摘要

渝黔铁路天坪隧道横洞工区为瓦斯突出工区，施工中为防治瓦斯突出必须进行瓦斯抽放，分析瓦斯抽放已有经验，确定了采用穿层网格预抽煤层瓦斯施工技术；结合隧道大断面及天坪隧道煤层赋存条件，确定了该技术的瓦斯抽放参数，在材料设备选型、钻孔布设、封孔施工、管路连接和瓦斯抽放监测等关键环节严格把关，并对抽放效果进行了检验。总结采用该项技术在经济、技术和安全生产等方面所取得的主要成果，以期为该项技术在类似隧道施工中的推广应用提供参考。

关键词:天坪隧道；瓦斯抽放与防突；穿层网格；监测

引言

随着我国基础交通的建设和发展,穿越煤系地层遭遇瓦斯的隧道越来越多,使得隧道施工中的瓦斯灾害事故也随之不断增加,多数瓦斯灾害的发生是由于隧道施工过程中瓦斯突出或大量涌出后造成了局部瓦斯集聚,遇到施工中的高温热源或火源导致瓦斯燃烧和爆炸[1]。从瓦斯燃烧和爆炸三要素(瓦斯浓度、温度和氧气浓度)[2]来看,采取的防灾措施主要是控制瓦斯浓度,控制瓦斯浓度有预先控制措施和施工过程中控制措施2种。多数瓦斯隧道采取的是施工过程中控制措施,例如刘石磊等撰写的《三联隧道高瓦斯工区施工通风技术》[3]和《安全监测系统在三联隧道高瓦斯工区的应用》[4]、徐文平等撰写的《发耳隧道揭煤防突技术》[5]、孙杰撰写的《刘家庄隧道穿越出口瓦斯段综合施工技术》[6]以及古兴龙等撰写的《发耳隧道揭穿突出煤层施工技术》[7]等文献资料,针对瓦斯隧道施工中的加强通风、瓦斯监测和揭煤施工等技术措施进行了研究,主要是控制排放到隧道施工环境内的瓦斯浓度;也有在隧道开挖面预先钻深孔排放瓦斯的，例如吴铭芳等撰写的《倾斜突出煤层排放设计方法优选》[8]、中铁十七局集团第五工程有限公司开发的《隧道瓦斯快速排放方法》[9]专利和中铁二十局集团第六工程有限公司开发的《一种隧道平导穿越煤层施工用瓦斯排放结构》[10]专利等技术文献,针对隧道瓦斯排放技术方法进行了研究,主要还是将瓦斯先排放到隧道施工环境内,再利用通风和监测措施进行控制。上述措施和方法存在一定的被动性,没能在瓦斯进入隧道施工环境前将大部分瓦斯直接排放到洞外,并且不能有效地防治瓦斯突出,而瓦斯抽放技术不但能够预先将岩层中的大部分瓦斯直接抽排到洞外,还能够有效地防治瓦斯突出,是一种隧道施工前的预先控制措施,所以有必要对该项技术进行研究和推广。

一、天坪隧道工程概况

重庆至贵阳铁路扩能改造工程YQZQ-6标天坪隧道位于贵州省北部,重庆与贵州省交界地段,行政区划属贵州省桐梓县。天坪隧道全长.m(DK+~DK+),为单洞双线铁路隧道，辅助坑道设置方案为“1座平导+2座斜井＋2座横道(主副井)”,隧道在DK+~+段穿越二叠系上统龙潭组(P2I)煤系地层,主要有9层煤,稳定可采煤有2层,较稳定的可采煤有3层,其余4层煤稳定性差,局部可采,煤层最薄为10cm,最厚可达3m,横洞工区为瓦斯突出工区,全隧属高风险隧道。在平导施工至PDK+里程时,对C6、C5、C3煤层进行了瓦斯参数测定,测定的瓦斯含量、煤层坚固性系数和瓦斯放散初速度均超过了临界值,分别为13.9m3/t、0.25和18.7,计算得出瓦斯压力为1.34MPa,预测煤层具有突出危险性。同时现场测定的钻孔瓦斯流量衰减系数为0.d-1,属于可以抽采的煤层,依据相关规范要求[11-13],需对该煤系地层采取预抽煤层瓦斯措施，经比较分析确定采用穿层网格预抽煤层瓦斯技术。

二、穿层网格预抽瓦斯技术原理与特点

2.1

技术原理

穿层网格预抽煤层瓦斯是在隧道揭开煤层之前,将钻场设在掘进的岩石巷道中或者开挖工作面内,在岩壁或开挖面上布设网格状钻孔,由钻场通过岩壁或开挖面向煤层打钻并贯穿煤层全厚,然后通过钻孔预先抽放煤系地层中的瓦斯,属于未卸压煤层的瓦斯抽放。其原理是利用抽放泵产生的空气负压,通过巷道和钻孔抽放未受采动影响或未经人为松动卸压的煤层中的瓦斯,将隧道开挖面前方煤系地层区段内的瓦斯一次性抽到洞外进行高空排放,其整体布置如图1所示。

2.2

技术特点

1)实现隧道内瓦斯抽放,工序衔接紧凑,可操作性强,抽放效果可靠;

2)对各煤层集中一次性综合抽放,实现了煤系地层区段消突,避免了对逐一煤层分层抽放,缩短了瓦斯抽放工期,减少了瓦斯抽放工作量;

3)对于存在平导超前的隧道,可在平导内布置钻场,利用一套抽放系统同时进行平导和正洞的煤层瓦斯抽放,避免了逐个掌子面单独抽放;

4)在开孔岩壁上按照设计间距布设网格型钻孔，对覆盖不到的区域进行局部补孔,避免出现抽放盲区;

5)隧道煤层瓦斯抽放期间,需要专业的瓦斯抽放队伍操作实施,同时需要专职瓦斯检测人员、通风人员及物探人员参与,技术可靠性强。

三、工艺流程与操作要点

3.1

工艺流程

隧道瓦斯抽放技术施工工艺流程见图２。

3.2

操作要点

3.2.1

瓦斯抽放方案设计

1)由于隧道施工领域的相关规范对瓦斯抽放的要求较少,在技术和工艺方面规定的不够具体,所以需要参考《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》[13]、《煤矿瓦斯抽放规范》[14]、《煤矿瓦斯抽采基本指标》[15]和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》[16]等技术文件进行抽放方案设计,同时充分考虑隧道施工组织设计及现场实际情况,保证抽放方案的可行性、科学性和经济性。

2)抽放方案设计前应收集地勘期间、临近矿井及隧道开挖过程中实测的瓦斯含量、瓦斯压力和煤层透气性系数等参数,确定隧道瓦斯储量、可抽瓦斯量及瓦斯抽采率,并结合隧道现场施工及煤层位置情况选择合适的钻场位置和钻孔深度。

3)结合抽放参数和隧道实际施工情况,进行隧道瓦斯抽采系统计算及设备选型,并保留一定的富余量。抽放方案中必须设计抽放监测系统。

3.2.2

抽放施工准备

抽放施工准备主要包括抽放泵站建设和抽放钻场

施工。

3.2.2.1

抽放泵站建设

首先,应统筹考虑瓦斯抽放泵站的选址。瓦斯抽放泵站应设在不受威胁且工程地质条件可靠的地带，应避开滑坡、断层破碎带及塌陷区等地方,距离井口和主要建筑物不得小于50m;同时,泵站及周围20m范围内禁止有明火,尽可能考虑进出管道的铺设方便和留有扩能的余地。

其次,泵站建筑必须选用不燃性材料,耐火等级为二级,周围必须设置栅栏或围墙。泵站内的电气设备、照明、检测仪表和其他电器均应采用防爆型。抽放泵站采暖与通风应符合现行规范的有关规定。泵房附近管道应设置防水器、防爆防回火装置、测量装置和采样孔、采样阀门等附属装置。

3.2.2.2

抽放钻场施工

钻场设计必须满足通风、钻孔布置和钻机操作的需要。钻场位置的岩层应完整、不破碎,断面符合施工要求,支护可靠,无空帮、空顶,布孔岩壁要平直,以利于钻孔施工、封孔和安装瓦斯抽放管路。

3.2.3

钻孔、封孔及管路安装

3.2.3.1

钻孔施工

开孔口径为mm,开孔间距为0.3m,钻进10m后下套管注浆封闭孔口并安装气渣分离装置,浆液凝结后沿套管用94mm孔径钻杆实施正常的钻孔。在钻机上临时安装钢板防止动力现象造成的瓦斯及煤屑喷出。钻孔在整个预抽区域内呈网格状均匀布置，钻孔的控制范围为隧道揭煤处开挖轮廓线上部14m、两侧14m和底部8m,应当保证控制范围的外边缘到开挖轮廓线的最小距离不小于5m,终孔穿透所有需要抽放的煤层形成4mx4m的网格形状,并进入煤层底板0.5m。必须查验钻孔实际资料,对钻孔控制的“空白带”采取补孔措施。

3.2.3.2

封孔

钻孔施工完成后必须及时封孔。封孔管通常采用抗静电的工程塑料管,一般采用聚氨酯或水泥浆机械式封孔。当孔口围岩条件较好﹑构造简单、孔口负压中等时,封孔长度取2~3m;当孔口段围岩裂隙发育或孔口负压高时,封孔长度取4~6m。封孔前用水或高压风将孔内残存的煤、岩屑清洗干净,防止钻孔堵塞，应保证注浆管及抽放管的长度,保证达到设计要求的封孔长度。

3.2.3.3

抽放管路安装

当封孔完成后,必须及时将每个钻孔与抽放管路相连,保证孔口不漏气、不渗水。抽放主管道均采用法兰连接,中间夹橡胶密封圈,为安装方便,拐弯处也可采用弹簧软管代替铁管。主管路一般要求选择无缝钢管,置于边墙的管架上,管架高度不低于30cm。管路敷设时,要求平直,避免急弯,坡度尽量一致,避免高低起伏,在隧道钻场低洼处需安装防水器;管路敷设好后必须进行气密性检查;隧道瓦斯抽放管路应布置在电缆线的对侧,如果在排水沟上面,距离应大于1.5m。地面管路敷设方式如图3所示。

3.2.4

瓦斯抽放与监测

瓦斯抽放与抽放过程监测是同时进行的,必须建立瓦斯抽放监控系统,实时准确监控管网瓦斯浓度、压力、流量、温度等参数及设备的开停状态,确定抽放期间的瓦斯抽放量。瓦斯抽放监控系统主要包括抽放管路的实时监测和抽放泵站的实时监测,当任一参数超限时,可发出声光报警信号,并按给定的程序停止或启动。瓦斯抽放监控系统监测参数指标见表1。

3.2.4.1

抽放管路的监测

选用孔板流量计及人工测试的方法进行瓦斯抽放量的监测。孔板流量计安装在每个抽放钻孔的孔口及每根支管的出口端,每周至少测定1次瓦斯浓度、负压、压差、温度及大气压力;在干管和支管上设观测孔，每10d至少测定1次瓦斯浓度和负压。

3.2.4.2

抽放泵站的监测

抽放泵站选用环境瓦斯浓度监测传感器、抽放管路瓦斯浓度监测传感器、压力继电器和瓦斯断电仪等对其运行状态进行监控,再结合隧道瓦斯自动监控系统选用全自动瓦斯抽放监测系统,对抽放泵站环境瓦斯浓度、管路压力、温度、瓦斯浓度、标准混量、标准纯量、抽放泵工作状态和工况量、供水状态以及泵站的供电系统等进行实时监测。

3.2.5

抽放效果评价

根据煤炭系统的相关规范要求,在基础条件满足要求的基础上,再对抽放效果是否达标进行评判;在预抽效果达标之后,再对抽放效果实施区域性防突效果检验。

基础条件达标要求如下:

1)按要求建立瓦斯抽放系统并运行正常;

2)瓦斯抽放泵站能力、备用泵能力和抽放管网能力等达到规定要求;

3)瓦斯抽放系统的抽放计量测点满足要求、计量器具符合相关标准且检定未超过有效期;

4)符合标准要求的抽放效果评判用相关测试条件。

抽放效果评价应包括下列主要内容和步骤:

1)抽放钻孔有效控制范围界定;

2)抽放钻孔补孔均匀程度评价;

3)抽放瓦斯效果评判指标测定;

4)抽放效果达标评判。

3.2.6

劳动力组织

瓦斯抽放施工采用不定时作业制，按不同的分工

配备劳动力组织见表2。

四、现场应用情况

4.1

抽放参数确定及材料设备选型

4.1.1

抽放参数确定

超前钻探测得C6、C5、C3煤层原煤瓦斯含量分别为11.47、9.87、13.91m3/t,按照将煤系地层瓦斯含量降到8m3/t以下的控制指标进行测算,揭煤区域的瓦斯总量为.52m3,共需抽放.5m3,抽放率为30.48%,其中平导抽放量为.25m3。依据相关规范确定钻孔内最小抽放负压为13kPa。其瓦斯抽放量计算结果见表3。

4.1.2

材料设备选型

根据现场实际情况,抽放管路从抽放泵接主管经横洞副井(0m)—沿平导(m)—抽放钻场,共计距离约m,采用抽放管材的规格和数量见表4。

设计计算瓦斯抽放流量为18.97m3/min,压力值为.87Pa,工况绝压为43.kPa。据此选择ZWY-25/45-G型瓦斯抽放泵,其最大抽放量25m3/min,极限真空度3.33kPa、电机功率45kW,配置2台,1台工作,1台备用。

4.2

钻孔施工、封孔及抽放管路连接

4.2.1

钻孔施工

由于天坪隧道揭煤区域受F12断层破坏,导致揭煤断面大、抽放区域走向长(86.92m)、空间高(25.4~29.6m),为防治断层破碎带瓦斯突出,应减小钻孔倾角,所以区域瓦斯抽放措施在平导揭煤工作面距C6煤层法向距离20m处实施,即平导PDK+处掌子面布置钻场进行钻孔施工。在1个公用大钻场内分设2个小钻场,平导钻场向平导掌子面前方煤层钻孔,平导西侧壁钻场向正洞掌子面前方煤层钻孔。设计共布置钻孔个,总长m,其中穿透C6、C5、C3煤层及其局部可采煤层钻孔个,穿透C6、C5煤层及其局部可采煤层钻孔个。钻孔网格断面布置见图4,剖面布置见图1,现场布置见图5。

4.2.2

封孔及管路连接

设计封孔长度为5m、注浆管长度为3m、回浆管长度为6m,采用水泥砂浆封孔,水泥砂浆采用C40号以上的硅酸盐水泥、砂子与水混合搅拌而成,水泥与砂子的质量比为1∶2.4,砂子颗粒直径为0.5~1.5mm,水泥砂浆加人适量膨胀剂,以避免凝固后收缩出现裂缝。孔内清洗干净后将抽放管、注浆管和回浆管放进钻孔,用木塞、麻布片或聚氨酯泡沫将3根管路固定，其中抽放管用铁丝扎死,防止浆液堵塞抽放孔,然后进行注浆封孔。浆液注入量大约为50kg/10m,由专业技术人员或资深熟练工人观察回浆管的回流情况,如果回浆成功则立即停止注浆,本孔注浆完毕。封孔完成后必须及时清洗,防止浆液在泵及高压输浆管中凝固或沉淀。封孔管路连接如图6所示。

封孔完成后,在24h内用DN50mm矿用胶管将每个钻孔与汇总管相连接,连接处用铁丝将胶管扎紧，并安设阀门来控制抽放负压。而后将汇总管与抽放支管连接、抽放支管与平导抽放主管连接、抽放主管与抽放泵站连接。钻场抽放管路连接如图7所示,现场布置见图8。

4.3

瓦斯抽放监测

瓦斯抽放为日常工作,为保证瓦斯抽放工作正常进行,必须对其进行监测,主要分为洞内监测和洞外监测。洞内主要监测4个参数:甲烷浓度、抽放负压、瓦斯流量和瓦斯温度。主要采用DN50mm孔板流量计配合2台WGC便携式测定仪进行日常监测并做好记录。

洞外监测主要是监测抽放泵站,采用的抽放监控系统为KJ70A。主要监测设备见表5。

4.4

抽放效果检验

4.4.1

基础条件达标评判

天坪隧道平导钻场从年7月7日开始抽放钻孔施工,8月17日竣工,共完成个瓦斯抽放孔的施工,累计m。年8月19日进行试抽放,8月21日开始对平导掌子面前方煤系地层瓦斯进行稳压抽放,至11月1日结束抽放,累计瓦斯抽放量m3。对平导掌子面瓦斯抽放基础条件是否达标的评判情况见表6。

对抽放钻孔的数量、有效抽放范围和抽放钻孔密度进行了检查,评判结果如下:平导抽放钻孔设计最小控制范围为揭煤处巷道轮廓线外上左右各14m、下8m,实际的有效控制范围为开挖轮廓线外上14.1m、左右14.3m、下8.1m;钻孔位置均匀,严格按设计参数施工;预抽时间差异系数为0,小于设计要求的30%;瓦斯抽放率为31.58%,大于设计预计抽放率30.48%。抽放各项指标都符合方案设计的要求。

4.4.2

区域措施效果检验

根据抽放效果的达标情况,对抽放煤层进行区域性验证,要求现场实施的效果校验孔分别位于平导和正洞的防突措施预抽范围上部、中部和两侧,并且至少有1个检验测试点位于要求预抽区域内距边缘不大于2m的范围。另外,根据超前钻孔和抽放钻孔施工揭露情况,在地质构造复杂区域适当增加检验测试点。

在平导抽放煤层基础条件达标之后,于年11月15日完成了24个校验孔的施工,施工过程中未出现喷孔等异常现象,共取出煤芯样本40个,经检验有3个煤样指标超标(超标率7.5%),其中C6煤层1个样超标、C5煤层2个样超标、C3煤层无超标,对超标部位通过补孔并自然排放7d后验证达标。总体检验结果为平导抽放效果有效,所实施的区域综合防突措施符合相关规定的要求。

五、成果与建议

天坪隧道在实施瓦斯抽放防突措施并验证有效后,于年12月27日成功实现了平导C6煤层的安全揭煤,C5和C3煤层也分别于年1月1日和1月7日实现安全揭煤;正洞分别于年3月22日、4月3日和4月20日安全完成了C6、C5和C3煤层的揭煤。通过采用穿层网格预抽煤层瓦斯施工技术,实现了煤系地层区段内多煤层的一次性瓦斯抽放,与逐一煤层抽放相比,减少瓦斯抽放工期3~6个月;利用超前平导实现了正洞与平导瓦斯抽放共用一套抽放系统一次性完成,节约正洞瓦斯抽放工期3个月;瓦斯抽放后,施工通风时间大幅缩短,能耗大幅降低。

取得的总体成果如下:在经济方面合计节约成本投入超过万元;在技术方面总结形成了“瓦斯隧道穿层网格预抽煤层瓦斯施工工法”,成功解决了瓦斯隧道施工中瓦斯含量高、压力大的难题,促进了瓦斯隧道施工技术的发展;在施工生产方面为煤系地层安全施工和确保项目工期提供了有力保障。

虽然天坪隧道采用瓦斯抽放防突技术取得了一定的成果,但该技术在其他隧道施工工况条件下的适用性还有待于进一步验证,在材料选择、设备配套、抽放参数优化和抽放监测等方面还有很大的提升空间,建议针对此类隧道工程继续推广和完善该项技术,为瓦斯隧道安全施工提供更加有利的保障。

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