瓦斯隧道煤系地层揭煤施工技术探讨

王庆国

（陕西铁路工程职业技术学院 陕西渭南 714000）

1 煤层瓦斯的特征

1.1 瓦斯成分及物理力学性质

隧道遇到瓦斯多出现在煤系地层。瓦斯成分主要是甲烷(CH4)(亦称沼气)，其它还有二氧化碳(CO2)和氮(N2)，有时还有少 量 的 氢 (H2)、 硫 化 氢(H2S)、 一 氧 化 碳 (CO)、 氧(O2)、 乙 烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等气体。

瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起时，则发出类似苹果的香味。瓦斯比空气轻，因而常漂浮聚集在隧道洞室的上半部；瓦斯难溶于水，渗透性很强，扩散速度大，能从洞室周围地层中通过岩层裂隙渗透到洞室中来；瓦斯有燃烧性，当浓度小于5%时，遇火能燃烧，火焰为蓝色到亮青色，浓度大于16%时，不能直接燃烧，如引到新鲜空气中能缓慢燃烧；瓦斯有爆炸性，当空气中瓦斯浓度在5%～16%时，遇火源便会爆炸，含量在9.5%左右时爆炸最为猛烈。

1.2 瓦斯的赋存状态

煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。固体表面的吸附作用可以分为物理吸附和化学吸附两种类型，煤对瓦斯的吸附作用是物理吸附，是瓦斯分子和碳分子间相互吸引的结果。在被吸附瓦斯中，通常又将进入煤体内部的瓦斯称为吸收瓦斯，把附着在煤体表面的瓦斯称为吸着瓦斯，吸收瓦斯和吸着瓦斯统称为吸附瓦斯。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80%～90%，游离瓦斯量占10%～20%；在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。

在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力和温度发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动平衡，而产生新的平衡状态。因此，瓦斯吸附分子和游离分子是在不断地交换之中，在瓦斯缓慢的流动过程中，不存在游离瓦斯易放散、吸附瓦斯不易放散的问题；但是，在突出过程的短暂时间内，游离瓦斯会首先放散，然后吸附瓦斯迅速加以补充。

1.3 瓦斯放出的形式

瓦斯的涌出：从煤层或岩层中均匀缓慢地释放出来，延续时间很久，有时带有一种嘶声。

瓦斯的喷出：大量瓦斯在压力状态下，从煤岩裂缝中喷出，喷出的时间有长有短，放出时常伴随着嘶嘶声、吹哨声或破碎声，能于短时间内放出大量沼气，有造成爆炸和生命窒息的危险。

瓦斯突出：在较大压力状态下，在很短时间内，瓦斯突然大量喷出，并伴随大量煤粉和岩块抛出，称为瓦斯突出。瓦斯突出之前，一般都出现一些预兆，如发出声响，地层压力增大，支撑被压变形，有臭味、酸味或酒味，坑壁被挤出、塌落，顶板、底板鼓起，煤质变得松软，颜色由亮变黑，失掉光泽等，同时气温降低，有较显著发冷感觉。

2 隧道瓦斯地段揭煤施工方法

2.1 超前探测

不同的隧道，其瓦斯含量及压力与煤系地层的长度、在隧道中所处位置和所占长度比例及隧道本身长度有关，且差异很大。《铁路瓦斯隧道技术规范》要求将瓦斯隧道合理地划分为非瓦斯工区、低瓦斯工区、高瓦斯工区和瓦斯突出工区。

接近突出煤层前，必须对设计标示的各突出煤层位置进行超前探测，标定各突出煤层准确位置，掌握其赋存情况及瓦斯状况。

(1)初步探测：接近突出煤层前，应在距设计煤层位置15～20 m(垂距)处的开挖工作面打超前探孔1个，初探煤层位置。

(2)精确探测：在距初探煤层位置10m(垂距)处的开挖工作面上打3个超前探孔，并取岩(煤)芯，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置；按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性；掌握并收集探孔施工过程中的瓦斯动力现象。

各探孔施工应注意：

各探孔要求应穿透煤层进入顶(底)板不小于0.5m；

正式探孔应取完整的岩(煤)芯，进入煤层后宜用干钻取样；

各探孔直径不宜小于76 mm；

所有钻孔要详细记录岩芯资料，以利于探明煤层的相对位置，煤层倾角、厚度、走向的变化及地质构造和瓦斯情况等；

在钻孔过程中要仔细观察孔内排出的浆液、煤屑变化情况，是否有喷孔、卡钻、顶钻等异常现象，并做好记录；

在布孔时应本着一孔多用的原则，探孔尽可能用作预测孔和起到瓦斯排放孔的作用。

2.2 突出危险性预测

在瓦斯突出工区施工时，应在距煤层垂距5m处的开挖工作面打瓦斯测压孔，或在距煤层垂距不小于3m处的开挖工作面进行突出危险性预测。

预测孔和测压孔均布置在拟首次揭煤的断面范围内，一般布置3个预测孔和1个测压孔，现场可根据开挖断面大小适当增减钻孔数量；钻孔要能控制开挖周边2～3m范围，钻孔穿透煤层全厚，并进入煤底板不小于0.5m。

测压孔径为75mm，测定瓦斯涌出的初速度后应即时封孔，测定瓦斯压力。预测孔开孔孔径为60mm，见煤后孔径改为42mm，并由孔口接煤粉，测定预测参数值，上述各孔的见煤点与原超前探孔见煤点的间距应不小于5m。

瓦斯突出危险性预测应选用至少两种方法，相互验证。石门揭煤可采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法，对于煤巷掘进宜采用钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法或“R”指标法。突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。其预测时的临界指标应根据实测数据确定，当无实测数据时，可参照《铁路瓦斯隧道技术规范》中所列突出危险性临界值。

在钻孔过程中，出现顶钻、卡钻、瓦斯和煤粉的喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面。

2.3 防突技术措施

经预测有煤与瓦斯突出危险时，应在揭煤前制定包括技术、组织、安全、通风、抢险、救护等技术组织措施。

2.3.1 加强通风

隧道在掘进过程中，预防瓦斯燃烧与爆炸的主要措施是加强通风以降低瓦斯浓度，使其在允许值之下。

高瓦斯隧道的通风装置应有两套独立的通风机和各自独立的电动机，所有掘进工作面的局部风机都应装设三专(专用变压器、专用开关、专用线路)、一闭锁(风，电)设施，保证局部扇风机可靠运转。瓦斯含量较低时，可考虑一套通风机，两台电动机，其中一台备用。凡备用电动机和配套扇风机必须在10min内启动。

使用局部扇风机进行通风的掘进工作面，无论工作或交接班时，都不准停风。因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。在恢复通风前，必须检查瓦斯，局部扇风机及其开关地点附近10m以内风流中瓦斯浓度都不超过0.5%时，方可人工开动风机。

2.3.2 防止喷出及突出

在掘进工作面的前方或两侧钻孔，探明是否有断层、裂缝和溶洞及其分布位置、瓦斯贮存情况，以便采取相应措施。

排放瓦斯：瓦斯含量不大时，使其自然排放，亦可用风筒或管子将瓦斯引至回风流或距工作面20m以外的坑道中，以保证工作面开挖放炮的安全。当瓦斯量大、喷出强度大、持续时间长时，则可插管排放；当开挖面瓦斯含量较大、裂隙多、分布广时，可暂停开挖，封闭坑道抽放瓦斯。

在裂隙小、瓦斯含量小时，可用粘土、水泥浆或其它材料堵塞裂隙，防止瓦斯喷出。

在开挖工作面前方接近煤层2m左右，向煤层打若干Φ75～300mm的超前钻孔排放瓦斯，钻孔周围形成卸压带，使集中应力移向煤体深部，达到防止突出的目的。

水力冲孔：在进行开挖之前，使用高压水射流，在突出危险煤层中，冲出若干直径较大的孔洞，使瓦斯解吸和排放，降低煤层瓦斯含量和瓦斯压力。

震动性放炮诱导突出：在工作面布置较多的炮眼并装较多的炸药，撤出人员后远距离起爆，利用爆破时强大的震动力一次揭开具有突出危险性的煤层。

深孔松动爆破：在开挖工作面向煤体深部的应力集中带内布置几个长炮眼进行爆破，其目的在于利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带，在工作面前方造成较长的卸压带，从而预防突出的发生。

煤层注水：通过钻孔将压力水注入煤层，使煤体湿润以改变煤的物理机械性质，减小或消除突出的危险性。

加强煤与瓦斯突出的技术管理。

2.4 防突措施效果检验

防突措施实施后，必须进行效果检验，以确认防突措施是否有效。防突措施效果检验应在距煤层2.0 m垂距的岩柱以外进行；防突措施的效果检验参照《铁路瓦斯隧道技术规范》进行；防突效果检验指标的临界值应根据实测数据确定，当无实测数据，可参照《铁路瓦斯隧道技术规范》确定。检验结果，其中任何一项指标超标，或在打检验孔时发生喷孔、顶钻、夹钻等动力现象时，则认为防突措施无效，必须采取补充防突措施；采用一次性排放时，应检验工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；当采用分段分部分次排放时，每次只检验排放部位的排放效果。

2.5 揭煤施工

揭煤施工要根据隧道断面大小及煤层突出危险程度预测结果决定揭煤方法。煤系地层大多为泥岩、页岩、砂泥岩和煤层互层，岩性松软、破碎，自稳性差，故在隧道大断面开挖时，极易坍落塌方。另一方面，在煤系地层施工必须使用煤矿用毫秒电雷管和煤矿安全炸药。毫秒电雷管规定延期时间不得超过130ms，只能选用到5段；而煤矿安全炸药的爆力和猛度均小于非矿用炸药，其爆炸威力只相当于一般岩石铵锑炸药的80%，难以满足隧道大断面施工要求。

上述原因决定了在煤系地层中不宜全断面开挖，而应采取半断面正台阶、先墙后拱的施工方法。在开挖上弧导坑前，视围岩情况或设超前小导管注浆，或设超前水平锚杆补强，并短掘紧衬，衬砌紧跟工作面，以防塌方。平行导坑因断面小采取全断面开挖，但仍应短掘紧衬。初期支护紧跟工作面能及时封闭岩面，防止瓦斯向隧道泄漏，有利于施工安全，但由于放炮距离近，使拱部受到扰动。由于煤系地层岩石松软，强度低，凿眼容易，故只要多用风枪，及时凿眼放炮，在支护2小时内大多能做到打眼放炮完成，此时混凝土尚未初凝，不致使混凝土质量受到影响。在岩石破碎，凿眼过程中发生卡钻、顶钻，或由于其它原因使凿眼时间延长时，则采取密炮眼、小药量的办法，尽量减少放炮对支护混凝土的影响。

3 安全技术措施

加强通风管理，确保隧道工作面供风量。

加强瓦斯检测，保证工作面瓦斯浓度不大于1%，距工作面后方20m回风流中的瓦斯浓度不大于0.75%，隧道中无瓦斯积聚。

加强隧道内所有电器设备和照明线路及机具管理，必须采用矿用安全防爆电器设备，并安装风电及瓦斯闭锁设施，随时有专人检查维修，不得失爆。

加强揭煤地段前后放炮管理，特别是揭煤地段爆破作业应按设计进行。

揭煤前的保安岩柱厚2m，在刷斜坡后，炮孔应准确无误地按设计炮孔深度及数目布置，以防止误穿或提前揭煤。

放炮前工作面不装药的炮孔(空眼)要用黄泥堵塞全孔。

在揭煤地段，进入隧道作业人员必须佩带个人自救器。

放炮揭煤后40min，由救护人员携带灭火器材首先进入工作面，经检查无异常后，才能恢复供电、供风。

加强揭煤地段特别是隧道与煤层交接处的支护工作。

4 结术语

在瓦斯隧道煤系地层施工时，通过采用上述一系列关键施工技术，坚持“短进尺，弱爆破，强支护，勤监测，加强通风，快喷锚”的原则，揭煤、防突及瓦斯排（抽）放施工时采用动态设计，并严格执行揭煤防突和瓦斯监控量测的有关规定和程序，可以安全地通过瓦斯区。

[1]TB10204-2002/J163-2002，铁道部.铁路隧道施工规范[S].

[2]TB10120-2002/J160-2002，铁路瓦斯隧道技术规范[S].

[3]李晓红，等.瓦斯隧道揭煤施工技术[M].重庆:重庆大学出版社，2005.

[4]周世宁，林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社，1999.

[5]吴应明.瓦斯隧道揭煤施工方法 [J].西部探矿工程，2001，71(4):80-81.