水打桥隧洞煤与瓦斯突出段专项治理实践

杨汉铭，赵德才，夏云东

（1.中铁五局集团第二工程有限公司，贵州 大方 551600；2.贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

水打桥隧洞位于贵州省毕节市大方县鼎新乡，近东西走向，全长约20.36 km。北干1标施工桩号为水打桥隧洞0+000～10+300段，为无压流，隧洞进口接总干渠末分水闸，出口接白甫河倒虹管。隧洞设计流量31 m3/s，加大流量34.61 m3/s，隧洞断面形式采用圆形，衬砌后净空半径为2.7 m。

2 煤层及瓦斯分布情况

根据开挖过程中的围岩揭露，北干0+995里程之前煤层厚度约0.1～0.3 m，主要以夹层形式分布在掌子面中部以上位置，放炮后瓦斯浓度低于0.5%，通风后瓦斯浓度低于0.1%。北干0+995-北干1+325段煤层厚0.3～1.5 m，放炮后掌子面瓦斯浓度为0.8%～1.0%，通风后掌子面瓦斯浓度为0.2%。1+325～1+405段煤层厚1.5～3.0 m，放炮后掌子面瓦斯浓度为1.0%～4.0%，通风后掌子面瓦斯浓度为0.4%，回风道中浓度为0.3%，避车洞中的瓦斯浓度为0.3%～0.48%，均达到规范要求。2017年6月17日受洞内异响、变形影响，进口掌子面1+405于2017年6月20日停工。2017年7月3日上午09：00，进口掌子面1+405处突然发生煤与瓦斯突出现象。掌子面溜坍，无人员伤亡，洞口瓦斯浓度达8%，掌子面瓦斯浓度达56%，一氧化碳浓度达516ppm（正常值为27 ppm）。根据相关各方要求及专家论证意见，1+405～1+600段采取煤与瓦斯防突出专项治理措施。

3 治理方案

3.1 局部消突

3.1.1 钻孔布置

防突工作坚持“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的原则。突出煤层开挖工作做到“不掘突出头”。严禁未按要求采取区域综合防突措施的单位进行施工活动。区域防突工作应做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。因水工隧洞与煤矿施工差别较大，为减少投资，方案中采取局部防突措施而非区域防突。

为保证煤层段开挖过程安全，工作面施工37个抽放钻孔（其中25个为灌浆孔），孔径76 mm，水平夹角及坡度按0°～24°控制。瓦斯抽排孔布置情况为（见图1）：①号孔每轮8个，钻孔深度37.7 m，外倾角9°；②号孔每轮8个，钻孔深度30 m，外倾角12°；③号孔每轮8个，钻孔深度12.5 m，外倾角24°（第二轮取消）；④号孔布置于隧洞中心，孔深32 m，垂直掌子面水平布置，抽排孔搭接10 m；⑤号孔每轮4孔，孔深25 m，内排垂直掌子面水平布置，外排外倾5°。钻孔之前必须对掌子面采用C20混凝土进行封闭1 m。瓦斯抽排封堵见图2。

图1 水打桥瓦斯抽排设示意

图2 瓦斯抽排封堵示意

3.1.2 瓦斯抽排

按照GB50471-2008《煤矿瓦斯抽排工程设计规范》［1］要求，应根据煤层赋存条件、瓦斯来源、隧洞布置、时间配合、瓦斯基础参数等因素并经技术经济比较后确定瓦斯抽排方法。在该工程实施过程中，采取了预抽煤层瓦斯措施。

根据AQ1026-2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》［2］，确定瓦斯抽排量抽排率取40%，抽排规模为1.92 m3/min。预抽瓦斯孔口负压为13 kPa。瓦斯抽排钻孔直径为76 mm，抽排半径为8 m。采用人工聚胺脂封孔，封孔段长度不得小于5 m。聚胺封孔操作简单，省时省力，气密性好，抽排效果好。

抽放泵采用2BEA-42型水环真空泵1台，最大抽气量42 m3/min。极限真空度33 kPa，真空泵配套电机功率为55 kW，转速472 r/min。移动抽排泵距工作面距离不小于200 m。高负压抽排主管为Ф200的钢管，敷设至洞外50 m排放。采用法兰盘螺栓紧固连接，中间夹像胶密封圈，为安装方便，抽排管路拐弯处采用弹簧软管。

瓦斯抽排站电源为380 V供电，采用YJV22-3×240+2×120矿用电缆，使用煤矿专用防爆开关。照明电源由配备有短路、过负荷及漏电闭锁的矿用隔爆照明综合保护器供给，在瓦斯泵站配备有隔爆型照明灯具，且满足照明度不低于20Lx的要求。

移动泵站主要用水为抽排泵冷却水，抽排泵的冷却水系统取自供水管路，通过三通分支进水管路敷设至瓦斯抽排泵站内，为其提供足够的用水量。

3.1.3 瓦斯抽排监测及控制

为保证瓦斯抽排系统的安全运行和安全生产，瓦斯抽排泵必须配备完善的安全监测系统，对瓦斯浓度、抽排泵管路内的瓦斯浓度、负压、温度及一氧化碳浓度等参数进行实时监测。

移动抽排泵处的环境甲烷传感器报警值、断电值设为不小于0.5%，复电值设为小于0.5%，断电范围为移动抽排泵所有非本质安全型电器设备。

在抽排泵输入管路中设置高浓度甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器及负压传感器等对抽排管路内数据进行监测监控。

3.2 注浆固结封堵

进口1+410～1+600段，每循环帷幕加固长度为35 m，长度与抽排孔一致，搭接长度5 m。注浆使用水泥-水玻璃双液浆，采用压密注浆形成对围岩加固及瓦斯封堵。注浆前，全断面施工止浆墙（共8环）采用挂网C25混凝土，混凝土厚度1 m，环向采用Φ25钢筋锚杆，与初期支护接荐加固，每根长3 m，布置间距0.5 m。

图3为注浆封堵示意，注浆孔利用①～④号孔灌浆孔，共布设25个孔（第二轮17个孔，取消③号孔），按②号→③号→①号→④号的顺序施工。

3.3 效果检验

瓦斯抽排及注浆封堵结束后，须对掌子面进行钻孔效果检验，孔长30 m，孔径75 mm，距掌子面边缘1.2 m，呈环向均匀布置，分别位于工作面的上、中、下、左、右。

图3 注浆封堵示意

治理效果以瓦斯浓度低于10%、瓦斯压力小于0.2 MPa为标准。当不能满足上述条件时，灌浆全部结束后继续抽排3 d。

瓦斯检测孔需测定瓦斯放散初速度ΔPmax、煤层坚固性系数fmin和瓦斯压力Pmax，若检测为不突出煤层时方可进行开挖，若检测仍为煤与瓦斯突出煤层，应及时上报设计单位，以确定下一步施工方案。

当检验结果措施有效时，若检验孔与防突措施钻孔向隧洞掘进方向的投影长度（即投影孔深）相等，则可在留足防突措施超前距（掘进工作面应保留的最小防突措施超前距为5 m）及采取安全防护措施的条件下继续掘进。

3.4 煤层段掘进

瓦斯抽排完成且经过效果检验后（采用钻屑解析指标法进行钻屑量和K1值的测定），经验证工作面无突出危险后，在采取安全防护措施的条件下，远距离爆破揭穿煤层，直至进入顶板2 m以上，煤层段施工结束。

因该段围岩为碳质泥岩加粉煤层，围岩自稳性非常差，故采用上下台阶法施工，分3步开挖。上台阶高度约2.8 m，下台阶高度约4.7 m（预留沉降量0.55 m），上台阶长度控制在3～5 m，下台阶分左右侧开挖。每循环开挖控制在1 m以内（拱架间距0.5 m）。开挖时，为减轻对周边围岩的扰动，应控制好装药量，采用弱震动爆破法开挖，各部位开挖完成后，及时施工完成初期支护结构。

3.5 初期支护

1+410～1+600段穿越煤系地层，为一级瓦斯设防段。采用Ⅴ类围岩全封闭复合衬砌，按照台阶法开挖，因此上台阶开挖完毕后及时完成初期支护。支护参数为：①采用φ42超前小导管，长度3 m，纵向搭接长度1.5 m，环向间距0.35 m。②拱架采用I20b型工字钢环向间距50㎝，纵向采用Φ25钢筋与工字钢套筒式连接，绑扎Φ8双层钢筋网片。③系统锚杆采用D32自进式中空注浆锚杆，锚杆布设为上部钢支撑240°范围，间距1.5 m，长度6 m，在钢支撑上每隔一榀实施；注浆初始压力0.1 MPa，最大压力不超过0.3 MPa，注浆范围在深入基岩0～6 m。④锁脚锚杆上台阶在台阶往上50 cm位置两侧各设置2根长3 m的Φ32自进式中空锚杆；下台阶在底板往上50 cm位置两侧各设置2根长3 m的Φ32自进式中空锚杆。⑤喷射混凝土全断面采用掺气密剂C20混凝土，厚度为20 cm。⑥拱底回填30 cm厚的C20混凝土。鉴于目前该隧洞瓦斯及地应力较大，部分洞内初支掉块严重，钢架变形，为减少一衬变形侵限，预留量沉降调整为30 cm。

4 结语

根据水打桥隧洞煤与瓦斯突出情况，采取相应的综合治理措施。区别于煤矿中单一采取瓦斯抽排或公路隧道中注浆封堵，该方法将抽排与固结有机结合，既节约了投资，又达到了治理效果，尤其是首次在水利工程中成功运用，具有较好的经济及社会效益，积累了成功经验，对类似工程项目具有一定参考价值。