(1.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550081；2.華北科技學院，河北 廊坊 065201)

煤與瓦斯突出是在開挖煤層的過程中，煤體在瓦斯、地應力的共同作用下煤呈粉碎狀態(tài)向采掘或開挖巷道空間急劇拋出并伴隨大量瓦斯涌出的一種強烈的動力現(xiàn)象[1-3]，煤與瓦斯突出具有發(fā)生突然、動力過程猛烈的特征，若不能及時準確預警并消除突出威脅，會造成掩埋施工人員、設備的事故，并且伴隨瓦斯氣體的噴出，甚至造成瓦斯(或煤粉粉塵)爆炸等煤與瓦斯突出災害。自1834年法國伊薩克礦發(fā)生世界上最大的一次突出災害以來，在過去的185年間幾乎在每個產煤國家每年都會發(fā)生類似的災害。近年來，隨著煤與瓦斯防治技術的安全投入，煤與瓦斯突出事故的發(fā)生呈下降態(tài)勢，但仍時有發(fā)生。

國家歷來十分重視西南地區(qū)的基礎設施建設，尤其在貴州，近年來貴州省高速公路、鐵路、水利、機場等基礎設施建設投入逐年加大，由于貴州的地形地質特點，高速公路、鐵路、水利設施建設的過程中，隧洞穿越過煤層的情況不可避免，在進行過煤層施工時由于防治措施不到位也發(fā)生過煤與瓦斯突出事故。2017年5月2日，貴州省畢節(jié)市大方縣境內，成貴快鐵在建工程七扇巖隧道發(fā)生煤與瓦斯突出事故，共造成12人死亡，12人受傷。為此，針對隧道過煤層的施工，貴州省交通廳編制了《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南》，原鐵道部頒布了《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》，針對水工瓦斯隧道的設計及施工，在貴州省參照《貴州省高速公路瓦斯隧道設計技術指南》《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南》規(guī)定的相關要求執(zhí)行。

1 工程背景

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程位于貴州省西北部的長江流域烏江支流六沖河中游的七星關區(qū)與納雍縣界河段上，涉及畢節(jié)、遵義2個地級市，受水對象包括畢節(jié)市的七星關區(qū)、納雍縣、赫章縣、大方縣、織金縣、黔西縣、金沙縣和遵義市的遵義縣、紅花崗區(qū)、仁懷市，共10個區(qū)(縣、市)。工程為以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的Ⅰ等大⑴型水利樞紐工程。全部建成后，供水對象包括2座城市、5座縣城、8個工業(yè)園、1個火電廠、69個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、365個農村聚集點，供水人口總計267萬，灌溉對象涉及51個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積90.03萬畝，同時還可以開發(fā)利用一定水能資源，建設壩后電站，共計裝機90MW，多年平均發(fā)電量2.323億kW·h。夾巖水利工程包括水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)骨干輸水工程3大部分。

輸水建筑物以夾巖水庫為起點，大體東西向展布，包括總干渠、北干渠(附廓前和附廓后)、南干渠、金遵干渠、黔西分干渠、金沙分干渠等6條干渠，織金供水管線等16條支渠，以及配套的上寨泵站、中寨一級泵站、中寨二級泵站等3座提水泵站。渠線總長643.93km，其中6條干渠總長約266.79km，16條支渠(流量在1.0m3/s以上)總長377.14km。

北干渠附廓前段共計6個施工標段，其中水打橋隧洞全長約20km，劃分為北干1標和北干2標兩個標段。北干渠1標水打橋隧洞進口接總干1標貓場隧洞出口，與北干2標分界線為隧10+300.000樁號。隧洞前段走向N81°W，后段走向NE，與六沖河近平行布置。隧洞穿越地層以峰叢洼地巖溶地貌為主，地表海拔1300～1750m，最大埋深435m。隧洞進口位于大方縣鼎新鄉(xiāng)南側槽谷底部戚家橋附近，距貓場鎮(zhèn)直線距離1.7km。

北干1標水打橋隧洞進口段目前已經施工至K1+410樁號，掌子面揭露地層巖性為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)泥巖、砂巖夾煤層，現(xiàn)已揭露煤層10層，煤層傾向與洞軸向一致，厚度在0.3～3.0m，常見厚度1.0～1.5m，均為優(yōu)質無煙煤。水打橋隧洞在隧洞K1+410樁號發(fā)生瓦斯突出現(xiàn)象，2018年貴州省水利(投資)集團有限責任公司委托華北科技學院對水打橋隧洞待穿越的6中煤層進行平行的煤與瓦斯突出鑒定工作，鑒定結論確定6中煤層為具有煤與瓦斯突出危險煤層?；诖?，本文開展水工隧道過煤層煤與瓦斯突出災害防治技術研究，以期對水工瓦斯隧道的煤與瓦斯突出防治工作提供借鑒。

2 水工瓦斯隧道煤與瓦斯預測技術

2.1 水工瓦斯隧道與煤礦巷道工程的異同

由于水工瓦斯隧道的施工都需要穿煤，所以水工瓦斯隧道的突出預測和煤礦生產礦井的突出預測具有很多相似之處，煤礦的一些安全生產和管理經驗也可以借鑒到瓦斯隧道修建運營中來。礦井采掘和穿煤瓦斯隧道施工主要有以下共同點：

a.都要進行揭煤，因此礦井中常見的災害在水工瓦斯隧道的修建中都有可能遇到。例如：瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤粉爆炸和煤與瓦斯突出等。開挖前都要對煤體結構類型、煤體強度以及地質構造等因素進行勘測測量，在開挖中還要對瓦斯進行監(jiān)測，從而保證對工程活動地區(qū)的認識和對災害的預防。

b.采煤礦井和水工瓦斯隧道一樣，都是地下工程，因此在開挖的同時都要進行支護，只是由于目的不同，對支護的要求不同而已。

c.由于是地下工程，在礦井或者隧洞內會形成一個相對密閉或者空氣不能和外界正常流通的空間，所以要進行人為通風，以保證內部工作人員安全和設備的正常運轉。

d.在一些高瓦斯或者有突出危險的煤層中施工時，工程設備要采取防爆措施，以防發(fā)生瓦斯爆炸或者粉塵爆炸。

在煤礦巷道施工領域，對煤的開采技術、施工管理、災害特征以及災害處理經驗等均已有了比較深的研究和摸索，可以說己經形成了一套科學的體系。而在水工瓦斯隧道施工中，由于穿煤(特殊地質)隧道修建難度高，因此在道路選線和隧址選擇時會盡量避免煤層或近煤層地質。但由于建設的需求，有些隧道不得不穿過煤層地帶，甚至是突出煤層。近幾年，隨著瓦斯隧道建設的增多，積累了一部分設計施工經驗，但很多是從煤礦行業(yè)直接借鑒而來的。由于瓦斯隧道和煤礦有很多不同之處，全部借鑒煤礦行業(yè)的規(guī)程經驗也有不合理的地方，以下是瓦斯隧道和煤礦巷道的一些不同之處：

a.工程目的不同。煤礦施工是為了開采煤，所以巷道方向是沿著煤層，巷道的坡度跟著煤層的走向，一般坡度起伏較大，為了提高產量，開挖工作面較多；而水工瓦斯隧道施工的主要目的是安全穿越過煤層。

b.支護要求不同。水工瓦斯隧道施工嚴格要求支護質量，在穿煤段一般按照短進尺、弱爆破、快噴錨、強支護、勤監(jiān)測和加強通風的原則施工，從而保證施工安全和工程質量；在工作面要求減小塌方，因一旦塌方就會影響工程進度，增加大量的工程投入。而煤礦施工是為了煤的開采，所以巷道支護標準較低，雖然巷道開采也需要避免塌方，但是煤礦巷道的塌方處理較快，有時甚至還會為了避免更大危險的發(fā)生而釆取加大藥量震動放炮來人工誘導小型煤與瓦斯突出的發(fā)生。

c.通風方式的不同。煤礦的通風設計較為復雜，一般是一套龐大復雜的通風網絡和瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)；而水工隧道的通風比較簡單，常為簡單的壓入式通風。

2.2 水工瓦斯隧道煤與瓦斯突出預測方法的選取

一直以來，煤與瓦斯突出的預測一般通過對煤巖動力災害機理中的某一指標或多個指標進行測定，形成災害危險性的單指標或綜合指標的判據準則[4]，即常規(guī)預測方法。近年來，隨著采礦地球物理學的發(fā)展，地球物理方法逐步開始應用于煤巖動力災害的預測，并得到國內外學者的廣泛關注?？紤]水工瓦斯隧道與生產礦井的不同，在水工瓦斯隧道開展煤與瓦斯突出預測方法的選取上，結合水工瓦斯隧道的施工工藝及相關要求，選用鉆屑瓦斯解吸指數K1值指標法[5]、最大鉆屑量[6]和煤巖電磁輻射指標法[7]。

2.2.1 鉆屑瓦斯解吸指數K1指標法

鉆屑瓦斯解吸指數K1值采用WTC瓦斯突出參數測定儀實現(xiàn)測量[8](見圖1)，這是一種利用多指標及變化規(guī)律綜合預測煤與瓦斯突出的專業(yè)裝備，其原理是在吸附平衡瓦斯壓力作用下的顆粒煤突然暴露于大氣中時，煤中瓦斯迅速地解吸出來。R.M.Barrer等人的實驗認為單位質量煤樣的瓦斯解吸量Qt與解吸時間t之間符合以下關系：

式中K1為系數，其物理意義是單位質量煤暴露1min時的瓦斯解吸量，表征瓦斯解吸速度衰減的快慢以及煤樣瓦斯含量的多少。

圖1 WTC瓦斯突出參數測定儀

WTC參數儀設計成便攜式本安型電路，適合于煤礦井下和水工瓦斯隧道施工現(xiàn)場使用。主要包括電源電路、單片微機及其擴展電路、模數轉換電路、壓差信號及放大電路和溫度信號及其放大電路5部分。

2.2.2 最大鉆屑量法

采用最大鉆屑量法時，在掌子面打2個(傾斜和急傾斜煤層)或3個(緩傾斜煤層)直徑42mm、長6～10m的鉆孔。鉆孔每打1m測定鉆屑量一次，測定方法可用重量法或容量法。重量法：每鉆1m鉆孔，收集全部鉆屑，用彈簧秤稱重；容量法：每鉆1m鉆孔，收集全部鉆屑，用量具測量鉆屑體積，預測開挖巷道前方突出危險性(見表1)。

表1 最大鉆屑量法臨界指標

在突出危險帶中，鉆孔壁變形的同時發(fā)生冒落。煤的破壞愈高，打鉆延續(xù)時間愈長，含瓦斯愈多，煤冒落愈厲害，這就是突出危險帶鉆屑量高的原因。

2.2.3 煤巖電磁輻射指標法

近年來，隨著采礦地球物理學的發(fā)展，地球物理方法逐步開始應用于煤巖動力災害的預測，并得到國內外學者的廣泛關注[9]。本文研究選用的是KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀，它是通過測定煤巖混凝土材料受載變形破裂過程中產生的電磁輻射信號的強度和脈沖數兩項指標的變化來預測預報煤巖混凝土動力災害現(xiàn)象的，使用的是高靈敏度、寬頻帶接收天線，接收的是電磁輻射強度和脈沖數兩個參數。

礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀可用于煤礦井下預測預報煤與瓦斯突出，也可用于預測預報煤與瓦斯突出、沖擊礦壓、頂板塌陷、滑坡等煤巖動力災害現(xiàn)象，還可用于確定煤巖卸壓帶的寬度，評定煤巖體的相對應力狀態(tài)等。系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 KBD5煤巖電磁輻射儀系統(tǒng)原理

KBD5型電磁輻射監(jiān)測儀(見圖3)是通過電磁輻射值和脈沖數兩項參數指標和三個值(電磁輻射強度極大值Emax、電磁輻射強度平均值Eavg和電磁輻射脈沖數N)來監(jiān)測煤與瓦斯突出和沖擊地壓危險程度的。

圖3 KBD5監(jiān)測儀實物圖

KBD5電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于Windows操作平臺，操作簡便，功能較強，包括文件操作、數據傳輸、圖表顯示、數據連接、動態(tài)分析及預測預報、結果打印、遠程監(jiān)測及控制、幫助系統(tǒng)。軟件主界面如圖4所示。

圖4 KBD5電磁輻射監(jiān)測儀軟件操作界面

3 現(xiàn)場應用及結果分析

在北干渠1標水打橋隧道進口開展了基于鉆屑瓦斯解吸指數K1指標法和煤巖電磁輻射指標法的突出預測試驗研究。水打橋隧洞在隧洞K1+410樁號出現(xiàn)瓦斯突出現(xiàn)象，現(xiàn)采用的突出預測方法是K1指標法。由于采用K1指標法預測煤與瓦斯突出測量時間長、測量過程復雜，降低了工程進度，擬采用電磁輻射發(fā)替代K1預測法。

圖5 掘進工作面電磁輻射天線布置方式及位置

試驗時，在掌子面前方布置3個測點，分別位于掌子面左、中、右方，天線分別朝向左前方、正前方和右前方，見圖5。1號測點位于掌子面的左幫側，距迎頭和左幫各0.5～0.7m，天線開口朝向左前方；2號測點距迎頭0.5～0.7m，位于巷道中央，天線朝向工作面正前方；3號測點設于巷道迎頭右?guī)蛡?，距迎頭和右?guī)透?.5～0.7m，天線開口朝向右前方。在每一個測點，天線有兩種布置方式，一種是天線軸向朝向煤層，如圖5(a)所示；另一種是天線軸向垂直于巷道頂、底板，開口槽朝向煤壁，如圖5(b)所示。測試點選擇如圖6所示。

圖6 掘進工作面電磁輻射測點布置示意圖

煤巖介質是一種導電介質，不同煤層電磁波在其中傳播的損耗是不同的。實驗室研究表明：煤巖破壞過程中的電磁輻射信號衰減系數與介電常數、磁導率、電導率和電磁波的頻率有關，且這幾個參數越大，電磁輻射信號在介質中的損失就越大。掌握北干渠1標水打橋隧道6煤層的電磁輻射信號特征分布規(guī)律，對利用電磁輻射監(jiān)測技術預測煤與瓦斯突出的煤巖動力災害具有重要的意義。

圖7～圖9為現(xiàn)場實測掌子面位置電磁輻射強度最大值的平均值和電磁輻射脈沖平均值的測試結果，其中EMEmaxavg為電磁輻射最大值的平均值，EMEavg為脈沖值平均值。通過觀察可以看出：電磁輻射強度最大值的平均值在75～85mV之間，電磁輻射強度的平均值在50～60mV之間，在放大倍數設定為2000、門限值設定為70的情況下，根據測試及統(tǒng)計分析得出其電磁輻射破壞脈沖值分布在10～30之間。電磁輻射強度平均值和電磁輻射脈沖值的分布符合現(xiàn)場測試要求。

圖7 掌子面左前方電磁輻射測試結果

圖8 掌子面左前方電磁輻射測試結果

圖9 掌子面左前方電磁輻射脈沖值測試結果(EMEavg)

圖10～圖11給出了掌子面前方電磁輻射強度平均值和電磁輻射脈沖值與常規(guī)預測指標Δh2及K1值的對應曲線。通過測試發(fā)現(xiàn)：電磁輻射強度平均值與Δh2有很好的一致性，電磁輻射脈沖值與K1值有很好的一致性。

圖10 掌子面電磁輻射值(EMEavg)與Δh2測試結果比較

圖11 掌子面電磁輻射值(脈沖值)與K1值的比較

4 結 語

水工隧道過煤層的施工工藝與煤礦生產礦井的巷道掘進有相同之處，但由于其工程目的不同，在煤與瓦斯突出的防治技術上側重點也不同，針對水工瓦斯隧道的特點，選擇一種預測耗時短、效率高、預測準確性高的煤與瓦斯突出預測手段尤為重要，本文研究基于鉆屑瓦斯解吸指數K1指標法和煤巖電磁輻射指標法兩種方法在夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠1標水打橋隧道瓦斯隧道進口開展了煤與瓦斯突出預測技術研究，結果表明：采用鉆屑瓦斯解吸指數K1指標法和煤巖電磁輻射指標法相結合的預測方法可準確預測水工瓦斯隧道煤與瓦斯突出的危險性。實驗證明：鉆屑瓦斯解吸指數K1指標法和煤巖電磁輻射指標法在預測結果上具有很好的相關性。研究成果成功應用于北干渠1標水打橋瓦斯隧道的開挖工作，并順利實現(xiàn)了30m的安全開挖。