瓦斯突出隧道掘进工作面瓦斯涌出强度影响因素分析及控制措施研究

吴元金， 杨立新， 苟红松

(1. 中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511455； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

瓦斯突出隧道掘进工作面瓦斯涌出强度影响因素分析及控制措施研究

吴元金1， 杨立新1， 苟红松2

(1. 中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511455； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

为掌握和控制瓦斯涌出的危险性，结合煤层瓦斯流动理论，分析隧道掘进时瓦斯涌出的规律，提出瓦斯突出隧道瓦斯涌出强度的计算方法及控制措施，并指出瓦斯抽放是控制瓦斯突出隧道瓦斯涌出强度的重要措施。研究结果表明： 采取合理有效的瓦斯涌出强度控制措施后，掘进工作面瓦斯涌出强度可以控制在0.5 m3/min以内，可以极大地提高瓦斯突出隧道的施工安全性。

瓦斯突出隧道； 瓦斯涌出强度； 煤壁瓦斯涌出； 落煤瓦斯涌出； 瓦斯抽放

0 引言

近几年，随着我国基础交通建设的发展，不可避免地遇到了许多瓦斯隧道的建设，从而增加了隧道施工的风险。隧道施工穿越瓦斯突出煤系地层时，由于开挖破坏了煤层内的应力平衡状态，导致煤层中瓦斯形成内外压差，大量瓦斯从煤层中逸出涌入作业空间[1]，增加了隧道施工的风险，瓦斯涌出是当前隧道施工面临的危险之一[2]。

对于瓦斯隧道的特点以及施工安全性控制方面，相关领域的专家及学者均进行了系统性的研究。例如： 赵阶勇[3]和祝和意[4]对瓦斯隧道的施工特点和关键技术进行了研究； 李永生等[5]对天坪隧道瓦斯抽放防突技术进行了研究，提出了提前将大部分瓦斯排放到洞外的措施； 傅强等[6]提出了单口掘进隧道瓦斯涌出量的计算方法，主要采用相对瓦斯涌出量和绝对瓦斯涌出量描述和评价隧道施工区域的瓦斯等级情况，然后根据规范要求采用相应的措施控制瓦斯隧道施工的风险。但瓦斯涌出量不能反映隧道瓦斯涌出的动态特性，也不能体现瓦斯涌出的总体情况，有必要对隧道掘进工作面瓦斯涌出强度的变化规律进行研究并采取合理的通风及安全防护措施解决这一技术难题[7-8]。结合瓦斯赋存理论和天坪隧道的现场实测情况，对瓦斯涌出强度的影响因素以及降低瓦斯突出工作面瓦斯涌出强度的主要措施进行了深入研究，以期为类似工程提供一些参考。

1 隧道掘进瓦斯来源及涌出强度分析

隧道施工过程中，根据煤层瓦斯赋存与流动理论，将隧道内瓦斯涌出简化为径向流动模型[9]，掘进期间巷道的瓦斯涌出强度用QB表示，掘进面煤壁瓦斯涌出强度用QT表示，掘进工作面采落煤岩的瓦斯涌出强度用QS表示，则

QB=QT+QS。

(1)

1.1掘进面煤壁瓦斯涌出强度QT

隧道一般近似垂直穿越煤层，如图1所示。煤层中将会形成以隧道为圆心的同心圆状径向瓦斯流场，其瓦斯压力等值线平行于煤壁且近似呈同心圆形状，隧道掘进区瓦斯径向流动流场如图2所示。

图1 隧道穿越煤层示意图

图2 隧道掘进区瓦斯径向流动流场

假设煤层为均质的，则瓦斯在煤层中的流动服从达西定律，得：

(2)

F=2πrm。

(3)

式中：QT为掘进面煤壁瓦斯涌出强度，m3/min；m为煤层厚度，m；λ为煤层透气性系数，m2/(MPa2·min)；r为半径，m；q为煤壁单位面积瓦斯涌出强度，m3/(m2·min)；P为煤层瓦斯压力p的平方，MPa2；F为掘进面暴露的煤壁面积，m2。

假设隧道穿越区域为瓦斯径向流动的半无限大体，则煤体内瓦斯含量的变化应等于圆环内部煤壁瓦斯量的变化，即

(4)

式中:X为煤层瓦斯含量，m3；t为时间，min。

展开式(4)，并令P=p2，则

(5)

式中α为煤层瓦斯含量系数。

令P-3/4=P0-3/4，得

(6)

式中a1为吸附常数。

式(6)即为掘进隧道穿越段的煤层瓦斯流动方程。 其初始条件为：

P=P0=p02(t=0时)。

边界条件为：

对式(2)—(6)进行数值求解，即可得到煤壁瓦斯涌出强度的变化情况,本文采用变步长六点显示差分格式进行求解。

1.2落煤瓦斯涌出强度QS

美国犹他州大学将瓦斯从煤中解吸按指数函数衰减理论进行解析，并应用于试验和计算过程中，然后采用各种试验证实了该理论的可靠性和正确性[8]。 根据指数函数关系得出的解吸速度相对于时间曲线的通用公式为

q=q0e-kt。

(7)

式中:q0为初始瓦斯解吸速度，m3/min；k为煤层渗透率，10-15m2。

t0和t1之间解吸的落煤瓦斯涌出强度

(8)

根据式(7)和式(8)，当t0=0时，累计落煤瓦斯解吸涌出强度

(9)

由式(6)和式(9)可以看出，隧道掘进过程中计算煤壁及落煤的瓦斯涌出强度需要确定各种边界条件，通过对与瓦斯涌出强度相关的一些边界条件进行逐个分析，更有针对性地对瓦斯涌出强度进行控制，同时根据这些影响因素采取相应的措施，以保证瓦斯隧道施工的安全性。

2 掘进工作面瓦斯涌出强度影响因素分析

2.1煤壁瓦斯涌出强度与煤层瓦斯压力p的关系

瓦斯在煤层中主要以游离状态和吸附状态存在，其可以相互转化，并始终处于一种动态平衡。影响煤层赋存状态的地质因素主要有： 区域构造特征，煤层及围岩组合特征，煤质和水文地质条件等[10]。隧道掘进过程中，隧道穿越段煤层被揭露后，其原有的瓦斯平衡状态被打破，自煤壁表面到煤体深部存在一定的瓦斯压力梯度，瓦斯沿煤体内的裂隙和孔隙涌向煤巷，其瓦斯涌出强度随时间的延长逐渐衰减[11]，所以掘进区煤壁瓦斯涌出强度不仅受煤壁暴露时间t的影响，也与煤层瓦斯压力有较大的关系。天坪隧道C6煤层在不同瓦斯压力情况下的煤壁瓦斯涌出强度如图3所示。

图3 不同瓦斯压力情况下的煤壁瓦斯涌出强度Fig. 3 Relationships between gas outburst intensity and gas pressure in coal seam

由图3可以看出，随着煤层瓦斯初始压力的增大，煤层揭露的初期煤层瓦斯涌出强度也明显增加，并在暴露一定时间后趋于稳定，但由于煤层瓦斯压力的不同，趋于稳定时的瓦斯涌出强度也存在一定的差异。

2.2煤壁瓦斯涌出强度与煤层透气性系数λ的关系

煤层透气性系数表征煤层对瓦斯流动的阻力，煤体内的孔隙结构、煤层内的裂隙和地应力等均对其有较大的影响。室内试验很难准确地测定出煤层的透气性能。国内煤炭行业一般采用井下实测煤层透气性的大小，也可根据煤层吸附特性，结合煤层瓦斯流动方程，估算煤层透气性系数。天坪隧道C6煤层不同煤层透气性系数条件下的煤壁瓦斯涌出强度如图4所示。

由图4可以看出，随着煤层透气性系数的增大，煤层暴露初期瓦斯涌出强度也明显增加，并在暴露一定时间后趋于稳定，由于透气性系数的不同，趋于稳定时的瓦斯涌出强度也存在一定的差异。

2.3煤壁瓦斯涌出强度与吨煤瓦斯含量W的关系

瓦斯中游离瓦斯量直接影响到煤壁瓦斯涌出强度，同时煤壁瓦斯涌出强度与煤层瓦斯吸附常数、瓦斯压力和煤的工业成分等参数有关[12-16]。以天坪隧道C6煤层的实测参数对应不同瓦斯含量，并将反演瓦斯压力代入煤壁瓦斯涌出强度计算模型，得出天坪隧道C6煤层不同吨煤瓦斯含量时的煤壁瓦斯涌出强度，如图5所示。

图4 不同煤层透气性系数条件下的煤壁瓦斯涌出强度Fig. 4 Relationships between gas outburst intensity and permeability coefficient of coal seam

图5 不同吨煤瓦斯含量时的煤壁瓦斯涌出强度Fig. 5 Relationships between gas outburst intensity and gas concentration

由图5可以看出，随着吨煤瓦斯含量的降低，煤壁瓦斯涌出强度降低，两者呈非线性关系。吨煤瓦斯含量为11.0、8.0、5.0 m3/t等差降低时，对应的瓦斯初始涌出强度的差值是递减的。这表明，对于突出煤层或高瓦斯煤层，降低其煤层吨煤瓦斯含量可以有效降低煤壁瓦斯涌出强度，但煤壁瓦斯涌出强度降低到一定程度后，其降低瓦斯的效果又逐渐减弱，这与煤层中游离瓦斯含量的降低程度是有关的。

2.4煤壁瓦斯涌出强度与一次开挖面积A的关系

煤壁瓦斯涌出强度与隧道掘进工作面一次开挖面积有关。不同开挖面积条件下的煤壁瓦斯涌出强度如图6所示。

由图6可以分析得出，随着开挖面积的增加，煤壁单位面积瓦斯涌出强度会略有降低。但经分析，煤壁单位时间内总瓦斯涌出强度呈明显增大趋势。因此，减小一次开挖面积可以减小煤壁瓦斯涌出强度。

图6 不同开挖面积条件下的煤壁瓦斯涌出强度Fig. 6 Relationships between gas outburst intensity and one-time excavation area

2.5落煤瓦斯涌出强度变化规律

根据现场实测，得出了天坪隧道瓦斯解吸情况。瓦斯解吸散点图如图7所示(折合为吨煤瓦斯含量，m3/t)。瓦斯涌出强度散点图如图8所示。

(a) W=11.47 m3/t

(b) W=5.51 m3/t

由图8可以看出，吨煤瓦斯含量降低后，落煤瓦斯涌出初始强度呈明显降低趋势，2种不同吨煤瓦斯含量情况下落煤瓦斯涌出强度的变化规律均与式(9)相同。

3 天坪隧道瓦斯涌出强度控制技术应用

3.1工程概况

天坪隧道位于贵州省北部，重庆与贵州省交界地段，赶水东至夜郎区间，行政区划属于贵州省桐梓县。隧道全长13 978.252 m。天坪隧道DK127+710～+850段穿越龙潭组煤系地层，共有3～22层煤，主要为9层煤，其中稳定可采的有2层，较稳定可采的有3层，其余4层稳定性差、局部可采。对隧道影响较大的为C3、C5和C6煤层，煤质为焦煤，厚度分别为2.6、2.45、1.33 m，走向为N42°E，倾向为正南方向，倾角为70°，煤层走向与隧道的交角为54°。横洞工区为瓦斯突出工区，隧道施工期间存在煤层瓦斯突出、瓦斯燃烧或瓦斯爆炸的风险，隧道施工难度很大，在防治瓦斯突出、防范瓦斯燃烧与爆炸等方面面临重大考验。

(a) W=11.47 m3/t

(b) W=5.51 m3/t

3.2瓦斯抽放降低煤壁瓦斯涌出强度

采取合理的瓦斯抽放措施后，隧道掘进面前方煤层的瓦斯含量和瓦斯压力将相应的减小，揭开煤层后，瓦斯涌出强度也将发生变化[17-18]。采用煤壁瓦斯涌出强度理论计算模型，对比分析抽放前后煤壁瓦斯涌出强度的变化规律，如图9所示。根据现场测试及反演计算结果，天坪隧道煤层瓦斯参数见表1。

由图9可以看出，采取瓦斯抽放措施后，煤壁瓦斯涌出强度明显降低，初始涌出强度低于未抽放情况的50%。煤壁瓦斯排放过程在理论上是无限的，但实际上，在暴露一定时间后，煤层中原有游离态瓦斯逐渐排出，原有的吸附态瓦斯逐渐转化为游离态，煤壁瓦斯涌出强度下降到可以忽略不计的程度。由图9可知，不考虑壁面喷浆时，通风20 min后，煤壁瓦斯涌出强度可控制在2.0 m3/min以内，通风90 min后煤壁瓦斯涌出强度接近1.0 m3/min。根据计算预测，通风5 h后煤壁瓦斯涌出强度可降低至0.35 m3/min。由此可见，瓦斯抽放对降低煤壁瓦斯涌出强度的作用是非常明显的。同时，由图9可以看出，隧道壁面喷浆封闭后，洞内的瓦斯涌出强度明显降低，并可控制在0.4 m3/min以内。因此，在揭煤爆破并通风一段时间后，对煤壁进行喷浆封闭，可以有效降低煤壁的瓦斯涌出强度。

(a) 不考虑喷浆

(b) 考虑喷浆

表1 天坪隧道煤层瓦斯参数

注：a、b代表吸附常数。

3.3瓦斯抽放降低落煤瓦斯涌出强度

对开挖面前方煤层进行瓦斯抽放，开挖后，落煤瓦斯涌出强度有明显降低的趋势。抽放前后落煤瓦斯涌出强度变化规律如图10所示。掘进期间巷道的瓦斯涌出强度如图11所示。

图10 抽放前后落煤瓦斯涌出强度变化规律Fig. 10 Variation of gas outburst intensities of dropped coal before and after gas drainage

根据现场实测结果可知，瓦斯抽放后，煤层瓦斯含量和瓦斯压力降低，爆破落煤中游离状态瓦斯含量也明显降低，依此计算出的落煤瓦斯涌出强度呈现明显降低趋势。由图10可以看出，瓦斯抽放后，落煤瓦斯涌出强度明显降低，由于煤层中大部分游离瓦斯均被抽放排出，所以抽放后，落煤瓦斯涌出强度大约低于未抽放情况的50%。同时，根据瓦斯解吸情况可以看出，通风90 min后，落煤中绝大部分的游离瓦斯已经排出。

(a) 不考虑喷浆

(b) 考虑喷浆

根据天坪隧道揭煤施工情况和现场实测的煤层瓦斯参数，得出天坪隧道掘进期间巷道的瓦斯涌出强度变化情况。由图11可以看出，瓦斯抽放前后巷道的瓦斯涌出强度存在明显差异。对于未采用瓦斯抽放的情况，由于其煤壁瓦斯涌出强度所占比例较大，且壁面喷浆后煤壁瓦斯涌出强度明显降低，所以巷道的瓦斯涌出强度有明显降低。喷浆后一段时间内，落煤瓦斯涌出强度占主要部分，所以落煤中瓦斯释放完成后，巷道的瓦斯涌出强度基本可以控制在0.3 m3/min。

综合以上分析可以得出，采取合理的瓦斯抽放措施，并在通风30 min后进行煤壁喷浆封闭，可以将瓦斯涌出强度控制在安全可控的范围内。

4 结论与讨论

1)根据煤层瓦斯流动的基本规律和现场实测瓦斯参数，得出了隧道掘进揭煤区域煤壁瓦斯涌出强度的变化规律，据此可以计算出隧道掘进期间瓦斯涌出强度的变化情况，为确定隧道揭煤后的通风方案提供理论基础。

2)根据现场测试情况，得出了落煤瓦斯涌出强度的变化规律，由此可以计算出隧道掘进期间落煤瓦斯涌出强度。

3)根据现场测试数据和理论计算，对比分析了瓦斯抽放前后掘进期间瓦斯涌出强度的变化情况。结果表明，采取合理的瓦斯抽放措施，并在通风一段时间后对煤壁进行喷射混凝土封闭，可有效控制隧道掘进期间瓦斯的涌出强度。

4)隧道穿越煤层时可采取的控制措施有超前钻孔、钻孔排放和水力冲孔等。现场施工中应根据具体瓦斯涌出强度来确定采取何种措施，并应对煤层煤质、煤层地质构造等参数对涌出强度的影响做进一步研究。

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AnalysisofInfluencingFactorsofGasOutburstIntensityofTunnelingFaceofGasTunnelandItsControlMethods

WU Yuanjin1, YANG Lixin1, GOU Hongsong2

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China； 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

During the construction of gas outburst tunnel, the dynamics of gas outburst are often difficult to master and control; but it is the top priority of the safe construction of gas outburst tunnel. In this paper, the gas flow theory of coal seam is studied; the gas outburst rules of the tunnel are analyzed; the calculation methods and control methods for gas outburst intensity are proposed; meanwhile, it is pointed out that the gas drainage is the most important key to gas outburst intensity control. The study results show that the gas outburst intensity of tunneling face is effectively controlled within 0.5 m3/min and the construction safety of the gas outburst tunnel can be significantly improved by carrying out rational gas outburst control methods.

gas outburst tunnel; gas outburst intensity; gas outburst from coal wall; gas outburst from dropped coal; gas drainage

2017-06-14;

2017-08-31

吴元金(1984—)，男，江西玉山人，2007年毕业于太原理工大学，建筑环境与设备工程专业，本科，工程师，主要从事地下工程环境控制技术的研究工作。E-mail： 258334960@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.009

U 458

A

1672-741X(2017)10-1262-07