隧道瓦斯涌出量预测方法在非煤地层中的应用研究

高勤运

隧道瓦斯涌出量预测方法在非煤地层中的应用研究

高勤运

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

非煤地层瓦斯涌出量的评估目前还没有系统的理论和方法。通过应用《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)和《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)中煤层瓦斯涌出量计算公式,结合现场瓦斯测试及浓度监测,认为若相关参数取值合理,公式应用于非煤地层是可行的,且规范计算结果更符合客观实际;同时,现场瓦斯浓度检测也是必要的。

隧道;非煤地层;瓦斯涌出量;评估

瓦斯是从煤(岩)层内逸出的各种有害气体的总称,其主要成分为甲烷[1],对隧道施工安全影响极大。近几年,随着铁路建设的快速推进,瓦斯隧道越来越多,既有穿越煤系地层的,也有在非瓦斯区、非煤系地层中施工遇到瓦斯的。当隧道穿越或邻近煤系地层和其他含瓦斯地层时,对瓦斯的预测与评估已有一套成熟的技术;但对于非煤系地层的瓦斯,由于其赋存无规律,勘察期间也无法查清,因此目前尚无统一的认识,也没有系统的研究;至于其预测、评估方法,更是无章可循,只能依靠通风时的瓦斯浓度大致估算瓦斯涌出量。

如何较为客观、有据地评估非煤地层的瓦斯涌出量,以目前铁路相关规范的研究水平,认为采用《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)和《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)中煤层瓦斯涌出量的计算方法是可行的,虽然公式中计算参数存在一定局限性,计算结果与实际可能也有些出入。下面以某线化马隧道为例,谈谈计算方法的应用。

1 算例概况

化马隧道通过一断层破碎带(断带物质为压碎炭质板岩),在掘进约11 m后,施工过程中电焊切割超前小导管时,导管口发生气体燃烧现象。经测试,掌子面右侧边墙小导管口瓦斯浓度达4.63%,遂停止施工。几天后,在通风状态下检测掌子面瓦斯浓度,拱顶0.24%、右侧拱架背后0.56%、小导管口为0.42%。其后,经连续监测,掌子面瓦斯浓度有所降低,但一直保持在0.1%～0.2%,见图1[2]。

图1 掌子面瓦斯浓度监测曲线

经钻孔取样分析与化验,炭质板岩层中瓦斯含量为0.15～0.26 m3/t,瓦斯气成分主要为N2、CH4和CO2,钻孔绝对瓦斯压力0.25～0.33 MPa,瓦斯流量衰减系数0.02～0.41d-1;炭质板岩的坚固性系数为0.97～2.01,水分产率为1.28%～1.38%,灰分85.76%～89.86%,挥发分产率8.08%～11.84%,视密度2.57～2.73 g/cm3,孔隙率为6.16%～8.69%[3]。对比煤炭分类标准[4],应不属于煤。

2 绝对瓦斯涌出量的计算

2.1 应用《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)预测法[1]

采用规范附录L中“独头坑道瓦斯涌出量的计算”。

该隧道为双线,并满足双层集装箱运输,开挖断面较大,日掘进约1 m。按每日开挖进尺1 m计,巷道断面周长约42.3 m,巷道断面面积135.28 m2,即每日开挖各循环爆落炭质板岩总体积为135.28 m3,喷射混凝土支护厚度取0.27 m;炭质板岩的密度取2.73 t/m3,挥发分取实测平均值92.19%,每吨炭质板岩瓦斯逸出量取0.16 m3/t,残存瓦斯含量取0.01 m3/t。预测结果见表1。

表1 掌子面瓦斯涌出量预测结果__m3/min

由表1可以看出,隧道掌子面瓦斯涌出量为2.81 m3/min,根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002),该工区为高瓦斯工区。

2.2 应用《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)预测法[5]

采用规范附录F中“单煤层隧道揭煤时绝对瓦斯涌出量的计算”。

由于该公式是针对煤层的,因此在应用中根据实际开挖情况做了修正。煤壁的暴露个数取4,煤层厚度按竖向厚度25 m(开挖高度15 m加顶、底部影响带各5 m)或纵向厚度40 m(施工步距35 m加掌子面前方影响带5 m)考虑,掘进长度按现场每天实际开挖1 m、三台阶长度11 m和正常施工步距35 m 3种情况考虑;隧道宽度取13 m,煤层与隧道断面夹角为0°。预测结果见表2。

表2 掌子面瓦斯涌出量预测结果

由表2可以看出,隧道掌子面瓦斯涌出量为0.18～0.941 m3/min,依据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)及第3.3.1条条文说明,仍判定为高瓦斯工区。

2.3 现场瓦斯监测及涌出分析

根据瓦斯监测资料显示:8月6日至8月31日掌子面瓦斯涌出点(小导管口)甲烷浓度为2%～2.68%,甲烷浓度变化不大。8月6日至8月13日距掌子面2～5 m处甲烷浓度为0.02%～0.03%,甲烷浓度变化不大,开挖台车下部甲烷浓度为0.01%;8月13日至8月31日距掌子面2～5 m处甲烷浓度为0.1%～0.27%,甲烷浓度变化较大,开挖台车下部甲烷浓度为0～0.01%,甲烷浓度明显下降。风机风量为2 500～3 000 m3/min,估算瓦斯涌出量为0.5～0.9 m3/min[6]。

3 算例对比分析

从上述计算可以看出,虽然预测结论一致,均属高瓦斯工区,但数据差距较大,与现场监测估算的瓦斯涌出量相比,《铁路工程不良地质勘察规程》中公式计算结果与其基本一致,而《铁路瓦斯隧道技术规范》计算结果偏大。分析、对比两计算方法,有以下一些认识与体会。

(1)两种计算方法相比,《铁路瓦斯隧道技术规范》中公式较为客观、实际

规范、规程中关于瓦斯涌出量的计算公式,应该来源于煤炭部门矿井瓦斯涌出量预测中“掘进工作面瓦斯涌出量”的计算方法,即掘进工作面绝对瓦斯涌出量等于掘进工作面巷道煤壁瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量的和[7]。在此基础上,结合铁路隧道断面的特征,进行了修订。

对于“开挖工作面采落煤块的瓦斯涌出量”,两种计算方法的计算公式虽然不同,但表达的意义是一致的,计算结果差异只是参数取值不同所致。

对于“新暴露煤壁的瓦斯涌出量”,两方法的计算公式和表达的意义还是有差别的。《铁路工程不良地质勘察规程》中公式反映,一旦掘进保持正常,新暴露煤壁的瓦斯涌出量只与巷道掘进长度有关;而《铁路瓦斯隧道技术规范》中引入了“时间衰减函数”概念,其与瓦斯流量衰减系数和煤壁暴露时间有关。瓦斯流量衰减系数反映钻孔瓦斯涌出量随时间衰减变化情况,可以实测。所以该计算结果比较客观,也较真实反映了现场实际情况。

此外,《铁路瓦斯隧道技术规范》中独头坑道的瓦斯涌出量中还包括了“喷射混凝土地段洞壁瓦斯涌出量”的计算,但《铁路工程不良地质勘察规程》中没有考虑,与煤炭部门保持了一致。实际工作中还是应该考虑这部分瓦斯,虽然占的比例很小。

(2)对于非煤地层,这两种计算方法均存在一些缺陷

一是适用性问题。煤层瓦斯涌出量预测的计算方法,煤炭行业标准中也仅列为资料性附录,用于炭质板岩,可能会有一定的局限性。如计算“单位时间单位坑壁面积瓦斯逸出初始强度”时,一个重要参数是煤的干燥无灰基挥发分(Vdaf),它用于表征煤化程度,是煤在特定温度下热解的产物[8]。用煤的测试方法测定炭质板岩,可能会产生一些偏差,如何修正,也没有依据,只能采用实验值。

二是全断面非煤地层隧道,公式中煤层厚度M、煤壁中巷道掘进长度L的取值问题,仍需要探讨。非煤地层厚度远远大于煤层,且隧道开挖方式与煤层开采大不相同,取其实际厚度明显不合理;煤炭部门在多煤层开采条件下,计算邻近层对开采层的瓦斯涌出量时,考虑了开采层顶、底板破坏影响范围(开采层采动后,顶、底板岩石受影响的范围,在此范围内的邻近层能够排出瓦斯,范围外的不能排出瓦斯[9],一般与开采厚度、采深、煤层倾角、工作面长度、开采方法等有关[10]),据此将隧道开挖近似为多煤层开采,把开采层顶、底板的破坏影响范围纳入煤层厚度中,理论上应该可行,但开采层顶、底板的破坏影响范围计算公式多基于煤层,各种计算方法结果相差较大,不好把握。因此,根据铁路隧道的开挖特点,结合围岩松动圈的特征,认为按实际开挖高度或施工步距加开挖影响带来考虑煤层的厚度,还是比较合理的,也容易操作。同样,煤壁中巷道掘进长度L取实际施工步距也较为合理。

(3)现场瓦斯浓度监测很重要,可作为评估的依据

现场监测瓦斯浓度估算瓦斯涌出量,来源于矿井瓦斯抽放设计,是煤炭部门多年经验的总结,若监测断面和监测点分布合理,估算的数据还是可靠的。

4 结论

非煤系地层瓦斯涌出量的预测,比照煤在瓦斯参数测试方法的基础上,结合隧道实际施工情况,应用《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120—2002)和《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)计算,均可行,规范计算结果更符合客观实际;同时,作为瓦斯隧道的重要判定依据,现场瓦斯浓度检测也是关键的环节。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10120—2002铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京:中国铁道出版社,2002.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.化马隧道瓦斯补充工程地质说明[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2012.

[3] 中煤科工集团西安研究院.化马隧道瓦斯参数测试及评估报告[R].西安:中煤科工集团西安研究院,2012.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T5751—2009中国煤炭分类[S].北京:中国标准出版社,2009.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB10027—2012铁路工程不良地质勘察规程[S].北京:中国铁道出版社,2012.

[6] 煤矿矿井采矿设计手册编写组.煤矿矿井采矿设计手册(下册) [M].北京:煤炭工业出版社,1984:876-877.

[7] 国家安全生产监督管理总局.AQ1018—2006矿井瓦斯涌出量预测方法[S].北京:煤炭工业出版社,2007.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T212—2008煤的工业分析方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[9] 焦作矿业学院瓦斯地质教研室.瓦斯地质概论[M].北京:煤炭工业出版社,1990:222-223.

[10]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2000.

[11]王祥.赣龙铁路扩能改造主要工程不良地质问题及其工程措施[J].铁道标准设计,2012(11):31-34.

[12]项志敏,等.武广客运专线大断面隧道软岩地段快速施工技术[J].铁道标准设计,2007(S1):61-63.

Application Research of Prediction Method of Tunnel Gas Emission Quantity in Non-coal Stratum

GAO Qin-yun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

At present,no systematic theory and method can be used for evaluating the gas emission quantity in non-coal stratum.Therefore,in this study,the gas emission quantity calculation formulas in coal seam were employed,which are stipulated in Technical Code for Railway Tunnel with Gas (TB10120—2002)and Code for Unfavorable Geological Condition Investigation of Railway Engineering (TB10027—2012),combined with field test and gas concentration monitoring.The research conclusion can be drawn as follows:for non-coal stratum,the use of above-mentioned formulas will be feasible if the relevant parameters are reasonably selected;the calculation result obtained from Technical Code for Railway Tunnel with Gas are even more in accordance with the objective reality;at the same time,it is necessary to test the gas concentration in field.

tunnel;non-coal stratum;gas emission quantity;evaluation

U456.3+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.020

1004-2954(2014)04-0087-03

2013-07-24;

2013-08-09

高勤运(1971—),男,教授级高级工程师,1994年毕业于桂林工学院工程地质专业,工学学士,E-mail:gqy5502@163.com。