王建軍

(中鐵第一勘察設計院地質路基處，陜西西安 710043)

近年來，隨著國民經濟的持續(xù)增長以及鐵路建設的快速發(fā)展，鐵路等級不斷提高，線路通過的長大、深埋隧道明顯增加，難免穿越煤系或非煤層等含瓦斯地層，給隧道施工以及運營帶來極大的安全隱患［1］。我國鐵路、煤炭行業(yè)現行相關規(guī)范主要是應用煤質工業(yè)分析及瓦斯壓力測試等瓦斯參數(適用煤系地層預測瓦斯涌出量)，確定瓦斯隧道工區(qū)以及瓦斯隧道類型。對于炭質板巖、炭質頁巖等含瓦斯地層，目前尚無具體的適用規(guī)范，一般參考煤系地層進行測試;但計算中由于炭質巖層揮發(fā)分數值極高(一般＞90%)，應用此參數計算瓦斯絕對涌出量明顯偏高。本文根據化馬隧道含瓦斯炭質板巖測試原理，提出利用鉆孔瓦斯流量預測此類地層絕對瓦斯涌出量的可行方法及計算公式。

1 工程概況

化馬隧道位于甘肅省宕昌縣境內，為蘭渝鐵路蘭州至廣元段的一座特長雙線隧道，全長12 574 m。2012年7月15日，化馬隧道化馬溝斜井正洞施工至DK304+190處，電焊切割超前小導管時，導管口發(fā)生氣體燃燒現象，遂停止施工。實測掌子面右側邊墻小導管瓦斯?jié)舛?.63%，封閉掌子面后在通風狀態(tài)下檢測掌子面瓦斯?jié)舛?.24%～1.25%。

2 瓦斯地質勘察

炭質板巖與煤層瓦斯勘察方法基本一致，主要通過地質調繪、巖礦鑒定及碳含量測試、瓦斯參數測試、瓦斯來源及儲存條件分析進行瓦斯評價。本文重點在瓦斯評價中提出了應用鉆孔瓦斯流量預測瓦斯絕對涌出量的方法及公式。

2.1 瓦斯地質調繪

根據區(qū)域地質、礦產地質、水文地質、油氣田有害氣體區(qū)測資料、隧道工程地質勘察報告以及施工揭示的圍巖特征，區(qū)內以二疊系下統灰?guī)r，石炭系中上統灰?guī)r、炭質板巖及其壓碎巖為主，不含煤層、煤線等地層。

現場勘察自DK304+202進入斷層f36，上盤為石炭系中上統灰?guī)r(已開挖)，掌子面為壓碎炭質板巖夾灰?guī)r，壓碎結構，原巖以石炭系炭質板巖為主，夾有一層厚0.5 m的灰白色石炭系灰?guī)r，巖質軟，揉皺發(fā)育，層間結合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，無水，屬Ⅴ級圍巖。從已經揭示的地質情況分析，DK303+404—DK304+202段為含瓦斯地段，長798 m。地質剖面詳見圖1。

2.2 巖礦鑒定及碳含量測試

經過取樣進行薄片鑒定，巖石為砂質泥炭質板巖或泥炭質板巖質碎裂巖，由變余碎屑物、泥炭質殘余物和新生礦物絹云母等組成。變余泥炭質含量27%～47%，為粒徑＜0.005 mm的隱晶狀質點，基本不具透光性。同時還進行碳含量測試，結果為2.86% ～2.96%。

2.3 瓦斯勘探測試

2.3.1 規(guī)范標準［2-4］

由于化馬隧道含氣層為石炭系非煤炭質板巖，參照煤層引用煤層氣體參數測試方法，利用超前地質鉆孔取煤(巖)樣、氣樣并與孔內瓦斯壓力及流量等瓦斯監(jiān)測相結合，依據的主要規(guī)范標準:①《地勘時期煤層瓦斯含量測定方法》(GB/T 23249—2009);②《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》(AQ/T 1047—2007);③《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008)。

圖1 化馬隧道化馬溝段縱斷面

2.3.2 主要瓦斯參數成果

1)巖樣及孔內含氣量測試

根據項目需要，在化馬溝斜井正洞DK304+190—DK304+195段進行了3個巖樣瓦斯含量和6組氣成分的測定。瓦斯由CH4、CO2和C2+組成，測點瓦斯含量為0.15～0.26 m3/t，瓦斯氣成分CH4為14.46% ～52.37%，CO2為0.05% ～10.99%，N2為47.38% ～78.04%，C2+為0～0.94%?？變葴y試瓦斯壓力0.25～0.33 MPa;測點透氣性系數為0.054 2～7.298 8 m2/MPa2·d;鉆孔瓦斯流量衰減系數為(0.02～0.41)/d;瓦斯放散初速度為1～2。樣品堅固性系數為0.97～2.01。

2)煤質工業(yè)分析

本次對3組樣品在實驗室進行了水分、灰分和揮發(fā)分的化驗。樣品水分產率為1.28% ～1.38%，灰分產率為85.76% ～89.86%，揮發(fā)分產率為92.03% ～92.46%。

3)瓦斯壓力測試

二是醫(yī)院管理上的因素。醫(yī)院管理制度上的缺失也是帶來隱患的重要原因，由于醫(yī)院疏于制度建設，導致護理管理規(guī)章制度得不到及時的更新和修正，失去了正確的指導和行為規(guī)范后護理工作流程不合理。另外對于護理人員的培訓落實不到位，使其專業(yè)技能得不到提高，職業(yè)素養(yǎng)得不到加強。

在3個超前地質鉆孔內進行瓦斯壓力測試，結果為0.25～0.33 MPa。

4)密度測試

對采集的3組樣品在實驗室進行了真密度、視密度的測試。樣品真密度為2.74～2.99 g/cm3，視密度為2.57～2.73 g/cm3，孔隙率為6.16% ～8.69%。

2.4 瓦斯來源及儲存條件

1)氣體產生的地層巖性條件

該段為f36斷層破碎帶之壓碎巖，地層巖性以石炭系炭質板巖及灰?guī)r為主，原巖為泥巖、炭質頁巖、灰?guī)r，屬于濱海相或海陸交互相沉積環(huán)境，一般在炭質頁巖中常含大量植物遺體或植物化石，通過薄片鑒定炭質板巖礦物成分中泥炭質含量約占27%～47%。在成巖過程的第一階段(泥炭化階段)早期，由于氧氣和親氧細菌的作用植物主要產生CO2，晚期出現弱氧化環(huán)境或還原環(huán)境，主要生成CH4、CO2;在第二階段(變質作用階段)，主要生成以CH4為主的氣態(tài)烴，由于埋藏深不易擴散。

2)氣體儲存的構造條件

該段位于壓性斷層f36之破碎帶內，以斷層泥、斷層角礫及壓碎泥質結構炭質板巖為主，揉皺構造十分發(fā)育，地層透水、透氣性較差，利于氣體儲存，且斷層上盤為石炭系灰?guī)r，下盤為二疊系下統石灰?guī)r，巖體普遍較為完整，為瓦斯封閉創(chuàng)造了條件。

3 瓦斯涌出量預測

3.1 瓦斯涌出量預測

《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》(TB 10120—2002)［5］中的計算公式，以及本文針對炭質板巖的計算公式如表1所示。兩種計算方法的主要區(qū)別在噸煤(巖)瓦斯逸出量w及單位時間單位坑壁面積瓦斯逸出初始強度Q0，具體區(qū)別詳見表1。

根據《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》附錄F獨頭坑道瓦斯涌出量預測方法及參數取值，對蘭渝線化馬隧道化馬溝斜井正洞DK304+190掌子面的瓦斯涌出量進行了預測;同時，本文現場測試過程中為了測試透氣性系數進行孔內瓦斯流量測試，應用瓦斯流量計算新暴露巖壁瓦斯涌出量q2，結果見表2。

表1 現行規(guī)范煤層瓦斯涌出量計算與鉆孔瓦斯流量預測法計算公式

表2 DK304+190獨頭坑道瓦斯涌出量計算結果m3/min

3.2 現場監(jiān)測分析

根據化馬隧道化馬溝正洞瓦斯監(jiān)測資料，2012-08-06日至2012-08-31掌子面瓦斯涌出點甲烷濃度為2%～2.68%，甲烷濃度變化不大。同期距掌子面2～5 m位置甲烷濃度為0.02% ～0.03%，甲烷濃度變化不大，開挖臺車下部位置甲烷濃度為0.01%。2012-08-13至2012-08-31距掌子面2～5 m位置甲烷濃度為0.10%～0.27%，甲烷濃度變化較大，開挖臺車下部位置甲烷濃度為0～0.01%，甲烷濃度明顯下降。估算瓦斯涌出量為0.5～0.9 m3/min，與本文預測分析相當。

4 瓦斯地質條件評價

根據瓦斯參數測試及瓦斯涌出量預測結果，對該隧道瓦斯工區(qū)劃分、瓦斯地段等級以及煤與瓦斯突出危險性作了如下評價。

1)瓦斯工區(qū)劃分

依據《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》(TB 10120—2002)，獨頭坑道瓦斯涌出量為2.81 m3/min，該工區(qū)為高瓦斯工區(qū)，屬高瓦斯隧道;根據鉆孔瓦斯流量預測法，獨頭坑道瓦斯涌出量為0.688 m3/min，為高瓦斯工區(qū);根據現場瓦斯涌出檢測及分析估算瓦斯涌出量為0.5～0.9 m3/min，綜合判斷該工區(qū)為高瓦斯工區(qū)。

2)瓦斯地段等級

3個鉆孔的瓦斯壓力分別為0.29 MPa，0.33 MPa，0.25 MPa，依據《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》(TB 10120—2002)，判定該隧道瓦斯地段等級為二級。

3)煤與瓦斯突出危險性預測

根據檢測結果瓦斯壓力0.25～0.33 MPa(＜0.74 MPa);瓦斯放散初速度為1～2(＜10);巖樣堅固性系數為0.97～2.01(＞0.5);煤(巖)的破壞類型為Ⅱ類，均達不到突出危險性指標，因此該工區(qū)無煤與瓦斯突出危險性［5-6］。

5 結語

《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》公式適合煤層瓦斯涌出量預測，若用于炭質板巖瓦斯涌出量預測，由于揮發(fā)成分數值較大，計算結果明顯偏大。

本文提出的鉆孔瓦斯流量預測法，適用于非煤含瓦斯地層，對于瓦斯壓力低、瓦斯流量衰減緩慢的地層預測結果更為準確。當然要提高預測的準確性，還有待于在實踐中繼續(xù)完善。

［1］明建龍.高瓦斯隧道監(jiān)控與施工通風設計［J］.鐵道建筑，2009(2):18-20.

［2］中國國家標準化管理委員會.GB/T 23249—2009 地勘時期煤層瓦斯含量測定方法［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［3］國家安全生產監(jiān)督管理總局.AQ/T 1047—2007 煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［4］中國國家標準化管理委員會.GB/T 212—2008 煤的工業(yè)分析方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范［S］.北京.中國鐵道出版社，2002.

［6］國家安全生產監(jiān)督管理總局.AQ 1018—2006 礦井瓦斯涌出量的預測方法［S］.北京.煤炭工業(yè)出版社，2006.