隧道穿越煤矿采空区安全施工技术研究

文斌　陈艺辉

摘要：由于隧道勘察手段限制，在隧道穿越煤矿施工过程中会意外遇到煤矿采空区。煤矿采空区主要存在突泥突水和瓦斯等有毒有害气体的地质问题。在设计和施工过程中，采取合理、有效的安全技术确保隧道施工和运营安全极为必要。本文从隧道穿越煤矿采空区的设计对策、跨越施工的安全技术措施、施工工艺等方面进行了研究。保障隧道工程在穿越采空区施工时的人员和设备安全；对类似工程有一定的借鉴意义。

关键词：穿越 煤矿采空区 安全技术

一、工程概况

万开周家坝-浦里快速通道工程铁峰山隧道是重庆在建第一长市政隧道。采用分离式隧道设计，全长9228m，双向4车道，设计速度80km/h，路基宽24.5m，线路总长11.594km。有四处穿越刘家沟煤矿K3、K5煤层，其上均为采空区，原设计对隧道穿越该煤层段采取IV-瓦型衬砌支护。经调查资料，在穿越K5煤层时隧道路面距离采空区底面约41米，隧道在穿越K3煤层时，隧道拱顶距离采空区设计底面约60米。

二、工程地质概述

刘家沟煤矿位于铁峰山隧道背斜中段南东翼，总体特征为一单斜构造形态，地质构造简单，隧洞地段地层为三叠系上统须家河组。K3煤层位于须家河组下亚组顶界的深灰色页岩、炭质页岩中，页岩厚度1m～5m，煤层厚度为0.26～0.57m。K5煤线位于须家河组上亚组中上部深灰色砂质页岩内，页岩厚度2m～4m，煤呈透镜状、条带状、线状产出，黑褐色，质较轻，煤层厚度为0.28～0.64m。该段岩层产状倾角约76°～85°。煤层所在的页岩层呈薄层状，岩石较破碎，岩体完整性较差。

刘家沟煤矿主巷道入口16年已经进行了查封和断电处理，目前水位约在+350处，煤矿设计的出水量为40m³/h。其K3煤线+506巷道为积水巷道。

三、煤矿巷道及采空区对隧道施工的影响分析

（一）煤矿巷道对隧道施工的影响

目前K5煤层已开采至400m高程。K5煤层竖向分布有+639.15水井湾井，+512m运输大巷、+425m运输大巷，其中+425大巷位于隧道正下方，洞径约2.5*2.5m，与隧道正交。该段隧洞底板高程约440m，距+425运输大巷小于15m。

（二）煤矿采空区对隧洞施工的影响

隧道穿越煤线处底板高程分别约为443m、440m，施工至采空区洞段时，地下水位预计在512m主巷道洞口高程，并沿主巷道排出；隧洞底板高程约440m，地下水位最大水头差约70m，最大水压力约0.7MPa。因此，隧道施工时可能产生突水突泥和集中涌水现象。

（三）瓦斯等有害气体对隧洞施工的影响

隧道在该段穿越K3、K5煤层，估计瓦斯涌出量在0.1～0.3m³/min。

四、隧道穿越采空区的主要应对措施

（一）采空区处理原则

隧道施工中，严密注意围岩开挖情况，通过有效的超前钻探和物探方法进行超前地质预报，预测开挖工作面前方几米至几十米的围岩工程地质和水文地质条件，结合掘进中地质条件的变化，及时提出预报，以便及时采取各种预防和施工措施，保证隧道施工的顺利进行。

隧道施工通过有突出危险煤层段时，分段采取区域预抽措施，消除突出危险；采用钻孔进行采空区瓦斯抽排放；采用自动监控和人工检测相结合的模式，对隧道重点部位进行全面实时瓦斯监控；施工期间，通风采用压入式独头通风，加快瓦斯排放能力，稀释瓦斯并防止局部积聚；开挖、支护强调管超前、短进尺、强支护、勤监测、强通风。对隧道施工所可能遇到的含水层、断层和采空区提前进行探放水，查明水文地质及涌水源，据此经技术经济比较采取注浆堵水、疏放等措施，涌水处理以排为主。

（二）采空区位于隧道底部或下方的施工方法

当采空区贯穿隧道并位于隧道断面底部，对于仰拱以下规模较小的采空区可采用洞渣和C15混凝土回填，采空区规模较大时，采用桩基托梁、扩大基础等方式跨越。采空区位于隧道之下时，采用“探灌结合”的原则处理，在仰拱初期支护封闭成环后，在工字钢钢架之间布置150mm钻孔，钻孔布置顺隧道纵向间距5m，横向2.5m，压注M10水泥砂浆，注浆压力0.5～1.0MPa，如注浆时浆液消耗量大而压力无法上升时，应采用帷幕注浆。

施工流程为：超前地质预报→地下水及瓦斯气体排放（若有）→φ108超前长管棚施工→采空区前段机械开挖及支护→采空区钢筋混凝土底板及套拱加固→采空區后段机械开挖及支护。

1.超前地质预报

隧道采空区超前探孔施工如下：

隧道开挖接近预计采空区位置前20m（垂距）处掌子面打超前探孔1个（φ80孔），对地下水及瓦斯气体进行探测，若探测无水且无瓦斯气体，则继续朝前掘进至距离采空区10米处，再进行瓦斯气体及地下水的探测。如此循环至采空区，若通过超前探孔发现有瓦斯气体或有水，则立即停止施工，按照设计要求施工瓦斯气体排放孔或排水孔，以确保在超前探水过程中的施工安全。

2.超前长管棚施工

根据超前探孔进行初探后的情况，在距离煤层17米处开始施工长管棚工作室，长管棚工作室长7米，长管棚采用φ108×6无缝钢管，总长25米，扩挖后应及时支护，待长管棚施工完成后，再进行隧道开挖及支护，见图5：长管棚施工纵断面示意图。

3.采空区前段开挖及支护

待长管棚施工完成后，采用机械开挖工艺，每次开挖进尺不超过钢架间距，隧道衬砌形式采用采空区加强段衬砌结构，开挖后及时支护，并观测隧道已开挖段及掌子面出水量，若出水量较大，则按照施工图文件进行环向注浆堵水等措施。

长管棚工作室起点至采空区段采取机械开挖，长管棚工作室前5米按IV级围岩瓦斯段衬砌进行扩挖及支护，后2米按抗水压衬砌进行扩挖及支护，长管棚工作室终点至采空区段采用抗水压衬砌进行支护。

4.采空区采用套拱加固及C35钢筋混凝土底板

采空区拱部及边墙施作1m厚的C15混凝土套拱，采空区下部采用2m厚C35钢筋砼板，隧道底板以下2m回填C15混凝土，边墙两侧回填土石宜选用洞渣中的片块石码砌。

5.采空区后段开挖及支护

采空区后段10米范围内采用机械开挖，其支护按抗水压衬砌进行支护，并观测隧道已开挖段及掌子面出水量，若出水量较大，则按照施工图文件进行环向注浆堵水等措施。

（三）隧道通风安全保证措施

施工采用压入式通风方式，左、右洞外均安装一台4SDF-6-N0.15/90*4的轴流送风机，用拉链软风管相连，从而将新鲜空气送入左洞作业面。用1.3m比托管、U形压力计以五环10点法测试管道全压和静压，用1.3m比托管、DGm²9型补偿式微压计测试通风管内风的动压。用电子风速仪以9点法测试风速、风量。

（四）隧道逃生救援通道设置安全保证措施

逃生主通道采用φ800钢管，壁厚10毫米，连接钢板连接，同救生管道一样布置于二衬到掌子面之间。逃生主通道在洞内掌子面与下导坑之间安装铺设长度为50m作为逃生管道，发生突发事件后可确保遇险人员顺管道脱离危险区。

五、结语

在隧道施工过程中，遇到穿越煤矿的情况比较常见，在施工过程中，必须做好预测、预报、分析工作，从而采取提前措施。防止突发情况发生，确保人员安全与施工的正常进行。对于特殊的地段和地层，需要设置专门的手段和方法，从科学的角度合理的解决问题，以确保现场施工安全顺利进行。