三联隧道瓦斯段揭煤施工技术探讨

罗　中

(湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉　430202)



三联隧道瓦斯段揭煤施工技术探讨

罗中

(湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉430202)

针对改建铁路贵阳至昆明线六盘水至沾益段隧道工程途经煤层瓦斯的地质问题，采用超前钻孔探测技术，预测了煤与瓦斯突出危险性，并介绍了掌子面揭煤施工技术，为隧道安全揭煤和防止煤层采空区坍塌提供技术参考。

隧道，煤层，瓦斯，揭煤施工

0　引言

随着我国大规模的基础设施建设，越来越多的大型公路、铁路隧道和引水隧道等隧道工程项目投入建设，其中一部分隧道途经富煤地区，而含煤地层的地质条件相对于普通的岩土条件而言，往往由于瓦斯、煤岩松散、膨胀土等问题的存在，导致富煤地质条件下隧道施工的难度加大，质量安全难以保障。本项目为改建铁路贵阳至昆明线六盘水至沾益段(D1K305+980 m～D1K307+060 m)途经顺层滑坡、危岩落石、岩溶、软土、膨胀土、边坡坍塌、煤层瓦斯等地质问题，条件十分复杂，揭煤是本隧道施工中的重大危险工序之一。

1　工程概况

三联隧道穿越煤层地段的煤岩类型以半暗型腐殖煤为主，煤体部分灰分较高，硫分低。煤层及煤系地层生烷能力较强，含煤地层瓦斯蕴含量较大。据监测结果显示：含煤段隧道煤层瓦斯压力在2.533 MPa～3.229 MPa之间，含量在7.54 m3/t～12.87 m3/t之间,瓦斯涌出量在4.483 m3/min～8.207 m3/min之间。瓦斯对该地段隧道施工影响巨大。

三联隧道含煤地层为二叠系上统宣威群，长约1 080 m，呈单斜构造，岩层走向偏转，倾角变化大。上部含煤地层主要集中在D1K306+770 m～D1K306+970 m地段，已施工地段及煤层分布情况见图1。

图1　煤层分布示意图

2　工程特点

1)通过对三联隧道穿越煤层取样进行的自燃倾向性及煤尘爆炸性试验，试验结果显示该地煤的自燃倾向性为自燃，煤的自燃倾向性等级为Ⅱ级，按计算指标值区内所有煤层均有煤尘爆炸危险性。

2)宣威群其余地段(D1K305+980 m～D1K306+770 m)含煤性差，煤层薄，煤厚0.01 m～0.4 m，煤层不稳定，变化大，该地段含煤对隧道施工影响相对较弱。

3　总体施工方案

1)施工前和施工过程中，积极配合以物探、钻探、地质法等综合进行超前地质预报，以便施工前能根据地质状况进行全面充分施工准备，施工过程中能够准确掌握含煤地层具体位置、产状、煤层分布厚度等关键信息，防止误穿煤层。同时对该地区是否存在煤炭开采情况，对采空区及采空区规模、性质等进行准确预报。

2)当预测前方存在煤层时，采用中壁法五部对掌子面进行揭煤施工，每部揭完一层煤层后再进行另一部同一煤层揭煤施工，若煤层瓦斯浓度不超标、无突出危险时采用台阶法施工。

3)1号斜井工区属煤与瓦斯突出危险的高瓦斯工区，施工前组织相关技术和管理人员认真学习《铁路瓦斯隧道技术规范》《防治煤与瓦斯煤突出细则》《煤矿安全工程》等相关规范。该区施工设备配置、施工作业程序、施工通风方案、施工管理等应严格按规范相关要求办理。

4)施工中必须加强瓦斯监测，规范通风工作，严防瓦斯浓度超限。周密制定瓦斯防突措施，且措施必须体现四“突出”：即瓦斯突出危险性监测和预报、处置瓦斯突出的相关措施、防治瓦斯突出措施实施效果检验、相关施工安全防护措施。

5)揭煤施工前对各含煤地层瓦斯突出的危险性作出评估和预测，评估结论显示有瓦斯突出危险时，必须严格采取事先制定的防突措施并在实施过程中严密监测；当无瓦斯突出危险时，也应采取其他相关安全防护措施后方可施工，以确保整个施工过程万无一失。

4　瓦斯控制

4.1总体部署

1号斜井工区要按要求进行不间断通风，建立专职瓦斯等有害气体的瓦检中心，对瓦斯等有害气体进行巡回监测。

防突措施包括：突出危险性预测预报、防治突出措施、防治突出措施效果检验和安全防护措施四个部分。突出危险性预测预报措施：采用综合指标法进行预测；防治突出措施：钻孔抽放瓦斯和远距离放炮揭开各煤层；防治突出措施效果检验：采用钻屑指标法；防护措施：远距离放炮、压风自救系统。本工区隧道瓦斯防突措施以排放瓦斯为主，方法如下：当工作面距煤线层最小垂距小于3.0 m时，进行排放瓦斯钻孔。施钻排放瓦斯范围，拱部为两侧开挖轮廓线向外5.0 m，拱顶向上7.0 m；下部为两侧向外5.0 m，隧底向下3.0 m。瓦斯排放孔孔径为108，钻透煤线层并进入底板岩层不少于0.5 m，各钻孔底间距不大于瓦斯排放半径R两倍。

隧道在D1K305+980 m～D1K307+060 m段采用台阶法施工(煤层段采用中壁法施工)，在该里程范围上台阶设3个超前探钻孔以初期探明煤层的大致里程位置。在距初探煤层位置10 m处设3个取芯探孔，以确切掌握煤层层位、倾角、厚度、顶(底)板岩柱、地质构造等煤层赋存情况。在距初探煤层位置5 m处设3个超前探测孔，要求穿透煤层全厚，并收集全部煤屑，并测定瓦斯涌出初速度，根据收集的煤层钻屑、瓦斯涌出初速度及钻孔过程中是否出现顶钻、夹钻、喷孔等瓦斯动力现象分析预测煤层瓦斯含量，评估煤层瓦斯是否具有突出危险性。

4.2揭煤防突具体施工方法

4.2.1超前钻孔

保证及时支护，严禁超挖，每开挖一段，立即用型钢支护。在钻孔施工中首先根据设计图纸先用喷射混凝土将钻孔部位封闭，然后再开钻。钻孔施工中钻孔的数量和先后顺序也是非常重要的，对于正洞须打3个φ108地质超前钻孔，且在瓦斯段分5部开挖的第1部施工，具体施工部位和顺序分布见图2,如发现有异常时，超前探孔必须加密，另外在2，3，4部施工时，应加强分析工作。

图2　分部开挖示意图

4.2.2确定煤层层位

结合前期地勘数据和前期地质揭露状况，通过掌子面施工超前钻孔来预测前方施工段是否含有煤层，当超前钻孔揭露现实前面含有煤层，此时就要开始施工探测孔了，掌子面第一部分在距离推测煤层部位10 m垂距处，施工φ89探测孔3个。探测孔深度要求穿透煤层全厚且进入顶板或底板煤层不少于50 cm，确保能正确地掌控煤层的具体分布状况。掌子面第2，3，4三个部位在相同位置施工φ89的验证孔1个即可，该孔主要目的是对第一区三个探测结果进行再次验证，进一步精确定位煤层的位置、走向、厚度、倾角、倾向瓦斯蕴含状况等。

4.2.3煤与瓦斯突出危险性预测及瓦斯排放

当正洞1部掌子面施工到距煤层5 m垂距处，施作3个穿透煤层的预测孔，测定煤层瓦斯参数。当预测煤与瓦斯有突出危险时，须采取措施将瓦斯排放或抽放。瓦斯排放钻孔布置及相关要求详见图3。

需要注意的是当实施瓦斯排放或抽放措施后，还应对瓦斯抽排效果再次进行检验，通过检测工作面瓦斯参数，在确保该煤层不再存在瓦斯突出危险后才能进行后续施工作业。如果瓦斯检测结果不满足要求，应坚持持续排放，不得进行揭煤施工作业，必要时如可以增加排放孔数量或延长排放时间，直到瓦斯监测各项指标都在限值以下方可作业。

注：1)本图为正洞第1部瓦斯排放孔布置图，瓦斯排放范围为衬砌开挖外轮廓向外5m范围；2)当预测孔预测到煤层有可能发生突出危险时，需进行排放瓦斯施工；3)本图的各项参数(角度、长度、坐标)需实施前探孔查明，各煤层的位置和厚度、产状后，进行实施性设计；4)第1部排放范围为5m岩柱对应里程至0m岩柱对应里程+10m处之间范围；5)瓦斯排放范围，坑道左右两侧5m(沿煤层走向)、上方5m(垂距)、底板以下5m(沿倾向)；6)排放孔直径89，要求钻透煤层进入底板厚度不小于0.5m，各孔底间距不大于2m(当煤层危险性大时，应适当放小)；7)排放瓦斯时，正洞停止施工，排放时间由排放效果确定，施作检查孔检查煤层突出性，如无突出危险，则可停止排施，否则应继续排放或采取其他措施；8)排放孔施工时，掌子面距煤层垂距不小于5m；9)排放孔效果检验应布置4个检验孔，其中石门中间1个，其他3孔位于石门上部和两侧，终孔位置应位于排放控制范围的边缘上，当检验孔检测前方煤层仍存在突出危险性时，应采取延长排放时间、增加排放钻孔或采取瓦斯抽放等补救措施；当无突出危险后，方可进行揭煤作业

5　钻爆作业

掘进至煤层后，首先应对工作面瓦斯参数进行检测，当瓦斯浓度和排放量符合安全作业条件后进行钻孔作业，炮眼开掘采用湿式钻孔，炮眼深度大于60 cm。炮眼施工完成后进行爆破作业，填装炸药和雷管一定严格遵照爆破作业方案进行，有瓦斯的地段爆破时须执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”。爆破30分钟后瓦检员和专职安全人员进行检查，在确保安全的情况下，由专职爆破工检查爆破情况，检查无误后方可开始出渣作业，并做好瞎炮处理工作。

6　揭煤施工方法及要求

1号斜井工区三联隧道含煤地段采用中壁法V级全封闭衬砌型式进施工，按1→2→3→4→5的步骤分部开挖，见图2。

6.1揭煤方法

揭煤作业前，先做好已开挖部位的防护措施，防止施工过程中造成坍塌。隧道采用震动放炮一次揭煤，每次只能揭一层煤，不得同时多层揭煤。隧道内采用分部揭煤，各部逐一揭煤，爆破用炸药和雷管必须符合煤矿安全标准要求，当一层煤揭完后方可准备下一层揭煤工作。

揭煤作业前，掘进工作面与煤层之间要留足安全岩柱，预留岩柱视围岩稳定程度确定，但一般石门工作面距煤层的垂距不得小于2 m，若围岩松散破碎，还应适当增加。当石门揭穿后，隧道在半煤半岩中掘进，各分部掘进工作面需始终保持前方安全区不小于5 m。正洞各分部断面应尽量一次揭开煤层，不能一次揭开煤层全厚时，施工剩余部分时，也必须采取有效的防突措施。

6.2石门震动放炮

石门均采用震动放炮一次揭煤，多钻眼(每平方米不少于4个)，多装药(正常掘进单位耗量2～3倍)，一次性揭开石门厚度，炮眼布置见图4。起爆前全员撤出，远距离电力起爆放炮，利用爆破时强大的震动力，猛然一次揭开具有突出危险性的瓦斯气层。

放炮前，将掘进面排放瓦斯的孔用炮泥堵塞，岩眼与煤眼交错相间排列，岩眼深度应使孔底距煤层，10 cm～20 cm，不得透煤(若钻到煤层再回填10 cm～20 cm)。

6.3煤巷掘进

煤层中掘进时亦采用爆破法作业，电煤钻成孔松动爆破。在软弱破碎岩层中或煤层中掘进时，采用预注浆加固或搭设超前管棚支护，防止洞壁坍塌引起瓦斯突出。爆破出渣后立即喷锚支护，及时封闭开挖面封堵瓦斯。掘进时临时仰拱紧跟工作面支设并铺瓦斯隔离板，保证拱、墙、仰拱衬砌形成闭合整体。含煤地层设防段的二次衬砌，二衬混凝土需预留注浆孔，二衬浇筑完成后及时压浆，通过浆液充填空隙来封闭瓦斯。

图4　石门震动爆破炮眼布置示意图

7　监控量测

成立隧道现场监控量测组，现场量测所得数据及时分析整理后报指挥部工程部，以便及时修改设计，调整支护参数，优化施工方案和合理安排施工进度。

8　结语

改建铁路贵阳至昆明线六盘水至沾益段三联隧道穿越煤层均有煤层爆炸危险性且含煤性差，含煤层薄，煤层不稳定，变化大，地质情况十分复杂，将严重影响隧道施工的安全。施工单位对煤层进行探测,并据此制定科学严格的揭煤技术方案：采用超前钻孔探测技术对煤与瓦斯突出危险性预测，并对掌子面进行揭煤施工，最终保障隧道施工安全顺利进行。通过监控量测统计，综合判断出施工过程中围岩和支护结构稳定性良好，为类似工况下大型隧道工程的施工提供一些有价值的参考。

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Discussion on the construction technology of coal uncovering in triple tunnel

Luo Zhong

(HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan430202，China)

Rebuilding railway from Guiyang to Kunming line to the Liupanshui Zhanyi section of tunnel engineering passing through coal seam gas geological problems, The coal and gas outburst prediction using advanced drilling detection technology in construction, and the working face of coal uncovering, and to provide technical reference for tunnel safety uncovering coal and preventing coal seam goaf collapse.

tunnel， coal seam， gas， uncovering coal construction

1009-6825(2016)21-0184-03

2016-05-19

罗中(1979- )，男，硕士，讲师

U445

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