朱啟榮，堯 林，陳柳柳

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴陽(yáng) 550001)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷壯大，尤其是山區(qū)路線工程受地形、地質(zhì)條件的限制，隧道工程比例日益上升，部分隧道不可避免地穿越煤系地層[1]，給隧道施工帶來(lái)了極大的安全隱患，引發(fā)了較多的瓦斯事故，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。因此，對(duì)穿越煤系地層的隧道，開展針對(duì)性地質(zhì)勘察和評(píng)價(jià)工作尤為重要。本文以貴州省麻江某瓦斯隧道勘察為例，在搜集相關(guān)資料和綜合勘察[2]的基礎(chǔ)上，對(duì)瓦斯參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算并與勘探取樣、測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合礦產(chǎn)地質(zhì)相關(guān)指標(biāo)信息進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，提出瓦斯風(fēng)險(xiǎn)段落及等級(jí)，提出針對(duì)性的工程措施建議，以供類似工程參考。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

該隧道位于貴州省黔東南麻江縣杏山街道辦谷羊村，地勢(shì)整體西高東低，中間高、南北低，地形起伏較大。地貌類型屬溶蝕—構(gòu)造型低中山地貌[3]，地表受溶蝕、侵蝕作用強(qiáng)烈，地勢(shì)起伏較大。隧址區(qū)地面高程876.5 m～1 145.4 m，最高點(diǎn)位于隧道中部西側(cè)的馬尾沖山頂，海拔高程1 145.4 m，最低點(diǎn)位于隧道出口附近，海拔高程876.5 m，相對(duì)高差約268.9 m，地形坡度為30°～75°。隧道貫穿叢狀山體，覆蓋層厚薄不均，植被較發(fā)育。

1.2 地層巖性及煤層分布

隧址區(qū)上覆地層有第四系殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)粘土、細(xì)角礫土等，下伏二迭系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)、中統(tǒng)茅口組(P2m)地層，出露巖性以灰?guī)r、頁(yè)巖及硅質(zhì)巖為主，夾少量炭質(zhì)頁(yè)巖及煤層。

區(qū)內(nèi)含煤地層為二疊系上統(tǒng)吳家坪組一段(P3w1)和二段(P3w2)2層：一段為可采煤層(M2)，煤層厚度較穩(wěn)定、煤質(zhì)較好；二段煤層(M3)為薄層條帶狀，分布不均，煤質(zhì)差，開采價(jià)值不大。隧道穿越2組地層和2段煤層[3]，如圖1 所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面示意

2 瓦斯隧道勘察工序

廣泛搜集線路通過(guò)區(qū)域鄰近煤礦的既有資料，包括區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)、有害氣體的檢測(cè)資料及類似工程有關(guān)瓦斯賦存、突出等地質(zhì)資料。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、測(cè)繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地層情況，分析煤層特征、成煤環(huán)境及儲(chǔ)氣條件，合理布置勘探孔，鉆探過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制追蹤，按要求采取煤層瓦斯樣品并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)分析；然后作出瓦斯參數(shù)分析對(duì)比，結(jié)合礦產(chǎn)地質(zhì)相關(guān)指標(biāo)信息進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，提出瓦斯風(fēng)險(xiǎn)段落，如圖2所示。

3 煤與瓦斯參數(shù)分析及評(píng)價(jià)

3.1 煤層瓦斯資料收集

3.1.1 煤層及煤巖特征

根據(jù)鉆探揭示及現(xiàn)場(chǎng)瓦斯測(cè)試報(bào)告[3]，結(jié)合貴州省麻江縣湘黔煤礦、大良田煤礦、鐵沖煤礦、翁威煤礦及賢昌煤礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告和1∶5萬(wàn)(麻江縣幅)區(qū)域地質(zhì)圖，二迭系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)煤層主要有2層，煤層分別位于該組地層的中上部和底部，為條帶狀結(jié)構(gòu)，薄層構(gòu)造，中上部煤層厚0.2 m～1.0 m，煤質(zhì)差，開采價(jià)值不大；底部煤層厚0.5 m～1.2 m，局部達(dá)2.0 m，呈暗黑色，半亮型煤，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，煤質(zhì)較好，為主要開采煤層。兩煤層相距約60.0 m～80.0 m，煤層傾向90°～115°，傾角40°～65°。自然發(fā)火傾向性為1～3類，有煤塵爆炸危險(xiǎn)性，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為1.1～1.7，瓦斯放散初速度為1～8 mmHg。

圖2 瓦斯隧道勘察流程

3.1.2 瓦斯及二氧化碳涌出量

根據(jù)麻江縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局2008—2010年度隧道附近麻江縣境內(nèi)的煤礦瓦斯等級(jí)鑒定資料，區(qū)內(nèi)瓦斯及二氧化碳涌出量如表1所示。

表1 測(cè)區(qū)2008—2010年度附近煤礦瓦斯等級(jí)鑒定統(tǒng)計(jì)

3.2 煤層現(xiàn)場(chǎng)瓦斯測(cè)試及分析

根據(jù)瓦斯現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及室內(nèi)分析報(bào)告中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合煤層及瓦斯搜集資料，采用理論計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析的方法進(jìn)行瓦斯地質(zhì)評(píng)價(jià)[4]，為隧道設(shè)計(jì)提供可靠的瓦斯參數(shù)。

3.2.1 瓦斯含量

1) 理論計(jì)算

羅漢坡一號(hào)隧道BD-SLHP1-05+1號(hào)鉆孔揭示的煤層為二迭系上統(tǒng)吳家坪組(P3w)的底部煤層，厚0.5 m～1.2 m，局部厚達(dá)2.0 m，煤層采樣深度70.0 m～72.0 m。由于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯困難，僅取到了臨近煤層的部分煤芯，造成煤層瓦斯含量無(wú)可靠的實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)。為此，根據(jù)直接測(cè)試的瓦斯壓力及室內(nèi)測(cè)試的有關(guān)參數(shù)，按照朗格繆爾公式[5]測(cè)算瓦斯含量，公式如下：

(1)

式中：W為瓦斯含量，m3/t；a為吸附常數(shù)，cm3/g；b為吸附常數(shù)，MPa-1；P為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；F為孔隙率，%；γ為視密度，g/cm3。

根據(jù)測(cè)試報(bào)告中的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到該煤層瓦斯含量為0.893 m3/t，如表2所示。

表2 瓦斯含量測(cè)算

2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

根據(jù)附近隧道的BD-SWQL-04號(hào)鉆孔對(duì)上述理論計(jì)算的同一層煤揭示，該煤層采樣深度為43.6 m～45.0 m，其瓦斯含量測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 含氣量測(cè)試結(jié)果

測(cè)試報(bào)告顯示該儲(chǔ)煤層瓦斯含量為1.05 m3/t，與理論計(jì)算值0.893 m3/t相差不大。

3.2.2 瓦斯壓力

鉆孔內(nèi)煤層瓦斯壓力測(cè)試是了解煤層氣賦存情況的主要手段，但勘察過(guò)程中鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)試受影響的因素[6]較多，使得測(cè)試的瓦斯壓力數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。因此，可通過(guò)直接測(cè)試的瓦斯含量，并依據(jù)室內(nèi)測(cè)試的有關(guān)參數(shù)，按照朗格繆爾公式(式(1))反算進(jìn)行相互驗(yàn)證。目前，通過(guò)工程實(shí)踐中大量實(shí)測(cè)瓦斯壓力值與理論計(jì)算值分析，煤層中瓦斯壓力與地應(yīng)力和溫度有關(guān)系，在一定埋深范圍內(nèi)，作為一種近似值，可忽略溫度的影響，即瓦斯壓力與地應(yīng)力近似為線性關(guān)系。

根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》瓦斯壓力和深度H的關(guān)系為下列直線關(guān)系：

P=(2.03～10.13)×H

(2)

式中：P為距地表垂深H處煤層瓦斯壓力，kPa；H為垂深，m。

根據(jù)區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資料，測(cè)區(qū)無(wú)瓦斯突出情況，均為低瓦斯礦井。參照麻江縣賢昌鄉(xiāng)賢昌煤礦開采方案設(shè)計(jì)報(bào)告，礦井一標(biāo)高為903 m，煤層埋深130 m，煤層中瓦斯壓力系數(shù)取值為3[7]，結(jié)合附近煤礦開采后實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮煤層瓦斯儲(chǔ)藏密閉性受埋深的影響，本次計(jì)算時(shí)瓦斯壓力系數(shù)綜合取值為2.5，如表4所示。

從表4可知，理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯壓力基本一致，因此，進(jìn)一步證明瓦斯壓力和深度H存在一定的線性關(guān)系，但關(guān)鍵是瓦斯壓力系數(shù)的綜合取值。

表4 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)瓦斯壓力結(jié)果

3.2.3 絕對(duì)瓦斯涌出量

工區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量是劃分瓦斯工區(qū)等級(jí)的重要指標(biāo)之一，通常與巷道開挖斷面面積、煤的瓦斯含量和二氧化碳濃度[8]及風(fēng)速[9]有關(guān)。勘察階段由于實(shí)測(cè)困難，可結(jié)合礦產(chǎn)資料和鉆孔測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算。

根據(jù)TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[10]附錄L.0.2，獨(dú)頭坑道開挖工作面瓦斯涌出量計(jì)算公式如下：

q1=VarW/1 440

(3)

式中：q1為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Va為每d開挖各循環(huán)爆落煤塊總體積，m3；ρ為煤的密度，1.2 t/m3～1.4 t/m3；W為每t煤塊瓦斯逸出量，m3/t,計(jì)算公式為：

(4)

式中：W0為每t煤瓦斯含量，m3/t；W0′為煤塊中殘存瓦斯含量，m3/t。

該隧道為Ⅱ級(jí)貨運(yùn)單線，設(shè)正在煤層中開挖的獨(dú)頭[11]寬約8.0 m，高約7.0 m，開挖速度進(jìn)尺為2.0 m/d，煤層走向與隧道走向近乎平行，煤層走向與隧道軸線夾角小于20°?；诎踩紤]，每d開挖各循環(huán)爆落煤塊總體積按全斷面計(jì)算。相關(guān)參數(shù)測(cè)試、參數(shù)選取與絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果如表5所示。

通過(guò)理論計(jì)算，隧道工區(qū)內(nèi)的絕對(duì)瓦斯涌出量為0.091 m3/min～0.106 m3/min，平均值為0.099 m3/min；區(qū)內(nèi)附近煤礦工區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量為0.29 m3/min～0.62 m3/min，平均值為0.44 m3/min。由此可見(jiàn)，隧道工區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量遠(yuǎn)小于煤礦工區(qū)內(nèi)的絕對(duì)瓦斯涌出量。

3.3 瓦斯地質(zhì)評(píng)價(jià)

瓦斯工區(qū)等級(jí)可根據(jù)隧道工區(qū)內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量、瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象等進(jìn)行分類，含瓦斯地層段隧道襯砌結(jié)構(gòu)[12]的瓦斯地段等級(jí)可根據(jù)瓦斯壓力和噸煤瓦斯含量進(jìn)行確定，而判定瓦斯突出工區(qū)應(yīng)同時(shí)滿足下列4個(gè)指標(biāo)：1) 瓦斯壓力P≥0.74 MPa；2) 瓦斯放散初速度ΔP≥10；3) 煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5；4) 煤的破壞類型為Ⅲ類及以上。但不同行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)判定結(jié)果有細(xì)微的差別，如表6～8所示。

表5 理論計(jì)算絕對(duì)瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)

表6 TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》判定標(biāo)準(zhǔn)(一)

表7 TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]判定標(biāo)準(zhǔn)(二)

當(dāng)按表6中的噸煤瓦斯含量及瓦斯壓力確定的地段等級(jí)不一致時(shí)，應(yīng)取較高者。

表7的規(guī)范未明確列出隧道瓦斯地段等級(jí)，但瓦斯突出工區(qū)和高瓦斯工區(qū)分別對(duì)應(yīng)表6中的一、二級(jí)，低瓦斯工區(qū)和微瓦斯工區(qū)均對(duì)應(yīng)于三級(jí)。

綜合上述瓦斯參數(shù)指標(biāo)及判定標(biāo)準(zhǔn)，該隧道的瓦斯地質(zhì)[15]評(píng)價(jià)如表9所示。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)表，該隧道為微至低瓦斯工區(qū)，二級(jí)至Ⅲ級(jí)瓦斯地段，無(wú)瓦斯突出現(xiàn)象。基于工程安全風(fēng)險(xiǎn)考慮，DK12+750～DK12+950段附近鐵沖煤礦和大良田煤礦，兩煤礦工區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量和自然發(fā)火傾向性指標(biāo)較高，且鐵沖煤礦曾因發(fā)生過(guò)瓦斯事故而關(guān)停。故建議DK12+750～DK12+950段按高瓦斯工區(qū)、二級(jí)含瓦斯地段設(shè)計(jì)施工，DK11+980～DK12+180按低瓦斯工區(qū)、二級(jí)含瓦斯地段設(shè)計(jì)施工。瓦斯隧道施工期間，根據(jù)預(yù)測(cè)及揭示的地質(zhì)資料及時(shí)修正[16]設(shè)計(jì)。

表8 貴州省高速公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)技術(shù)指南(貴州省交通廳[2014.2])[14]判定標(biāo)準(zhǔn)(三)

表9 瓦斯地質(zhì)評(píng)價(jià)匯總

4 結(jié)論與建議

1) 山區(qū)瓦斯隧道評(píng)價(jià)須在搜集相關(guān)資料和綜合地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦產(chǎn)地質(zhì)相關(guān)指標(biāo)信息和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，提出準(zhǔn)確的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)段落及其相關(guān)參數(shù)。

2) 瓦斯含量、瓦斯壓力及絕對(duì)瓦斯涌出量是瓦斯地質(zhì)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確性可通過(guò)理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，從而提供可靠的測(cè)試、計(jì)算和評(píng)估參數(shù)。

3) 基于瓦斯隧道的地質(zhì)背景，本文的瓦斯理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，采用的理論計(jì)算方法基本可行，可供類似工程借鑒。

4) 由于煤層瓦斯復(fù)雜性和不確定性，包括煤層段隱伏于非瓦斯段巖層邊側(cè)或之下，開挖過(guò)程中煤層瓦斯可能沿節(jié)理裂隙滲透至隧道內(nèi)，施工中須加強(qiáng)全隧道煤層瓦斯等有害氣體的探測(cè)與檢測(cè)，加強(qiáng)隧道超前鉆孔等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工全過(guò)程的瓦斯監(jiān)控監(jiān)測(cè)。

5) 加強(qiáng)隧道內(nèi)瓦斯通風(fēng)、瓦斯排放、瓦斯卸壓等一系列工作，并建立完善的揭煤與瓦斯防突的應(yīng)急機(jī)制及處治工程預(yù)案，避免瓦斯集聚，防止瓦斯事故的發(fā)生。同時(shí)，隧道施工中加強(qiáng)灑水防塵工作，尤其是煤系地層施工段，要防止煤塵爆炸事故及煤層自燃發(fā)生，確保施工及隧道安全。