朱建偉，劉盛

（中鐵隧道集團一處有限公司，重慶401121）

1 引言

隨著我國鐵路建設的蓬勃發(fā)展，近年來，鐵路煤層瓦斯突出隧道逐漸增多，由于前期對煤層瓦斯突出隧道施工的認識不足，缺乏足夠的防治經驗，在工程建設中面臨的瓦斯突出等災害事故問題將越來越嚴峻。因此，瓦斯突出防治問題是普遍面臨的問題，而伴隨復雜地質構造條件的突出煤層揭煤防突施工尤為困難，防治煤與瓦斯突出與安全揭煤，是揭煤防突施工中要解決的一大難題。

根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術規(guī)范》[1]，隧道揭煤防突施工采用區(qū)域防突措施先行，工作面防突措施作為補充的綜合防突技術措施，該措施安全有效。

由于煤層附近伴隨著斷層破碎帶以及受背斜構造等地質條件影響，給揭煤防突施工帶來了困難，因此，很有必要研究在此類復雜地質構造條件下，如何采取有效措施防治煤與瓦斯突出，并且確保安全快速施工。本文通過執(zhí)行多煤層平導與正洞區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術，有效降低復雜地質構造條件下突出煤層的瓦斯含量，減少突出煤層揭煤施工的危險性，解決復雜地質構造條件下多煤層區(qū)域防突施工帶來的工期影響，驗證了執(zhí)行平導與正洞多煤層區(qū)域聯(lián)合揭煤防突措施的可行性和可靠性。

2 工程概況

鷂子巖隧道位于重慶市北碚區(qū)境內，為正線雙線隧道，最大埋深330 m，全長4 782 m，線路穿越中梁山山脈，隧道設置輔助坑道平導1 座，位于左線線路中線右側35 m，全長3 154 m，隧道在正洞DK153+205~DK153+470 和平導PDK153+ 220~PDK153+480 穿越龍?zhí)督M第3 段K8、K9 煤層，煤層瓦斯壓力高，存在瓦斯突出危險。煤層附近分布觀音峽背斜與白廟子斷層，由于觀音峽背斜與白廟子斷層的影響，瓦斯氣體易沿著破碎帶裂隙溢出，影響范圍將進一步擴大。鷂子巖隧道是全線的控制性工程，為I 級高風險隧道。煤層分布示意圖如圖1 所示。

圖1 煤層分布示意圖

3 超前地質預報

3.1 綜合超前地質預報

為揭煤防突提供依據(jù)，并防止誤穿煤層和采空區(qū)，鷂子巖瓦斯突出段采取地質調查、物探及超前鉆探等方法，進行超前地質綜合預測預報，進一步查明煤層瓦斯的地質條件，核實和確定煤層和瓦斯具體情況，并進行瓦斯等有毒有害氣體超前預測，包括煤層位置、產狀、層厚，以及前方地層中瓦斯等有害氣體性質、成因、構造影響和濃度、含量、壓力等情況及參數(shù)[2]。

3.2 突出煤層超前地質鉆孔

超前鉆孔分3 次實施，且在平導內同步探明平導及正洞前方的地質情況，為正洞施工節(jié)約鉆孔時間。

1）第一次超前鉆孔：當平導施工至距白廟子逆斷層法向距離50 m 時，實施第一次超前鉆孔，在平導內同時對平導和正洞進行地質鉆孔，初步探明平導及正洞斷層位置特征及富水情況。

2）第二次超前鉆孔：當平導施工至距白廟子逆斷層20 m 時，實施第二次超前鉆孔，在平導內同時對平導和正洞進行地質鉆孔，進一步探明平導及正洞斷層位置特征及富水情況，與上循環(huán)鉆孔搭接10 m。

3）第三次超前鉆孔：當平導施工至K9（右上）煤層法向距離50 m 時，實施第三次超前鉆孔，在平導內同時對平導和正洞進行地質鉆孔，初步探明平導及正洞煤層的位置及分布特征，并通過本項鉆孔檢測前方地層煤層瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層堅固系數(shù)、煤層瓦斯放散初速度等，與上循環(huán)鉆孔搭接10 m[3]。

4 區(qū)域聯(lián)合揭煤防突措施

4.1 揭煤防突方案的選擇

鷂子巖隧道設計采用平導及正洞分開采取揭煤防突措施的施工方案，按照此方案，正洞施工至煤層位置法向距離10 m再采取揭煤防突措施，需要耗費約5 個月進行預測及瓦斯抽采，嚴重影響了工期。經研究，利用平導超前正洞施工的條件，縮短正洞揭煤防突時間，通過平導向正洞方向開設區(qū)域瓦斯抽采硐室，采取平導和正洞共用一套瓦斯抽放系統(tǒng)，聯(lián)合執(zhí)行區(qū)域防突措施，分開揭煤的施工方案。先進行平導揭煤施工，待平導穿過煤系地層段后，再進行正洞揭煤施工，嚴禁平導和正洞同時揭煤，可縮短正洞施工工期約5 個月。

4.2 正洞抽采硐室的布置

4.2.1 正洞抽采硐室周邊超前地質鉆孔

為防止開挖抽采硐室時誤揭煤層，首先在平導右側邊墻PDK153+410 里程處向正洞方向施作6 孔超前地質鉆孔，探明正洞抽采硐室周邊的地質情況，經探測無煤層及瓦斯突出等不良地質情況后，方可開挖抽采硐室。

4.2.2 抽采硐室開挖

抽采硐室開挖按照橫通道的斷面進行開挖，與平導夾角為45°[4]，抽采硐室開挖至距離正洞煤層法向距離20 m 位置（即DK153+355），硐室開挖采用全斷面法施工，采用三級煤礦許用炸藥、煤礦許用毫秒延期電雷管、電力起爆器。初期支護根據(jù)圍巖情況采用錨網噴進行臨時支護。抽采硐室平面布置示意圖詳見圖2。

圖2 抽采硐室平面布置示意圖

4.3 區(qū)域突出危險性預測

4.3.1 區(qū)域突出危險性預測鉆孔

區(qū)域突出危險性預測鉆孔平導與正洞同時實施，平導在PDK153+374 執(zhí)行，共計布置地質鉆孔13 孔，其中3 孔取芯。正洞在抽采硐室內執(zhí)行，因屬于同一區(qū)域煤層，正洞共計布置地質鉆孔3 孔進行補充預測。

鉆孔過程中孔口瓦斯?jié)舛茸罡哌_到100%，硫化氫濃度最高達到0.05%以上（超出儀器量程）。且現(xiàn)場出現(xiàn)瓦斯噴孔現(xiàn)象，噴孔間隔時間約15~20 s 不等，噴孔距離長達4 m，每次噴孔時均造成工作面風流中瓦斯?jié)舛瘸轠5]。

4.3.2 煤層瓦斯相關參數(shù)測定及判定

根據(jù)打設的預測孔安裝壓力表測定煤層瓦斯壓力。每個煤層采用煤芯采取器對該煤層進行取芯采樣，裝入煤樣罐送檢進行瓦斯含量等參數(shù)的測定。K8、K9 煤層主要參數(shù)實測值如表1~表3 所示。

表1 煤層瓦斯壓力實測值MPa

表2 煤層瓦斯含量實測值m3/t

表3 煤層瓦斯透氣性系數(shù)實測值m2（/MPa2·d）

根據(jù)測定結果判定，各煤層瓦斯壓力均大于0.74 MPa，各煤層瓦斯含量均大于8 m3/t，且鉆孔施工過程中存在瓦斯動力及噴孔現(xiàn)象，判定該區(qū)域煤層為突出煤層。根據(jù)測定的煤層透氣性系數(shù)均小于0.1 m2/（MPa2·d），K8、K9 煤層均屬于較難抽放煤層。

4.4 穿層鉆孔聯(lián)合預抽多煤層瓦斯

4.4.1 穿層鉆孔布置及參數(shù)

根據(jù)區(qū)域危險性預測結果，該區(qū)域煤層屬于突出煤層，需進行瓦斯主動抽排；采取平導與正洞穿層鉆孔聯(lián)合抽排的施工方案，均在距離煤層法向距離10 m 位置實施，穿層鉆孔一次性穿透所有煤層，且進入煤層底板不小于0.5 m。穿層鉆孔聯(lián)合預抽多煤層瓦斯鉆孔布置圖如圖3 所示。

圖3 穿層鉆孔聯(lián)合預抽多煤層瓦斯鉆孔布置圖

4.4.2 穿層鉆孔抽排范圍

考慮煤層地層條件復雜，結合《防治煤與瓦斯突出實施細則》（2019 年版）及TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術規(guī)范》等要求，瓦斯抽排范圍為頂部及底部開挖輪廓線外順煤層方向不小于20 m，兩側拱墻開挖輪廓線外順煤層方向不小于15 m。

4.4.3 鉆孔施工

鉆機選型及施工方法：選擇ZDY-1250 型煤礦用液壓坑道鉆機，其鉆進深度可達200 m，主機外形尺寸（長×寬×高）為2 240 mm×1 020 mm×1 380 mm，鉆孔直徑 φ75 mm~φ115 mm，施工傾角-90°~+90°，鉆桿直徑 φ50 mm，電機功率 22 kW，滿足瓦斯抽采鉆孔施工的需要。

4.4.4 封孔施工

預抽瓦斯鉆孔封堵必須嚴密，穿層鉆孔的封孔段長度不得小于5 m。穿層鉆孔封孔方法選用水泥砂漿封孔，水泥砂漿采用C40 硅酸鹽水泥、砂子與水混合攪拌而成，水泥與砂子的質量比為 1∶2.4~1∶2.5，砂子顆粒直徑為 0.5~1.5 mm。

4.4.5 抽排系統(tǒng)的布置

瓦斯抽排在鷂子巖隧道出口平導洞外50 m 處布置瓦斯抽排泵站，瓦斯抽采系統(tǒng)主要由瓦斯抽采泵站，抽采主管道、支管道、閥門、放水器及排放管道、安全裝置等組成。瓦斯抽排系統(tǒng)布置圖如圖4 所示，現(xiàn)場瓦斯抽排照片如圖5 所示。

圖4 瓦斯抽排系統(tǒng)布置圖

圖5 現(xiàn)場瓦斯抽排照片

抽排泵站應在抽排鉆孔施工前設立、安裝并運行，以抽排鉆孔施工期間涌出甚至噴出的瓦斯。

采用SPSS17.0對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析處理，各組計量資料結果用（± s）表示，兩兩比較采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

管路布置：抽排泵接φ200 mm 主管經平導→沿平導→平導抽采鉆場以支管和軟管、鋼管與鉆孔相連→在正洞抽排硐室交叉口分支接正洞抽采硐室，以支管和軟管、鋼管與鉆孔相連；抽排管從抽采泵接出后直接排出，將瓦斯排出洞口50 m外，形成抽采管路系統(tǒng)，并于管路低位點設置放水器。

按規(guī)定安裝各種儀表和傳感器，監(jiān)測瓦斯抽采情況，記錄瓦斯抽采數(shù)據(jù)。

抽排泵站和抽排設備必須有專人負責運行、維護。在區(qū)域抽排完畢進行消突效果評價，并經工作面防突效果檢驗確認抽采有效后才能拆除。

4.5 區(qū)域聯(lián)合防突措施效果檢驗

4.5.1 消突效果評價

對預抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施進行檢驗時，均應首先分析、檢查預抽區(qū)域內鉆孔的分布等是否符合設計要求，不符合設計要求的，不予檢驗。根據(jù)瓦斯預抽的抽采指標，瓦斯抽采總量達到原煤瓦斯含量的51.84%。上述2 項工作符合要求后，實施效果檢驗，檢驗地點為區(qū)域性防突措施的實施地點。

4.5.2 區(qū)域防突措施效果檢驗孔布置

效果檢驗孔分別位于平導和正洞的防突措施預抽范圍上部、中部和兩側，并且至少有1 個檢驗測試點位于抽排區(qū)域內距邊緣不大于2 m 的范圍；各檢驗測試點應布置于所在部位鉆孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置，并盡可能遠離測試點周圍的各預抽鉆孔或盡可能與周圍預抽鉆孔保持等距離。

根據(jù)超前鉆孔和抽排鉆孔施工揭露情況，在地質構造復雜區(qū)域適當增加檢驗測試點。鉆孔位置應根據(jù)探明的地質構造情況調整施工參數(shù)或增加鉆孔[6]。

4.5.3 區(qū)域防突措施效果檢驗

平導共取K8、K9 煤層煤樣49 個，經檢驗，全部煤樣的殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，且鉆孔期間無瓦斯動力現(xiàn)象，防突措施有效，判定各煤層預抽范圍內無突出危險，可執(zhí)行安全防護措施開挖掌子面。

正洞共取K8、K9 煤層煤樣60 個，經檢驗，全部煤樣的殘余瓦斯含量均小于6 m3/t，且鉆孔期間無瓦斯動力現(xiàn)象，防突措施有效，判定各煤層預抽范圍內無突出危險，可執(zhí)行安全防護措施開挖掌子面。

4.6 區(qū)域驗證

平導先行進行驗證及揭煤施工，待平導完全穿過煤層后正洞再進行驗證及揭煤施工。嚴禁平導和正洞同時揭煤。

平導和正洞每揭完一層煤，需分別進行驗證，區(qū)域驗證與工作面防突措施的預測為同一工作步驟，距離各煤層法向距離5 m 及法向距離2 m 的位置進行鉆孔驗證。

4.6.1 區(qū)域驗證方法及其臨界指標

區(qū)域驗證方法采用鉆屑指標法進行驗證，每鉆進1 m 測定該1 m 段的全部鉆屑量S，每鉆進2 m 至少測定一次鉆屑瓦斯解吸指標K1或Δh2值。臨界指標值為：K1=0.40 ml/(g·min1/2)（濕樣）或 0.50 ml/(g·min1/2）（干樣）、S=14 kg/m（φ89 mm 孔徑）；噴孔、卡鉆等異?，F(xiàn)象視為超標。

4.6.2 區(qū)域驗證結果判斷

實測得到的S、K1或Δh2的所有測定值均小于臨界值，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況，判定該工作面為無突出危險工作面。

通過區(qū)域驗證不超標，上報審批后淺掘淺進至下一控制巖柱再進行驗證，可不采取工作面防突措施。

5 揭煤施工

根據(jù)施工組織安排，平導先行進行揭煤施工，待平導完全通過煤層后，正洞掌子面開挖至煤層法向距離5 m 位置，執(zhí)行區(qū)域驗證及揭煤施工。平導與正洞不得同時揭煤。

5.1 開挖工法

揭煤前，根據(jù)現(xiàn)場的圍巖及賦水情況先采取超前注漿加固圍巖，防止掌子面出現(xiàn)坍塌引發(fā)瓦斯突出。平導采用臺階法開挖揭煤，上臺階先行揭開煤層。正洞采用CRD 法（交叉中隔墻法）開挖揭煤。

5.2 揭煤相關要求

揭煤的相關要求包括：

1）爆破揭煤作業(yè)采用煤礦許用炸藥，煤礦許用毫秒電雷管，電力起爆，最后一段的延期時間不得大于130 ms。

2）揭煤時，掘進工作面與煤層之間必須保持一定的巖柱，其最小垂厚不小于2 m，根據(jù)煤層的傾向，掌子面先進行刷坡處理，保證石門巖柱的厚度一致。

3）放炮時，回風系統(tǒng)內電氣設備必須切斷電源。

4）工作面必須有獨立可靠的回風系統(tǒng)，并保證回風系統(tǒng)中風流暢通。

5）開挖工作面附近20 m 風流中瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?.5%。

6）必須采用濕式鉆孔，炮眼深度不小于0.6 m，炮眼內巖粉清除干凈。

6 結論

本文結合工程實例對多煤層區(qū)域聯(lián)合揭煤防突施工技術進行研究，得出以下結論：

1）優(yōu)化瓦斯突出隧道防突揭煤施工技術，選擇合理的防突方案非常重要，對工程的總體工期控制有關鍵作用。重慶鐵路樞紐東環(huán)線鷂子巖隧道在瓦斯突出地段存在斷層及背斜構造條件下，通過平導向正洞方向設置瓦斯抽排硐室，利用平導超前施工的條件，聯(lián)合平導提前預抽正洞多煤層瓦斯，鷂子巖隧道總體工期節(jié)約5 個月，實現(xiàn)了復雜構造條件下多煤層區(qū)域聯(lián)合防突揭煤施工安全、快速的總體建設目標。

2）采用多煤層穿層鉆孔預抽煤層瓦斯施工技術，根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道施工技術規(guī)范》規(guī)定，結合現(xiàn)場的復雜構造條件，將抽排范圍調整為頂部及底部開挖輪廓線外順煤層方向不小于20 m，兩側拱墻開挖輪廓線外順煤層方向不小于15 m。經區(qū)域防突措施效果檢驗，該措施安全可靠，能達到抽排效果。

3）采用在平導提前施作長探孔探測正洞前方斷層及煤層分布情況，可為正洞施工提供準確的地質預報資料，節(jié)約正洞施作地質超前鉆孔的時間。