一循环搭接 5 m 以上 ， 以对 瓦斯赋存位置进行 验证和定位 ； 2 定位孔 。在距瓦斯富集带 1 0 m垂距处 的 隧道上台阶掌子面 ， 按设计要求孔位和角度施做 探测孔 ， 以准确探测开挖工作面前方上部及左右 瓦斯富集位置。 2 ． 3 ． 2 超前探孔施做过程中的监测 在所有瓦斯超前探孔施做时 ， 地质工程师对 钻孔过程 中的瓦斯、 煤浆 、 煤粉 、 水从钻孔 中喷出 喷孔、 喷水 或高压 瓦斯将钻杆 向外推 顶钻 、 夹钻、 抱钻 、 顶水等打钻动力现象进行观察并记 录， 每钻进 2 m瓦斯 检测员用光学瓦检仪对孔 口 瓦斯浓度进行检测并如实记录。 3 隧道高瓦斯段瓦斯突出风险预测 瓦斯地质超前预报确定为高瓦斯地层段 ， 须 进行瓦斯突出风险预测 ， 充分利用超前探孔进一 步进行相关指标的检测来预测。根据 铁路瓦斯 隧道技术规范 T B I O 1 2 0 2 0 0 2 要求， 瓦斯突出 危险性预测应从①瓦斯压力法； ②综合指标法； ③ 钻屑指标法； ④钻孔瓦斯涌出初速度法； ⑤“ R ” 指 标法等 5种方法中选用两种方法 ， 相互印证。这 里 以玉蟾山隧道瓦斯突出危险性预测所采用的钻 孔瓦斯涌出初速度法和瓦斯压力法为例进行介 绍 。 3 ． 1 超前探孔内瓦斯涌出初速度 Q的测定 2 0 1 5 ． N o ． 3 四川水利 5 1 瓦斯涌出初速度的测定 ， 目前常采用 Z WC 一 1 型瓦斯 q值测定仪。根据国 内外专家证实 ， 当打 眼结束后 2 mi n时 ， 瓦斯 涌出流量可达 到最大值。 因此 ， 测定钻孔瓦斯涌出初速度时， 封孑 L 测定工作 必须在 2 ra i n内完成 ， 读数 时间在打眼后 2 mi n进 行较为理想 。测定操作过程需注意以下几点 1 超前探孔打到预定深度后 ， 将孔 中钻屑 排净 ， 立即将钻杆拉出钻孔 ； 2 用封孔器的排气管将封孔器送到钻孔预 定位置 ， 前方 留出一定 的测量气 室长度 0 ． 5 m， 1 Il1 ； 3 用打气筒向封孔器充气， 使表压力达到 0 ． 2 MP a左右 ； 4 将 Z WC 一 1型 瓦斯 q值测定仪与排气管 连接； 前述四项工作要求在 2 m i n内完成。 5 观察流量计读数约 3 m i n ， 待流量计稳定 时读取最高流量值 ； 6 在测定流量之前， 要预先估计所测流量 的大小 ， 以便选取合适的量程 ； 7 当钻孔 中煤粉排不净 时， 在推拉封孔 器 的过程中会造成封孔器前端堵塞， 测不 出流量 ， 此 时可用打气筒 向排气管中充气 ， 吹开堵塞的煤粉， 再测定流量 ， 但时间不得过长。 3 ． 2 超前探孔内瓦斯压力 P的测定 瓦斯压力测定 的关键步骤是封孔 ， 封孔是否 严密决定着测 出的压力是否为孔内瓦斯压力的真 实值 。目前常采用 A C W一 1 型瓦斯压力测定仪进 行测定。它的封孔测压原理是用膨胀着的胶圈封 高压粘液 ， 再由高压粘液封高压瓦斯 ， 由压力表测 定瓦斯压力。这种测压方法的要点是在测压过程 中要始终保持粘液的压力大于瓦斯压力 ， 从而消 除瓦斯 向外泄漏 ， 能 比较 准确 的测定 瓦斯压力。 为了缩短测压时间， 测压时可向孔内注气 ， 以补偿 在打钻和封孔过程 中释放的瓦斯量 ， 停止注气后 数 日， 压力表就是所测的瓦斯压力。 3 ． 3 瓦斯突出风险预测指标 对超前探孔 口检测到的数据进行整理分析 ， 并结合瓦斯超前预报结果 ， 就可以推 断开挖面是 否存在瓦斯突出的危险性。在实施超前钻孔时， 如遇顶钻或卡钻等现象或者瓦斯压力测试值超过 0 ． 7 4 MP a ， 又或瓦斯涌出初速度超过 4 L ／ m i n ， 则表 明掌子面存在瓦斯突出危险。瓦斯突出危险性 的 预测指标如表 1所示。 表 1 瓦斯突出风 险预测指标 指标类型 预测方法 预测指标突出危险性临界值 钻孔瓦斯压力法P 0 ． 7 4 M P a 定 量指标 钻孔瓦斯涌出初速度法 Q 4 L ／ ra i n 定 性 指 标鼻 蓥 篙类 詈 要 篓 喷 孔 等 动 办 现 象 时 4预报预测 实例 4 ． 1 工程概况 玉蟾山隧道是国道 3 2 1 线纳溪至泸县一级公 路改建工程 中的一段 。隧道进 出 口地形坡度较 缓 。 穿越的地层主要岩性为砂岩 、 泥质砂岩、 泥岩、 页岩及灰岩 ， 其轴线 与岩层走向近正交。隧道最 大埋深约 2 1 5 m， 属于低地应力 区。 隧址区主要的不 良地质现象为煤矿中的的瓦 斯及老煤窑采空 区， 为高瓦斯 隧道 ， 2 0 1 3年 5月 1 2日发生瓦斯爆炸事故的桃子沟煤矿就在该 区 域内。 隧址区穿过三叠系上统须家河组 T 3 x j 为含 煤岩系 ， 煤层均赋存在须家河组五段中， 三叠系上 统须家河五段 T 3 x j 5 含煤 7～1 2层 ， 总厚 1 ． 2 3 m ～ 2 ． 6 6 m， 平均 1 ． 3 5 m， 含煤系数 1 ． 8 ％。 在隧道进洞 口附近分布有 3处煤矿及其采空 区， 其 中玉蟾山煤矿三胜煤厂及麻柳坝煤矿 已停 产 ， 堆金湾煤 矿现仍在开采 。煤矿收集到的相关 瓦斯 资 料 显 示 ， 金 湾 煤 矿 瓦 斯 绝 对 涌 出量 为 3． 7 9 m。 ／mi n ，相 对瓦斯 涌 出量 为 3 8 ． 8 5 1 m ／ t ， 为 高瓦斯矿井 。详勘工作对玉蟾山隧址区内煤地层 进行的瓦斯压力测定结果为 0 ． 7 8 MP a ， 结合收集 的堆金湾煤矿瓦斯资料 ， 判断隧道穿越煤层 为高 瓦斯煤系地层。 由区域资料显示， 隧址区主要的瓦斯煤层为 龙骨炭煤层 ， 在施工中， 瓦斯突出的可能性大 ， 在 开挖前须做好瓦斯超前预报及探测 。并在高瓦斯 区段做好瓦斯突出风险预测 ， 为在施工 中采取相 应的瓦斯防治措施提供技术支持。 4 ． 2 超前地质预报及瓦斯突出风险 玉蟾山隧道进 口右线开挖至 Y K 1 8 5 2 9 3 0 m后 掌子面有煤线出露 ， 参考之前开挖 的约 1 0 m范围 内掌子面和洞壁地质素描隋况， 结合区域相关地质 资料和洞 口地表纵向方 向约 Y K 1 8 5 2 9 3 5 m处 ， 调 5 2‘ 赖伟清， 梁 勇 公路隧道施工中瓦斯超前地质预报及瓦斯突出风险预测 2 0 1 5 ． No ． 3 查到有已回填的老煤窑洞口， 推断隧道开挖已进入 煤系地层段。在 Y K 1 8 5 2 9 3 6 m掌子面安排物探对 前方瓦斯地质情况进行探测 ， 物探结果表明， 掌子 面前方 2 5 m范 围内岩性以强风化泥岩、 泥质砂岩 为主， 岩体呈典型镶嵌碎裂状结构， 岩层层间结合 差 ， 岩体破碎 ， 节理间多泥质充填。受隧道埋深浅 的影响， 岩体表面风化裂隙十分发育。结合地表调 查发现上覆泥土层在 2 m 4 m之间， 预测掌子面前 方已进入煤系地层 ， 且具备赋存瓦斯的地质条件， 但在地表覆盖厚度有限、 裂隙较发育且气密性不高 的地质条件下， 瓦斯储存在岩 煤 层的可能性较 小 ， 建议在设计煤系地层开始桩号 Y K 1 8 5 2 9 4 0 m 的基础上提前 4 m， 从 Y K 1 8 5 2 9 3 6 m掌子面开始按 设计要求打超前探孔进行瓦斯检测。超前探孔施 做过程中， 没有观察到异常的打钻动力现象且孔 口 数次检测到的瓦斯浓度极低， 均未超过 0 ． 2 ％。由 此瓦斯地质超前预报工作推测 ， 在 Y K 1 8 5 2 9 3 6 m 掌子面前方 2 5 m范围内有出现， 但瓦斯赋存量和 瓦斯浓度不会很高， 也没有必要对掌子面瓦斯突出 危险性进行 进一步 的预测。后续在对 Y K 1 8 5 2 9 3 6 m Y K 1 8 5 2 9 6 1 m段开挖过程 中， 在 Y K 1 8 5 2 9 4 7 m～ Y K 1 8 5 2 9 5 2 m段开挖 出一直径约 2 m的老 煤窑回填体在整个开挖过程中监测到的瓦斯浓度 都比较低。监测 的结果验证了瓦斯地质超前预报 工作的准确性。 从瓦斯地质超前预报结果和后续开挖结果表 明， 隧道右线从 Y K1 8 5 2 9 3 6 m掌子面进入煤 系 地层段 ， 直至开挖至 Y K 1 8 5 2 9 9 0 r n时依然在煤 系地 层 段 内。随着 隧 道 埋 深 的加 大 ， 加 之 从 Y K 1 8 5 2 9 9 0 m开始地表覆土层明显增厚 ， 结合物 探结果 ， 预测 Y K 1 8 5 2 9 9 0 m掌子面前方地质条 件向有利于瓦斯储存的方向发展， 瓦斯赋存在岩 煤 层的可能性加大。建议严格按设计要求 打 超前探孔进行瓦斯检测 。在 Y K 1 8 5 2 9 9 2 m掌子 面打超前探孔过程 中没有观察到异常的打钻动力 现象 ， 但孔 口检测到的瓦斯浓度有增大趋势 ， 成孔 后的几天内 ， 孔 口瓦斯浓度甚至一度达 到 1 0 ％。 因此 ， 安排 了对超前探孔孔 内瓦斯涌出初速度 Q 和孔内瓦斯压力 P的检测 ， 检测结果为 ， 瓦斯 涌 出初速度超过 1 ． 8 L ／ ra i n ， 未超过 4 L ／ mi n ， 瓦斯压 力测试值为 0 ． 2 3 MP a ， 也未超过 0 ． 7 4 MP a 。结合 在 Y K 1 8 5 2 9 9 3 m掌 子 面做 的 物探 结 果 ， 推 测 Y K 1 8 5 2 9 9 3 m前方 2 5 m范围内不存在瓦斯突出 的危险性 ， 但地 煤 层 中含有一定量 的瓦斯 ， 开 挖过程中局部瓦斯浓度可能会较高。建议隧道开 挖过程中加强通风和监测 ， 严格按高瓦斯隧道工 区施工要求进行施工 ， 避免瓦斯灾害 的出现。后 续 Y K1 8 5 2 9 9 3 m～ Y K 1 8 5 3 0 1 8 m段 施工过程 中， 施工单位和瓦斯监测方严格按高瓦斯工区要 求进行施工， 虽在每个开挖循环中， 偶尔会在局部 监测到瓦斯浓度达到 0 ． 2 0 ％左右， 但在持续地通 风条件下 ， 完全满足了安全施工的条件， 也表明玉 蟾山隧道瓦斯地质超前预报及瓦斯突出风险性预 测综合方案是可行的。 5 结语 高瓦斯隧道施工过程 中的地质预报及瓦斯突 出风险预测 ， 应根据瓦斯发育 的地质条件选择合 适 的预报和探测方法。笔者按工程实践中的总结 积累 ， 建议采用以地质法为基础 、 以物探法为主要 手段 ， 结合超前探孑 L 时的瓦斯动力现象观察和探 孔内瓦斯浓度 、 瓦斯涌出初速度 Q和瓦斯压力 P 检测相结合的综合方法。 通过玉蟾山隧道及类似高瓦斯隧道施工过程 中瓦斯地质超前预报及瓦斯突出风险性预测 的实 践表 明， 应 用综合法进行 预报 和预测是可行 的。 但瓦斯在地层 中赋存 、 运移 的复杂性及瓦斯灾 害 的严重危害性 ， 决定 了高瓦斯隧道瓦斯地质超前 预报和瓦斯突出风险性预测工作 尚需在大量 的工 程实践中总结提高。 参 考 文 献 [ 1 ] 郑道访 ．瓦斯隧道设计与施工中几个问题的探 讨[ J ] ．世界隧道， 1 9 9 8 ， 6 4 7 4 9 ． [ 2 ] 李苍松 ．长大岩溶隧道施工地质预报方法总述 ．2 0 0 3年中国交通土建工程 学术暨建设成果论文集， 成 都 四川科学技术出版社， 2 0 0 6 ． 3 ] 李苍松 ， 何发亮．关于瓦斯隧道施工地质超前预 报的探讨．第二届全国岩土与工程学术大会论文集， 3 0 3 6 ． 作者简介 赖伟清 1 9 7 7 一 ， 男， 江西万安人 ， 四川泸州纳溪至泸 县一级公路改建工程项目总承包部副经理， 工程师， 从事 公路工程施工技术和管理工作。 ■