鄭仕躍　彭文彬　朱應(yīng)　許汝杭

作者簡(jiǎn)介：

鄭仕躍（1976—），高級(jí)工程師，主要從事公路（市政）項(xiàng)目建設(shè)管理工作。

摘要：為實(shí)現(xiàn)高瓦斯多煤層隧道安全高效揭煤防突施工，文章結(jié)合天城壩隧道地質(zhì)條件及煤層穿越情況，提出采用基于高壓水力割縫-壓裂增透的揭煤防突技術(shù)。該技術(shù)包括高壓水力割縫、水力壓裂、瓦斯抽排及強(qiáng)化支護(hù)等。研究結(jié)果表明：在高瓦斯多煤層隧道揭煤防突施工中，采用以高壓水力割縫-壓裂增透技術(shù)為核心的揭煤防突措施后，通過綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，工作面防突檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)，為快速揭煤和穿越煤系地層施工提供了安全保障，對(duì)類似隧道施工具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;多煤層;水力割縫;水力壓裂;揭煤防突

中國(guó)分類號(hào)：U458.1A321183

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸體系不斷完善，隧道工程的建設(shè)也日益增多。然而，我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道建設(shè)過程中難以避免穿越煤系地層，造成隧道瓦斯突出，極易引發(fā)瓦斯災(zāi)害事故，增加施工風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，隧道瓦斯突出是制約隧道安全施工的技術(shù)難題。

對(duì)于隧道瓦斯突出，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究：杜志剛等[2]以貴州山區(qū)某過煤層瓦斯隧道為例，采用屬性數(shù)學(xué)理論建立隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)模型，對(duì)隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià);郭鴻雁[3]針對(duì)瓦斯突出隧道，利用FLAC 3D軟件建立隧道開挖模型，研究斷面尺寸對(duì)瓦斯突出隧道圍巖穩(wěn)定性的影響;王明慧等[4]結(jié)合天坪隧道橫洞瓦斯突出工區(qū)施工特點(diǎn)，提出了瓦斯突出隧道施工安全管理的組織措施。

綜上所述，目前對(duì)隧道瓦斯突出的研究主要集中在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、圍巖穩(wěn)定性和施工安全管理等方面，而對(duì)揭煤防突技術(shù)研究較少。為此，本文以天城壩隧道為研究對(duì)象，結(jié)合隧道地質(zhì)條件及煤層穿越情況，提出采用基于高壓水力割縫-壓裂增透的揭煤防突技術(shù)，研究結(jié)果可為類似隧道施工提供參考。

1 工程概況

天城壩隧道位于遵義市習(xí)水縣仙緣鎮(zhèn)北約5.50 km，是貴州省德江至習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段控制工程。隧道按左、右線分離式設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)為4.2 km，最大埋深為525.2 m，采用鉆爆法進(jìn)行開挖。隧道所需穿越的煤系厚度為54.22～70.95 m，平均為62.65 m，含煤9～13層，自上而下編號(hào)分別為C5、C6、C7（含C7-1、C7-2、C7-3）、C8（含C8-1a、

C8-1b、C8-2）、C11和C12，含煤總厚度為6.28～13.65 m，其中可采煤層4層，編號(hào)分別為C6、C7-2、C8-1、C8-2。根據(jù)勘測(cè)資料分析，天城壩隧道煤層瓦斯含量為7.01～37.16 m3/t，瓦斯壓力最大為4.12 MPa，為高風(fēng)險(xiǎn)瓦斯突出隧道。隧道穿越煤層如圖1所示。

2 高瓦斯隧道揭煤流程

天城壩隧道煤層揭煤及瓦斯抽排施工時(shí)，采用高負(fù)壓瓦斯抽排方案對(duì)突出瓦斯進(jìn)行治理，揭煤流程如圖2所示。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

瓦斯突出煤系地質(zhì)條件復(fù)雜，為了準(zhǔn)確掌握隧道前方煤層賦存情況，防止誤揭煤層，揭煤前需要進(jìn)行超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)，包括煤層層位、產(chǎn)狀及煤層厚度等，為防突措施方案的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障隧道安全施工[5]。

2.2 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

在距煤層最小法向距離10 m垂距處，測(cè)定煤層原始瓦斯含量Q、原始瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP及堅(jiān)固性系數(shù)f，分析出煤的破壞類型，對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行初步預(yù)測(cè)[6]。由于C5煤層厚0.14 m，C7-1煤層厚0.15 m，<0.3 m，不作處理;C7-2、C7-3、C8煤層的原始瓦斯含量Q、原始瓦斯壓力P、瓦斯放散初速度ΔP及堅(jiān)固性系數(shù)f等指標(biāo)均超過了突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值，且施工過程中出現(xiàn)噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，其中左洞C8-2煤層厚達(dá)11.2 m，瓦斯含量達(dá)21 m3/t，瓦斯壓力高達(dá)7.354 MPa，因此判定C7-2、C7-3、C8煤層存在瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)其執(zhí)行區(qū)域防突措施。左、右洞瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)單項(xiàng)指標(biāo)臨界值和實(shí)測(cè)結(jié)果分別如表1、表2所示。

3 高瓦斯多煤層隧道揭煤防突技術(shù)

針對(duì)天城壩隧道高瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)隧道安全高效揭煤防突施工，決定采用以高壓水力割縫-壓裂增透技術(shù)為核心的揭煤防突措施。

3.1 高壓水力割縫

本工程原設(shè)計(jì)采用水力劈裂技術(shù)對(duì)所有瓦斯突出煤層進(jìn)行處理以便加快煤層瓦斯的解析，但水力劈裂孔數(shù)較少（設(shè)計(jì)為3個(gè)孔），且C8煤層實(shí)際厚度比原設(shè)計(jì)厚度大，解析效果較差，故采用高壓水力割縫。由于高壓水力割縫孔數(shù)多，割縫距離、割縫寬度及深度可控，對(duì)煤層的瓦斯解析更為有利，可有效縮短瓦斯抽采的時(shí)間[7]。高壓水力割縫原理如下頁(yè)圖3所示。

3.2 水力壓裂增透

水力壓裂是在高壓水力割縫作用后，為增加煤層的透氣性、提高瓦斯抽采效率、縮短瓦斯抽排時(shí)間的一種技術(shù)措施[8-9]。本工程水力壓裂水泵電機(jī)功率為400 kW，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的擋位壓力為16.5～50 MPa，流量為17.6～70.5 m3/h，且具有流量大、體積小、智能化程度高等特點(diǎn)。水力壓裂過程中最大壓力為20.3 MPa，累計(jì)注水量為168 m3。

3.3 瓦斯抽排

水力壓裂增透措施完成后，進(jìn)行瓦斯抽排鉆孔施工。C7、C8煤層采取“聯(lián)合布孔、聯(lián)合抽排”方式進(jìn)行消突。鉆孔采用ZDY-2300型鉆機(jī)進(jìn)行施工，排渣方式以水力排渣為主，壓風(fēng)排渣為輔。鉆孔孔徑為76 mm，抽排半徑為2 m。C7煤層抽排鉆孔按終孔間距4 m×4 m網(wǎng)格布置，控制揭煤區(qū)域?yàn)樗淼垒喞€外12 m，共設(shè)計(jì)鉆孔148個(gè);C8煤層抽排鉆孔按終孔間距3 m×3 m網(wǎng)格布置，控制揭煤區(qū)域?yàn)樗淼垒喞€外12 m，共設(shè)計(jì)鉆孔448個(gè)。

當(dāng)抽排鉆孔施工結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)連接所有抽排鉆孔進(jìn)行瓦斯抽排，并進(jìn)行消突評(píng)估。通過計(jì)算，C7、C8煤層共需抽排瓦斯量約65.7萬(wàn)m3，共分兩輪抽排：第一輪需抽排瓦斯量為33.8萬(wàn)m3，施鉆期間風(fēng)排瓦斯約14萬(wàn)m3，抽排50 d;第二輪需抽排瓦斯為31.9萬(wàn)m3，施鉆期間風(fēng)排瓦斯約4萬(wàn)m3，由于第二輪鉆孔數(shù)量減少，因此抽排90 d。

3.4 強(qiáng)化支護(hù)

根據(jù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析，煤系地層圍巖及煤層穩(wěn)定性差，需施工金屬骨架作為煤系地層揭煤施工的強(qiáng)化支護(hù)措施。其中C7煤層真厚較小，金屬骨架采用42 mm×4雙層超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)度為4 m，環(huán)向間距為40 cm，縱向排距為120 cm。C8煤層真厚達(dá)11.2 m，煤層的堅(jiān)固系數(shù)為0.4，經(jīng)過水力壓裂增透后，更為破碎，因此需采用超前帷幕注漿加固。注漿范圍為隧道開挖輪廓線以外6 m，注漿段長(zhǎng)度為30 m，分3環(huán)實(shí)施：第一環(huán)長(zhǎng)12 m，第二環(huán)長(zhǎng)20 m，第三環(huán)長(zhǎng)30 m。金屬骨架采用108 mm大管棚，拱部環(huán)向間距為40 cm，邊墻環(huán)向間距為40 cm，孔深必須穿過待揭煤層3 m，長(zhǎng)度為25 m，搭接長(zhǎng)度≥5 m。

4 應(yīng)用結(jié)果檢驗(yàn)

采用綜合指標(biāo)法和鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。若檢驗(yàn)結(jié)果其中任何一項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)，或在打檢驗(yàn)孔時(shí)發(fā)生噴孔、頂鉆、夾鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，則認(rèn)為防突措施無效，必須采取補(bǔ)充防突措施。實(shí)際施工中，對(duì)10 m、5 m、2 m垂距抽排效果進(jìn)行檢驗(yàn)，消突效果明顯，工作面防突檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，為防突措施方案的制定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是做好隧道瓦斯突出防治的先決條件。

（2）提出了高壓水力割縫-壓裂增透方法，增加煤層透氣性和瓦斯釋放能力，提升瓦斯抽排效率，縮短了施工工期。

（3）形成以高壓水力割縫-壓裂增透為核心的高瓦斯多煤層隧道揭煤防突技術(shù)，降低瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，保障了隧道安全施工。

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