超前钻探预测预报技术在高瓦斯隧道中的应用

李方元

（四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司 成都 610041）

超前钻探预测预报技术在高瓦斯隧道中的应用

李方元

（四川公路桥梁建设集团有限公司勘察设计分公司 成都 610041）

近年来高速公路施工过程中瓦斯爆炸事故时有发生，本文以宜宾至叙永高速公路项目都良高瓦斯隧道成功穿越煤系地层为例，分析整理了该隧道施工过程中超前地质预报的工作方法和内容，着重对超前钻孔进行了阐述，指出采用多种技术方法进行综合超前地质预报的重要性。

超前钻探预测预报技术；高瓦斯隧道；应用

近年来我国西部地区的瓦斯隧道数量越来越多，由于煤层与瓦斯的复杂性，勘察期间不可能完全查明，存在一定的误差，隧道开挖过程中经常会由于掘进前方瓦斯赋存情况不清楚，而造成瓦斯时常超限或者异常涌出的现象，对正常生产造成影响，严重时还会由于瓦斯突出而出现设备损坏、人员伤亡等重特大事故。因此施工期间通过预测、预报进一步评定瓦斯等级、调整施工组织是确保施工安全的关键。

1 工程概况

宜宾至叙永高速公路项目（以下简称宜叙高速）是省“十二五”期间规划建设的高速公路，是宜宾经泸州叙永、古蔺至贵州习水，是进出川高速公路通道的组成部分，是四川省重要的出川通道。宜叙高速主线起点为宜宾市翠屏区牟平镇绥庆村，途径宜宾市翠屏区、长宁县、兴文县，止于泸州市叙永县双桥乡，接纳黔高速公路。

都良隧道进口位于兴文县古宋镇都良村一组，距离兴文县城约 3km，隧道全长1228m，进口桩号K76+090，设计高程362.74m，出口桩号K77+318，设计高程388.96m，为“一”字形纵坡，设计纵坡2.5%，最大埋深261m左右，属于长隧道，是宜叙高速地质条件最复杂的高风险高瓦斯隧道。隧道采用双车道，设计行车速度80km/h，净高5.0m，主洞建筑限界净宽10.0m。

都良隧道位于珙长背斜南东端的北东翼，穿越二叠系长兴组、龙潭组和三迭系下统飞仙关组。其中龙潭组为含煤地层，二叠系上统龙潭组含11层煤及煤线，其中主要有C11和C12两层可采煤层，其煤层厚度分别为1.6m～2.2m及0.6m～0.8m，其余煤线一般10cm～20cm。相关单位对都良隧道进行了瓦斯气体专项研究，根据隧道岩性特征和含煤情况，综合判定隧道K76+090～K76+413进口段为非瓦斯工区；隧道K76+413～K76+645段为高瓦斯工区；隧道K76+645～K77+318出口段为低瓦斯工区。

2 瓦斯超前预报的依据和必要性

在煤系地层中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃烧以及粉尘爆炸等地质灾害是隧道建设主要应防止发生的地质灾害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根据相关单位进行的瓦斯气体专项研究，都良隧道在里程 K76+413～K76+645 段穿越龙潭组含煤地层，含煤段长232m；段内煤层层数较多，主要有C11和C12两层煤具有瓦斯突出风险，隧道洞身煤层瓦斯压力0.60MPa，瓦斯含量约32.38m3/t，煤层瓦斯涌出量估算为2.32m3/min，隧道综合判定为高瓦斯隧道。

同时经多次地表调查（及对煤矿的调查）及走访当地群众，都良隧道附近采煤规模相对较大的主要煤矿有德海煤矿（老煤矿），兴文县大田湾煤矿、兴文县建设煤矿，此三个煤矿均为煤与瓦斯突出矿井，并曾经发生过煤与瓦斯突出事故，均造成严重后果。

综上所诉，从理论和实例出发，按照规程、规范判定标准，都良隧道为高瓦斯隧道。在隧道通过煤系地层施工过程中，应按《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002 J160-2002）和《煤矿安全规程》等进行瓦斯超前预报预测工作，防止瓦斯积聚或涌出量突然增大而发生事故。

3 瓦斯超前预报预测简述

为探明掌子面前方的地质情况、煤层位置及产状、瓦斯赋存等，防止瓦斯积聚或涌出量突然增大而发生事故，需以地质调查法为基础（洞内地质素描），以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行瓦斯超前预报。

在具有煤(岩)与瓦斯突出危险地层中开挖施工时，应及时进行隧道地质素描，加强地质预测预报工作。穿越低瓦斯地层地段可采用超前钻孔进行探测，穿越高瓦斯、突出地层地段必须采用超前钻孔进行探测。

过煤系地层隧道超前地质预报应在地质分析和物探预测的基础上，结合临近煤层的超前钻探手段，准确查明前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育情况，煤层分布、厚度、倾角及走向探测，煤的破坏类型等，当采用物探方法预报煤层及采空区时，可同时采用地质雷达、TSP等物探方法，长短结合，综合评判。

开挖工作面距离煤层较远时，可采用物探初步判断前方150m范围内可能存在的较大煤层异常情况及岩体的完整状况；临近煤层30m以内时，煤层瓦斯预测预报应以超前钻孔为主。

进行突出危险性预测时，超前钻孔设计应在距煤层10～20m（垂距）处的开挖工作面布置1个超前钻孔、初探煤层位置；在距初探煤层10m（垂距）处的开挖工作面上布置 3～5个超前钻孔，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，并采取煤样和气样进行物理、化学分析和煤层瓦斯参数测定，在施工现场进行瓦斯含量、涌出量、压力等测试工作；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，分析煤层顶、底板岩性。

每个钻孔深度不宜小于50m，钻孔终孔点超出隧道开挖轮廓线5m以上，前后两循环钻孔搭接长度为5m以上。在钻孔过程中出现顶钻、夹钻、喷孔等动力现象时，应视该开挖工作面为突出危险工作面。

4 超前钻探技术在都良隧道工程中的应用

超前钻探是在开挖阶段进行钻探以查明掘进方向的地质条件, 不但能直接探明掌子面前方断层破碎带、软岩、岩溶陷落柱等不良地质体的性质、位置和规模, 还能准确预测煤层参数、瓦斯参数和岩溶 (裂隙) 水参数, 并且对于煤岩体瓦斯和岩溶 (裂隙 )水具有预排放作用, 保障开挖过程生产安全。针对本隧道为高瓦斯隧道，高瓦斯工区和低瓦斯工区均采用超前钻孔对瓦斯进行测试和预报，超前钻孔同时兼作超前地质探孔。

钻孔布置分为两个段落，其中高瓦斯工区左右洞分别进行了9个循环超前钻孔探测，超前钻孔在上台阶呈三角形布设 3个，钻孔直径 65mm，每个钻孔深度50m，其中拱顶钻孔为水平钻孔，上台阶拱脚处两钻孔为倾斜钻孔，倾斜钻孔终孔点超出隧道开挖轮廓线 5m，前后两循环钻孔搭接长度为 5m。打钻过程中多数钻孔均有承压瓦斯，共有8个钻孔发生夹钻、顶钻和喷孔现象，相应增加防突措施孔24个，每个钻孔直径65mm，深度30m。

出口段低瓦斯工区考虑到受下覆煤系地层影响，瓦斯可能沿岩层节理裂隙逸散至隧道，左右洞分别进行了15个循环超前钻孔探测，在上台阶中下部布置1个钻孔，钻孔直径65mm，长度50m，搭接5m，主要做为超前地质探孔，同时对前方围岩的瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出量进行测定。

都良隧道左右洞共施工钻孔108个，钻孔总长度4920m，其中瓦斯超前预测钻孔84个，钻孔总长度4200m；防突措施孔24个，钻孔总长度720m。每一个超前钻孔施工完成后对前方围岩的瓦斯压力、钻孔瓦斯涌出量、钻孔瓦斯涌出衰减系数进行测定，并计算在隧道开挖过程中瓦斯涌出量，根据瓦斯涌出量核定施工工区的瓦斯等级，同时预测施工前方可能出现异常瓦斯涌出情况或判断是否存在煤与瓦斯突出的可能性。测试结果：瓦斯压力0～0.58MPa；瓦斯流量0～0.12 m3/min；流量衰减系数0～0.05；钻孔瓦斯浓度除穿煤钻孔能达到10%以上，其余大部分钻孔孔内瓦斯浓度均在6%以下。钻孔施工完成后，24h后多数承压钻孔瓦斯压力下降至0.1 MPa。

通过超前钻探预测预报技术，不但能准确预报掌子面前方煤岩体的地质情况、有效测定煤层瓦斯压力和瓦斯含量等参数，还能排泄煤层中的承压瓦斯，降低煤层瓦斯压力，极大地提高了瓦斯隧道的施工效率，为隧道安全施工创造了良好条件。

5 结语

综上所述，瓦斯隧道工程设计应结合煤层瓦斯段围岩地质条件，提出施工中的瓦斯超前预报预测的相关内容与要求。瓦斯隧道超前预报应采用综合预报方法，以地质分析为基础，辅以物探手段，最终采用超前钻探和瓦斯检测加以验证。随着近年来施工工艺及相关技术的革新，钻探机具各方面性能均得到了提升，当前实际探测及预测工作中也开始大范围应用超前钻探预测技术，在实践及工程总结过程中，超前钻探预测预报技术在未来的隧道施工中必定会发挥出更大的作用。

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1007-6344（2016）03-0066-01

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