高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测

高树全

(中铁二院 成都工程检测有限责任公司，成都 610031)

高瓦斯隧道穿越煤系地层段TSP法超前探测

高树全

(中铁二院 成都工程检测有限责任公司，成都 610031)

地震波反射法(TSP法)因兼具探测距离远和分辨率高的特点，在隧道超前地质预报中得到广泛应用。但是一直以来TSP法在高瓦斯隧道煤系地层段的应用相对较少，处于被弱化的位置。这里首先分析了影响TSP法在煤系地层段实施的因素，然后提出相应的对策提高TSP法在煤系地层实施的高效性，最后结合同一高瓦斯工区的两个典型案例，对比分析地震波波速、泊松比和弹性模量等物理力学参数的变化规律，探讨地震波相关参数异常和煤层分布范围的对应关系。结果表明,地震波低速异常区和高泊松比特征可判释厚煤层的大致分布范围，TSP法对煤层的有效探测，能为超前钻孔验证提供重点靶区，对隧道施工掘进创造有利条件。

高瓦斯； 煤系地层； TSP法； 超前地质预报

0 前言

瓦斯爆炸是隧道施工过程中最严重的灾害之一，危害极大。煤系地层隧道超前地质预报的主要对象是对煤层和瓦斯的预报。一般而言，煤层越厚，煤的煤化程度越高，产生的瓦斯也越多。对于直接穿越煤系地层的隧道，煤层的超前探测尤为重要。煤层瓦斯预报应以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合预报[1]。但是，现行的铁路瓦斯隧道技术规范中，煤层探测只提到超前钻孔[2]，在隧道施工过程中，受各方面因素影响，参建单位大多采用较直接、直观的超前钻探法对煤层瓦斯进行探测[3-5]，对物探法煤层超前探测重视程度不够。

煤系地层有别于煤层，如果隧道穿越煤系地层段落较长，由于地质不确定因素，煤系地层段落存在勘探期间未发现的煤层，超前钻孔一孔探测不足以了解掌子面前方的煤层瓦斯情况，多孔循环探测又会造成投资增加、施工工期紧张。鉴于此，煤层探测可首选较成熟的长距离地震波反射法(如TSP法)，确定煤层在隧道的大致位置和厚度，为超前钻孔验证提供重点探测区域，从而有针对性的优化超前钻孔对煤层进一步详探，防止误揭煤层造成煤与瓦斯突出。在理论研究和实际应用中，武威等[6]对煤巷地震超前探测进行数值模拟，认为地震波法适用于层状煤层探测，精度高；赖伟清等[7]采用TGP法(地震波法的一种)对公路隧道煤层瓦斯进行探测；刘杨等[8]在高瓦斯隧道首选长距离的TSP法对瓦斯裂隙带进行探测；汪志军等[9]对煤体瓦斯与地震波属性进行相关性研究，认为松散破碎煤体较正常煤体瓦斯含量高，地震纵横波速度慢，泊松比增大；何继善等[10]研究了瓦斯突出地球物理场的弹性波速响应特征，认为瓦斯突出煤体的泊松比大于非突出煤体。笔者对比分析了TSP法，在煤系地层段超前探测的两个应用案例。

1 影响TSP在煤系地层实施的因素

影响TSP法在煤系地层实施的因素主要包括3个方面：

1.1 安全方面

高瓦斯隧道施工揭煤，采用远距离起爆或洞外起爆，TSP法数据采集需要炸药激发产生地震波，且仪器操作主要在掌子面后方几十米范围进行，隧道参建各方对高瓦斯段落使用雷管、炸药有所顾忌。现行的铁路隧道超前地质预报技术规程已有说明，超前地质预报工作采用非防爆型时，在仪器设备及操作空间20 m范围内瓦斯浓度必须小于1%。施工实际过程中，一般要求爆破地点20 m范围内，洞内回风流中瓦斯浓度必须小于0.75%，甚至小于0.5%，瓦斯浓度满足现行技术规程要求。另外，施工揭煤采用洞外起爆，主要是考虑到隧道掌子面爆破之后，可能造成大量的瓦斯涌出，造成安全隐患。但是，TSP法是以小药量的炸药产生地震波，对围岩的破坏影响较小，不会造成瓦斯的大量涌出。

1.2 TSP法结论指导煤系地层施工的针对性不够

TSP法数据处理及资料解译需要有经验的物探专业工程师,目前从事超前预报工作的单位较多，预报人员水平参差不齐。如果对物探异常解译不够造成漏报就不能有效规避施工掘进风险；如果对物探异常过度解译，造成“草木皆兵”现象，又会让施工方无从有效选择。

1.3 TSP法不如超前钻探法直观

相对于超前钻探法，TSP法属于间接预报方法，报告结论中的物探异常需要进一步钻探验证。超前钻探法则更直接、直观，探测结果不仅可计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，钻孔还可用于测定瓦斯相关参数。

2 提高TSP法在煤系地层有效实施的对策

根据TSP法的探测原理，从设计角度考虑，煤矿以采煤为目的，煤矿巷道系统一般沿煤层布置，隧道则尽量以最短距离穿过煤层，隧道设计有利于TSP法传感器接收反射波信号。在具体实施过程中，可从以下三方面提高TSP法在煤系地层段落实施的有效性。

1)持续稳定的通风，使瓦斯浓度稳定且小于0.75%(或0.5%)。TSP法实施过程中，瓦检员全程跟踪检测瓦斯浓度，当瓦斯浓度超标或出现异常时，可紧急处理，便于随时撤离危险区域。瓦斯段的TSP法数据信号激发，必须采用煤矿许用炸药，有瓦斯突出地段，必须使用安全等级不低于三级的煤矿许用含水炸药，雷管必须使用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管。使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130 ms。

2)充分利用勘察设计资料，收集整理掌子面地质素描资料，及时跟踪隧道开挖信息，使TSP法实施有的放矢。由于掌子面附近容易聚集瓦斯，建议靠掌子面的第一个炮孔距离掌子面20 m。务必保证每个炮孔倾斜向下(建议角度约20°)，利于进行水封炮孔，使炸药包和围岩有好的耦合效果，同时达到消焰和降尘的目的。在软弱、破碎岩层等成孔条件较差的段落，炮孔即时实施填装炸药包或对炮孔作特殊处理(如PVC管支撑等)，避免塌孔，保证炸药包能填装到炮孔的底端。超前预报单位，必须配备专业的物探工程师和地质工程师，充分解译物探异常，提高TSP法结论对超前钻探的指导意义。

3)虽然超前钻探结论更直观，但也存在一孔之见、成本高(特别是取芯钻孔)和占用施工时间的问题；另外，有经验的超前钻探司钻人员较少，缺乏对钻探资料的判读，一般需要有经验的专业队伍实施。TSP法兼具探测效率和经济的优势，和超前钻探法形成互补的有利条件。

3 TSP探测案例分析

施工图设计时，根据地勘钻孔、附近煤矿等资料在施工图上标示了可能遇到煤层的位置，但施工过程中，揭示煤层的实际里程可能与设计存在偏差。另外，由于地质的不确定性，煤系地层段落存在勘探期间未发现的煤层。一般来说，煤层结构松散，煤岩原生、次生裂隙发育。根据煤与瓦斯突出机理可知，在相同的地质条件下，破碎松散煤体瓦斯含量较正常煤体要高。当煤体富含瓦斯时，煤体松散、破碎使纵、横波传播速度降低。通过分析纵、横波等参数的变化，可实现对隧道掌子面前方煤层瓦斯的探测。

3.1 隧道工程地质概况

隧道穿越龙潭组煤系地层，岩性主要有灰岩、硅质岩、页岩、炭质页岩、砂岩夹煤层，地层岩性复杂，软硬不均，地层中的炭质页岩等软质岩极易软化，软化后呈沙土状。预报里程段可溶岩和碎屑岩相间，岩溶弱发育，构造发育。根据地勘钻孔资料，隧道穿越的龙潭组煤系地层，综合判断为高瓦斯隧道，预报里程段属高瓦斯工区。

3.2 第1次超前预报情况及施工揭示

3.2.1 超前预报情况

隧道往小里程方向掘进，根据施工图设计，在DK474 +380～+350段遇煤层(图1)，煤层厚度约1.0 m，该段实际揭示煤线和煤层，煤层厚度最大值小于0.3 m。当隧道掘进至DK474+328时，实施第1次TSP法超前预报，往小里程方向探测。

图1 隧道煤层、煤线分布情况及第1次TSP实施示意图Fig.1 Coal seam, coal line distribution and the first TSP implementation

综合分析图2～图4 P波、SH波和SV波速度分析图，隧道掌子面前方约26 m 出现地震波速下降趋势，掌子面前方26 m～46 m及隧道周边20 m范围总体呈现低速异常，其中横波低速异常区域较为明显，P波波速在对应位置隧道周边5 m～20 m范围有所降低，在靠近隧道轴线位置变化不大。纵、横波波速总体变化情况为：P波波速从3 075 m/s下降到2 946 m/s，SH波速从1 771 m/s下降到1 650 m/s，SV波波速从1 734 m/s下降到1 580 m/s。

图2～图4中，横坐标表示隧道掘进方向，纵坐标表示隧道及隧道周边；红色区域表示地震波速度高，蓝色区域表示地震波速度低。

图2 P波速度分析成果图Fig.2 P wave velocity analysis

图3 SH波速度分析成果图Fig.3 SH wave velocity analysis

图4 SV波速度分析成果图Fig.4 SV wave velocity analysis

图5为第1次TSP法预报反射层位及物理力学参数成果图。结合速度分析图和反射层位分布特征，推测掌子面前方26 m～46 m存在物探异常，该异常段围岩泊松比从0.27增大到0.32，动态杨氏模量从18降低至15，局部存在波动变化。结合地勘资料和当前掌子面情况，推测掌子面前方26 m～46 m(即对应里程DK474+300～+280段)围岩完整性变差，岩体破碎，裂隙发育，存在软弱夹层(如煤层等)，局部含水，建议施工单位在DK474+310之前加强超前钻探进一步探测验证。

3.2.2 超前钻孔验证及施工揭示情况

在D3K474+330实施3孔超前钻孔，钻孔孔内未检测到瓦斯，个别孔内返水黑色，开挖揭示为煤矸石或炭质页岩。施工掘进25 m之后，在DK474+305掌子面再次实施3孔超前水平钻孔，深度均为30 m，超前探孔返水呈黑色，冲击声沉闷，局部存在突进现象，3个钻孔测试瓦斯浓度最大值分别为0.28%、0.22%、和0.22%。随后，在DK474+301掌子面揭示页岩、炭质页岩和煤矸石，掌子面右侧拱脚出现鸡窝状煤层。在DK474+291完全揭示煤层(图6)，煤层走向与隧道呈66°交角，煤层倾角21°，煤层真厚为2 m～6.5 m，隧道穿越煤层长度达20 m以上(对应里程约DK474+301～+276段)。

3.3 第2次超前预报情况及施工反馈

3.3.1 超前预报情况

图5 反射层位及物理力学参数成果图Fig.5 Results of reflective layer and physical mechanical parameters

图6 DK474+291掌子面煤层照片Fig.6 DK474+291 face photo

隧道完全穿越DK474+291煤层之后，继续往小里程方向掘进，隧道掘进过程中掌子面偶有煤线出现，根据施工图设计，DK474+220～+128段隧道穿越煤线。当隧道掘进至DK474+214时，循环搭接实施第2次TSP法超前预报(图7)，往小里程方向探测。TSP法超前预报成果分析如下：

根据图8～图10速度分析成果图，SH波和SV波在隧道掌子面前方约44 m 出现波速下降趋势，掌子面前方44 m～74 m及隧道周边20 m范围总体呈现低速异常；P波在掌子面前方对应位置隧道周边8 m～20 m范围呈现低速异常，但在靠近隧道轴线位置，波速略有增高趋势。总体而言，P波波速变化范围在3 081 m/s和2 906 m/s之间，SH波速从1 796 m/s下降到1 559 m/s，SV波波速从1 786 m/s下降到1 558 m/s。

图7 隧道煤层、煤线分部情况及第2次TSP实施示意图Fig.7 Coal seam, coal line distribution and the second TSP implementation

图8 P波速度分析成果图Fig.8 P wave velocity analysis

图10 SV波速度分析成果图Fig.10 SV wave velocity analysis

结合速度分析图和反射层位分布特征(图11)，推测掌子面前方44 m～74 m存在物探异常，该异常段围岩泊松比从0.32增大到0.38，动态杨氏模量从20降低至15。结合地勘资料和当前掌子面情况，推测掌子面前方44 m～74 m(即对应里程DK474+170～+140段)围岩完整性变差，岩体破碎～极破碎，节理裂隙很发育，存在软弱夹层(如煤层等)，局部含水，建议施工单位在DK474+185之前加强超前钻探进一步探测验证，并在施工过程中加强瓦斯监测、检测，做好通风处理措施。

图11 反射层位及物理力学参数成果图Fig.11 Results of reflective layer and physical mechanical parameters

3.3.2 超前钻孔验证及施工现场反馈

在DK474+202掌子面实施3孔超前钻孔，深度均约40 m，超前探孔返水呈黑色，冲击声沉闷，局部存在突进现象，分别在27.5 m、26 m和25 m见煤，水平穿越煤层长度约11 m。在DK474+185掌子面再次实施3孔超前钻孔，深度约20 m～25 m，分别在13 m、12 m和11 m见煤，取芯钻孔揭示DK474+174～+163.5段为煤层，煤层取样全部为粉状。根据探煤钻孔资料分析，煤层走向与隧道呈66°交角，煤层倾角28°，煤层真厚约3.9 m，煤层将在隧道洞身DK474+174～+149段出露。施工揭示的煤层照片如图12所示。

图12 DK474+171掌子面煤层照片Fig.12 DK474+171 face photo

3.4 两次预报案例的认识

1)由于是同一高瓦斯工区煤系地层段的连续两次TSP法探测，具有相似的地质背景和现场数据采集环境，对比分析两次超前预报案例非常有意义。两次TSP法对煤层的成功预报，都具有较好的探测条件：①煤层走向和隧道呈大角度相交(约66°)；②煤层具有可被探测的规模，煤层厚度分别达到6.5 m和3.9 m，且煤层穿越隧道段落较长。需要特别注意的是：第1次预报中，参建各方对TSP法资料的重视程度不够，超前钻探实施单位对钻孔资料的认识不足，存在误揭煤层的安全隐患。

2)两次预报，煤层段落围岩物理力学参数变化情况如表1所示。

根据表1，结合前文对隧道周边20 m范围内纵横波波速宏观分布特征的分析得出：第1次预报中，煤层段VP、VSH和VSV分别下降4.2%、6.8%和8.9%；第2次预报中，煤层段VP、VSH和VSV分别下降5.7%、13.2%和12.8%。两次预报，煤层段落围岩地震波纵横波速度均有不同程度降低，其中横波波速下降幅度相对较大(尤其是DK474+171煤层段落)，说明横波的下降变化趋势对煤层更为敏感。另一方面，煤层段落围岩泊松比均有不同程度增加，且泊松比均大于0.3。 第1次预报中，在进入煤层段落之前的10 m～15 m里程范围，泊松比变化不大，且处于相对较低的值0.27；第2次预报中，在进入煤层段落之前的10 m～15 m里程范围，泊松比呈现逐渐增大趋势，且处于相对较高的值0.33～0.34。根据现场煤层瓦斯预测情况：两段煤层瓦斯含量最大值分别为8.604 8 m3/t和12.307 m3/t，局部预测解析指标K1最大值分别为0.24 mL/(g.min1/2)和0.95 mL/(g.min1/2)，局部预测解析指标△h2最大值分别为15 Pa和322 Pa。对比分析围岩物理力学参数和揭示煤层及瓦斯预测相关参数，煤层段落围岩地震波波速下降(尤其是横波)和高泊松比且持续增高特征，与煤层分布及煤层瓦斯的富集有较好的对应关系。

表1 煤层段落围岩物理力学参数变化情况

图13 原设计煤层、煤线和施工揭示对比图Fig.13 Original design of coal seam, coal line and construction revealed (Black area for revealed coal seam)

3)对比分析原设计煤层、煤线和施工验证揭示情况(图13)：DK474+301～+276和DK474+174～+154两段穿越的厚煤层，均是原设计没有的煤层，这就是前面提到的地质的不确定性，隧道局部受地质构造影响，由于地勘钻孔有限，煤系地层段落存在勘察阶段未发现的煤层。TSP法的有效预报，为超前钻孔进一步验证提供了更有针对性的指导；有效利用TSP法成果，结合超前钻探资料，能准确探测煤层瓦斯情况，控制施工风险，从而提高施工效率。

4 结论

1)持续稳定的通风，控制瓦斯浓度，充分利用勘察设计和隧道开挖地质信息，做好物探异常解译，发挥TSP法方法优势，是提高TSP法在隧道煤系地层段有效实施的途径。

2)当煤层走向和隧道呈大角度交角，且煤层厚度具有可被探测的规模时，TSP法低速异常区可宏观判释煤层分布；在软质岩煤系地层围岩中，横波在煤层段的波速变化相对P波较为敏感。煤层段落围岩地震波波速(特别是横波)降低和持续的高泊松比增高特征，是隧道煤层分布及煤层瓦斯富集有意义的参考。

笔者的案例有限，旨在提高TSP法在煤系地层实施的高效性。呼吁隧道参建各方重视地震波反射法在煤系地层段落的实施。待实施案例更多时，统计分析地震波相关参数与瓦斯突出之间的联系，开展隧道煤层瓦斯地震类非接触式瓦斯突出预测，是今后进一步研究的方向。

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TSP geological prediction of high gas tunnel crossing coal measures formation

GAO Shuquan

(CREEC Chengdu Engineering Testing Co. Ltd, Chengdu 610031,China)

Seismic wave reflection method(TSP method) has been widely used in geological prediction of tunnel because of characteristics of far detection distance and high resolution. However, the application of TSP method in the coal seam of high gas tunnel has been less, and has been weaken. Firstly, this paper analyzes the factors that influence the implementation of TSP method in coal measures strata, and then puts forward the corresponding countermeasures to improve the efficiency of TSP method in coal measure strata. Finally, through two typical cases with a high gas area, comparative analysis the changes of physical and mechanical parameters, such as seismic wave velocity, Poisson's ratio and Elastic modulus, etc., discuss the corresponding relationship between the abnormal parameters of seismic wave and the distribution of coal seam. The results show that the low velocity anomaly area and high Poisson's ratio can be used to interpret the distribution of thick coal seam, the effective detection of coal seam by TSP method can provide a key target area for the advanced drilling, and create favorable conditions for the tunnel construction.

high gas; coal measures formation; TSP method; geological prediction

2016-12-24 改回日期：2017-03-10

高树全(1984-)，男，工程师，主要从事工程物探方面工作,E-mail：gaoshuquan_2006@163.com。

1001-1749(2017)02-0188-07

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.06