瓦斯隧道工程地质勘察与评价

徐世静

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 概述

近年来，随着铁路建设的发展,铁路等级不断提高,长大、深埋隧道大大增加,部分隧道不可避免的穿越煤系地层,给隧道工程的施工带来隐患。由于瓦斯浓度与煤(岩)中的瓦斯含量常有对应关系,对隧道施工、运营安全产生很大影响。因此，对穿越煤系地层的隧道,应开展瓦斯隧道的地质工作。以山西吕梁地区某瓦斯隧道的勘察为例,对瓦斯隧道的勘察方法及煤层瓦斯、煤尘指标进行分析评价,并提出合理的工程措施建议。

2 工程区区域地质特征

2.1 地形地貌

该隧道位于晋西吕梁山西麓,属黄土丘陵沟壑地形,是吕梁山向黄河峡谷的延续。地形总体是东高西低,北高南低,沟谷切割严重,大多呈“V”形,溯源侵蚀强烈,沟深、谷窄、坡陡。隧道区内山脊主要呈北东-南西向展布,形成分水岭。

2.2 地层岩性和煤层分布

隧道区分布的地层从老至新有下古生界奥陶系中统下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)、峰峰组(O2f)，上古生界石炭系中统本溪组(C2b)、上统太原组(C3t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)及上统上石盒子组(P2s)，新生界第三系上新统保德组(N2b)，第四系中更新统离石组(Q2l)、上更新统马兰组(Q3m)地层。石炭系上统太原组(C3t)分布于隧道区中部,为全区主要含煤地层之一。底部以灰白色中-粗粒石英砂岩连续沉积于本溪组(C2b)地层之上,与下伏地层呈整合接触,总厚度约114 m。二叠系下统山西组(P1s)为区内另一主要含煤地层,总厚度约58 m，为深灰色或灰黑色砂质泥岩、粉砂岩及砂岩互层。隧道区穿越两组全部地层和煤层。

3 瓦斯隧道勘察方法

广泛收集资料,包括邻近煤矿和油气田的既有资料,区域工程地质、矿产地质、水文地质、有害气体的实测资料,油气田气井资料及有关瓦斯赋存、突出的其他地质资料。在现场调查的基础上,结合区域地层情况,分析煤系地层深度、煤层数量,合理布置勘探孔,并进行详细的勘探孔设计,施钻过程应严格遵守相关规程,及时进行岩心鉴定,按要求采取煤层瓦斯样品进行测试、分析。最后根据所采样品的测试结果,对隧道工程瓦斯情况进行综合评价,并提出相应的工程措施建议。

4 隧道煤层瓦斯、煤尘分析评价

4.1 收集既有相关资料

(1)瓦斯分带规律

根据《山西省河东煤田离柳矿区三交勘探区详查地质报告》和《河东煤田离石矿区详查勘探报告》,该隧道区属二氧化碳-氮气带,瓦斯含量0.03～3.15 mL/g,CH4百分含量<20%,隧道区瓦斯含量等值线呈近东西向展布。

瓦斯变化梯度,是指煤层中沼气含量平均每增1 ml/g的煤层下延深度。计算公式来自1987年全国矿产储量委员会颁发的《煤炭资源地质勘探规范说明》。瓦斯变化梯度计算结果：5号煤层为15.7～111.26 m,平均59.02 m；8号煤层为11.08～316.53 m,平均107.04 m；9号煤层为12.44～118.54 m,平均53.02 m。2、3、4、10号煤层未进行计算。

(2)瓦斯及二氧化碳涌出量

通过收集吕梁市煤炭工业局文件“吕煤安字[2007]661号”《关于对临县银富煤业有限公司等18对矿井2007年度瓦斯等级及二氧化碳涌出量鉴定的批复》2007年度瓦斯鉴定结果： 5号煤层绝对涌出量为0.51～0.7 m3/min,相对涌出量为1.24～1.87 m3/t,瓦斯鉴定矿测定等级为低级；8号煤层绝对涌出量约0.64 m3/min,相对涌出量约1.92 m3/t,瓦斯鉴定矿测定等级为低级；9号煤层绝对涌出量为0.51～0.61 m3/min,相对涌出量1.74～2.29 m3/t,瓦斯鉴定矿测定等级为低级。2007度二氧化碳鉴定结果：5号煤层绝对涌出量为0.64～0.91 m3/min,相对涌出量1.53～2.43 m3/t；8号煤层绝对涌出量约0.83 m3/min,相对涌出量约2.49 m3/t；9号煤层绝对涌出量0.66～0.74 m3/min,相对涌出量2.04～2.96 m3/t。

收集吕梁市临县煤炭工业局文件“临煤发[2008]117号”《关于我县十八对矿井2008年度矿井瓦斯等级鉴定结果的报告》2008年度瓦斯鉴定结果：4号煤层绝对涌出量0.52～4.97 m3/min,相对涌出量1.53～9.39 m3/t,瓦斯鉴定矿等级为低级； 5号煤层绝对涌出量0.25～0.55 m3/min,相对涌出量0.70～4.00 m3/t,瓦斯鉴定矿测定等级为低级；8号煤层绝对涌出量约0.52 m3/min,相对涌出量约1.63 m3/t,瓦斯鉴定矿等级为低级；9号煤层绝对涌出量0.48～0.52 m3/min,相对涌出量1.63～2.23 m3/t,瓦斯鉴定矿测定等级为低级。本年度二氧化碳鉴定结果：4号煤层绝对涌出量0.36～1.64 m3/min,相对涌出量0.68～2.79 m3/t；5号煤层绝对涌出量0.28～0.74 m3/min,相对涌出量1.06～4.80 m3/t；8号煤层绝对涌出量约0.66 m3/min,相对涌出量约2.07 m3/t,9号煤层绝对涌出量0.61～0.72 m3/min,相对涌出量1.87～3.11 m3/t。

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)划分标准：当全工区的瓦斯绝对涌出量小于0.5 m3/min时,为低瓦斯工区；大于或等于0.5 m3/min时,为高瓦斯工区。本区赋存的4、8号煤层均属高瓦斯工区,5、9号煤层局部处于低瓦斯工区,大部为高瓦斯工区。

4.2 勘探取样

通过现场调查,在综合分析地层和煤层埋藏的基础上,在DK21+750附近施工了WS-1号地表垂直钻孔,孔深268.65 m,穿越了7号煤层,厚度0.60 m,在钻进7号煤层下的泥岩和砂岩中,多层岩石破碎,该钻孔在石炭系上统太原组地层中共揭露3层标志层：K2灰岩、7号煤层、K1砂岩。终孔地层为奥陶系中统峰峰组石灰岩地层。并及时采取了煤芯样和瓦斯样(现场解吸),送交山西省煤炭工业局综合测试中心进行化验测试工作。

4.3 煤层瓦斯测试及分析

二叠系下统山西组(P1s)及石炭系上统太原组(C3t)是该隧道穿越的主要的含煤地层,据勘探结果及区域地质资料,工作区主要穿越2、3、4、5、8、9(8+9)号煤层、10号煤层为主要可采煤层。

(1)瓦斯含量

瓦斯及二氧化碳含量,见表1。

表1 7号煤层瓦斯含量试验报告 cm3/g·daf

通过表1可换算出7号煤层瓦斯含量为0,二氧化碳含量为0.31 m3/t。通过自然瓦斯成分分析：CO2=5.52%,N2=94.48%,H2=0, C2～C8=0,说明7号煤层处在二氧化碳-氮气带,与《山西省河东煤田离柳矿区三交勘探区详查地质报告》和《河东煤田离石矿区详查勘探报告》勘察成果一致。

(2)煤层吸附常数(a、b)

本次7号煤层吸附常数测试与上述测试工作同时进行,成果见表2。

表2 7号高压容量吸附试验报告

(3)工作区各主要可采煤层瓦斯赋存压力(P)

根据《山西省河东煤田离柳矿区三交勘探区详查地质报告》和《河东煤田离石矿区详查勘探报告》,工作区瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之间。因7号煤层与本区其他煤层煤质特性相近,故参考7号煤层测试的吸附常数(a、b),概略计算本区其他主要可采煤层瓦斯赋存压力(P),供参考。

计算公式为朗格缪尔计算公式

式中V——瓦斯含量[cm3(mL)/g或m3/t]；

a、b——吸附常数；

P——煤层瓦斯赋存压力(MPa)。

则

经上述概略计算,工作区内各主要可采煤层瓦斯赋存压力在0.002 6～0.299 4 MPa。

(4)煤尘

据《山西省河东煤田离柳矿区三交勘探区详查地质报告》和《河东煤田离石矿区详查勘探报告》,该区实验室煤尘爆炸性鉴定结果显示：2、3、4、5、8、9、10号煤层煤尘均有爆炸性,爆炸指数为30.4%～40.2%。该区实验室煤的自燃试验结果显示：2、3、4、5、8、9、10号煤层均属Ⅱ级自燃煤层。

据吕煤安字[2007]661号《关于对临县银富煤业有限公司等18对矿井2007年度瓦斯等级及二氧化碳涌出量鉴定的批复》,煤尘亦均有爆炸性,煤与瓦斯突出次数为0,瓦斯喷出次数为0,煤层自燃倾向性为Ⅱ～Ⅲ级,煤层最短发火期为6～8月。

根据“临煤发[2008]117号”《关于我县十八对矿井2008年度矿井瓦斯等级鉴定结果的报告》,煤尘亦均有爆炸性,煤与瓦斯突出次数为0,瓦斯喷出次数为0,煤层自燃倾向性为Ⅱ～Ⅲ级,煤层最短发火期为6～8月。

4.4 评价

该隧道区内各主要可采煤层均处在二氧化碳-氮气带,瓦斯含量在0.03～3.15 mL/g之间,CH4百分含量<20%,瓦斯赋存压力在0.002 6～0.299 4 MPa之间,本区赋存的4、8号煤层均属高瓦斯工区,5、9号煤层局部处于低瓦斯工区,大部为高瓦斯工区,无煤与瓦斯突出现象,无瓦斯喷出现象。

隧道区内各主要可采煤层煤尘均有爆炸性,煤层最短发火期为6～8个月,自燃倾向性均属Ⅱ～Ⅲ级。

隧道穿越的煤系地层位置在DK21+540～DK22+450和DK24+30～DK24+530段,总长度为1410 m,穿越煤层有2、3、4、5、8、9、10号煤层。

5 瓦斯隧道施工工程措施建议

隧道进入煤系地层时,必须提前进行瓦斯超前探测、试验工作,边探边掘,循环施工,以防瓦斯大量涌出。

坚持“预测预报,有疑必探,先探后掘,先治后掘”的方针。

隧道施工中加强洒水防尘工作,尤其在煤系地层施工段,以免发生煤尘、岩尘爆炸事故,同时防止煤层自燃现象发生。

施工中必须加强通风管理工作,杜绝掘进面上隅角局部瓦斯积聚,从而引发瓦斯事故。

加强机电设备管理工作,杜绝机电设备的失爆现象发生。

加强隧道施工的支护管理工作,杜绝空顶作业。

加强隧道施工中的防灭火工作,杜绝隧道内明火。

[1] 铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999

[2] TB 10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[3] TB 10120—2002 铁路瓦斯隧道技术规范[S]