水工隧道过煤层煤与瓦斯突出预测技术研究*

(1.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.华北科技学院，河北 廊坊 065201)

煤与瓦斯突出是在开挖煤层的过程中，煤体在瓦斯、地应力的共同作用下煤呈粉碎状态向采掘或开挖巷道空间急剧抛出并伴随大量瓦斯涌出的一种强烈的动力现象[1-3]，煤与瓦斯突出具有发生突然、动力过程猛烈的特征，若不能及时准确预警并消除突出威胁，会造成掩埋施工人员、设备的事故，并且伴随瓦斯气体的喷出，甚至造成瓦斯(或煤粉粉尘)爆炸等煤与瓦斯突出灾害。自1834年法国伊萨克矿发生世界上最大的一次突出灾害以来，在过去的185年间几乎在每个产煤国家每年都会发生类似的灾害。近年来，随着煤与瓦斯防治技术的安全投入，煤与瓦斯突出事故的发生呈下降态势，但仍时有发生。

国家历来十分重视西南地区的基础设施建设，尤其在贵州，近年来贵州省高速公路、铁路、水利、机场等基础设施建设投入逐年加大，由于贵州的地形地质特点，高速公路、铁路、水利设施建设的过程中，隧洞穿越过煤层的情况不可避免，在进行过煤层施工时由于防治措施不到位也发生过煤与瓦斯突出事故。2017年5月2日，贵州省毕节市大方县境内，成贵快铁在建工程七扇岩隧道发生煤与瓦斯突出事故，共造成12人死亡，12人受伤。为此，针对隧道过煤层的施工，贵州省交通厅编制了《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南》《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南》，原铁道部颁布了《铁路瓦斯隧道技术规范》，针对水工瓦斯隧道的设计及施工，在贵州省参照《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南》《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南》规定的相关要求执行。

1 工程背景

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程位于贵州省西北部的长江流域乌江支流六冲河中游的七星关区与纳雍县界河段上，涉及毕节、遵义2个地级市，受水对象包括毕节市的七星关区、纳雍县、赫章县、大方县、织金县、黔西县、金沙县和遵义市的遵义县、红花岗区、仁怀市，共10个区(县、市)。工程为以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的Ⅰ等大⑴型水利枢纽工程。全部建成后，供水对象包括2座城市、5座县城、8个工业园、1个火电厂、69个乡镇、365个农村聚集点，供水人口总计267万，灌溉对象涉及51个乡镇，总面积90.03万亩，同时还可以开发利用一定水能资源，建设坝后电站，共计装机90MW，多年平均发电量2.323亿kW·h。夹岩水利工程包括水源工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程3大部分。

输水建筑物以夹岩水库为起点，大体东西向展布，包括总干渠、北干渠(附廓前和附廓后)、南干渠、金遵干渠、黔西分干渠、金沙分干渠等6条干渠，织金供水管线等16条支渠，以及配套的上寨泵站、中寨一级泵站、中寨二级泵站等3座提水泵站。渠线总长643.93km，其中6条干渠总长约266.79km，16条支渠(流量在1.0m3/s以上)总长377.14km。

北干渠附廓前段共计6个施工标段，其中水打桥隧洞全长约20km，划分为北干1标和北干2标两个标段。北干渠1标水打桥隧洞进口接总干1标猫场隧洞出口，与北干2标分界线为隧10+300.000桩号。隧洞前段走向N81°W，后段走向NE，与六冲河近平行布置。隧洞穿越地层以峰丛洼地岩溶地貌为主，地表海拔1300～1750m，最大埋深435m。隧洞进口位于大方县鼎新乡南侧槽谷底部戚家桥附近，距猫场镇直线距离1.7km。

北干1标水打桥隧洞进口段目前已经施工至K1+410桩号，掌子面揭露地层岩性为二叠系上统龙潭组(P3l)泥岩、砂岩夹煤层，现已揭露煤层10层，煤层倾向与洞轴向一致，厚度在0.3～3.0m，常见厚度1.0～1.5m，均为优质无烟煤。水打桥隧洞在隧洞K1+410桩号发生瓦斯突出现象，2018年贵州省水利(投资)集团有限责任公司委托华北科技学院对水打桥隧洞待穿越的6中煤层进行平行的煤与瓦斯突出鉴定工作，鉴定结论确定6中煤层为具有煤与瓦斯突出危险煤层。基于此，本文开展水工隧道过煤层煤与瓦斯突出灾害防治技术研究，以期对水工瓦斯隧道的煤与瓦斯突出防治工作提供借鉴。

2 水工瓦斯隧道煤与瓦斯预测技术

2.1 水工瓦斯隧道与煤矿巷道工程的异同

由于水工瓦斯隧道的施工都需要穿煤，所以水工瓦斯隧道的突出预测和煤矿生产矿井的突出预测具有很多相似之处，煤矿的一些安全生产和管理经验也可以借鉴到瓦斯隧道修建运营中来。矿井采掘和穿煤瓦斯隧道施工主要有以下共同点：

a.都要进行揭煤，因此矿井中常见的灾害在水工瓦斯隧道的修建中都有可能遇到。例如：瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤粉爆炸和煤与瓦斯突出等。开挖前都要对煤体结构类型、煤体强度以及地质构造等因素进行勘测测量，在开挖中还要对瓦斯进行监测，从而保证对工程活动地区的认识和对灾害的预防。

b.采煤矿井和水工瓦斯隧道一样，都是地下工程，因此在开挖的同时都要进行支护，只是由于目的不同，对支护的要求不同而已。

c.由于是地下工程，在矿井或者隧洞内会形成一个相对密闭或者空气不能和外界正常流通的空间，所以要进行人为通风，以保证内部工作人员安全和设备的正常运转。

d.在一些高瓦斯或者有突出危险的煤层中施工时，工程设备要采取防爆措施，以防发生瓦斯爆炸或者粉尘爆炸。

在煤矿巷道施工领域，对煤的开采技术、施工管理、灾害特征以及灾害处理经验等均已有了比较深的研究和摸索，可以说己经形成了一套科学的体系。而在水工瓦斯隧道施工中，由于穿煤(特殊地质)隧道修建难度高，因此在道路选线和隧址选择时会尽量避免煤层或近煤层地质。但由于建设的需求，有些隧道不得不穿过煤层地带，甚至是突出煤层。近几年，随着瓦斯隧道建设的增多，积累了一部分设计施工经验，但很多是从煤矿行业直接借鉴而来的。由于瓦斯隧道和煤矿有很多不同之处，全部借鉴煤矿行业的规程经验也有不合理的地方，以下是瓦斯隧道和煤矿巷道的一些不同之处：

a.工程目的不同。煤矿施工是为了开采煤，所以巷道方向是沿着煤层，巷道的坡度跟着煤层的走向，一般坡度起伏较大，为了提高产量，开挖工作面较多；而水工瓦斯隧道施工的主要目的是安全穿越过煤层。

b.支护要求不同。水工瓦斯隧道施工严格要求支护质量，在穿煤段一般按照短进尺、弱爆破、快喷锚、强支护、勤监测和加强通风的原则施工，从而保证施工安全和工程质量；在工作面要求减小塌方，因一旦塌方就会影响工程进度，增加大量的工程投入。而煤矿施工是为了煤的开采，所以巷道支护标准较低，虽然巷道开采也需要避免塌方，但是煤矿巷道的塌方处理较快，有时甚至还会为了避免更大危险的发生而釆取加大药量震动放炮来人工诱导小型煤与瓦斯突出的发生。

c.通风方式的不同。煤矿的通风设计较为复杂，一般是一套庞大复杂的通风网络和瓦斯监测系统；而水工隧道的通风比较简单，常为简单的压入式通风。

2.2 水工瓦斯隧道煤与瓦斯突出预测方法的选取

一直以来，煤与瓦斯突出的预测一般通过对煤岩动力灾害机理中的某一指标或多个指标进行测定，形成灾害危险性的单指标或综合指标的判据准则[4]，即常规预测方法。近年来，随着采矿地球物理学的发展，地球物理方法逐步开始应用于煤岩动力灾害的预测，并得到国内外学者的广泛关注。考虑水工瓦斯隧道与生产矿井的不同，在水工瓦斯隧道开展煤与瓦斯突出预测方法的选取上，结合水工瓦斯隧道的施工工艺及相关要求，选用钻屑瓦斯解吸指数K1值指标法[5]、最大钻屑量[6]和煤岩电磁辐射指标法[7]。

2.2.1 钻屑瓦斯解吸指数K1指标法

钻屑瓦斯解吸指数K1值采用WTC瓦斯突出参数测定仪实现测量[8](见图1)，这是一种利用多指标及变化规律综合预测煤与瓦斯突出的专业装备，其原理是在吸附平衡瓦斯压力作用下的颗粒煤突然暴露于大气中时，煤中瓦斯迅速地解吸出来。R.M.Barrer等人的实验认为单位质量煤样的瓦斯解吸量Qt与解吸时间t之间符合以下关系：

式中K1为系数，其物理意义是单位质量煤暴露1min时的瓦斯解吸量，表征瓦斯解吸速度衰减的快慢以及煤样瓦斯含量的多少。

图1 WTC瓦斯突出参数测定仪

WTC参数仪设计成便携式本安型电路，适合于煤矿井下和水工瓦斯隧道施工现场使用。主要包括电源电路、单片微机及其扩展电路、模数转换电路、压差信号及放大电路和温度信号及其放大电路5部分。

2.2.2 最大钻屑量法

采用最大钻屑量法时，在掌子面打2个(倾斜和急倾斜煤层)或3个(缓倾斜煤层)直径42mm、长6～10m的钻孔。钻孔每打1m测定钻屑量一次，测定方法可用重量法或容量法。重量法：每钻1m钻孔，收集全部钻屑，用弹簧秤称重；容量法：每钻1m钻孔，收集全部钻屑，用量具测量钻屑体积，预测开挖巷道前方突出危险性(见表1)。

表1 最大钻屑量法临界指标

在突出危险带中，钻孔壁变形的同时发生冒落。煤的破坏愈高，打钻延续时间愈长，含瓦斯愈多，煤冒落愈厉害，这就是突出危险带钻屑量高的原因。

2.2.3 煤岩电磁辐射指标法

近年来，随着采矿地球物理学的发展，地球物理方法逐步开始应用于煤岩动力灾害的预测，并得到国内外学者的广泛关注[9]。本文研究选用的是KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪，它是通过测定煤岩混凝土材料受载变形破裂过程中产生的电磁辐射信号的强度和脉冲数两项指标的变化来预测预报煤岩混凝土动力灾害现象的，使用的是高灵敏度、宽频带接收天线，接收的是电磁辐射强度和脉冲数两个参数。

矿用本安型电磁辐射监测仪可用于煤矿井下预测预报煤与瓦斯突出，也可用于预测预报煤与瓦斯突出、冲击矿压、顶板塌陷、滑坡等煤岩动力灾害现象，还可用于确定煤岩卸压带的宽度，评定煤岩体的相对应力状态等。系统原理图见图2。

图2 KBD5煤岩电磁辐射仪系统原理

KBD5型电磁辐射监测仪(见图3)是通过电磁辐射值和脉冲数两项参数指标和三个值(电磁辐射强度极大值Emax、电磁辐射强度平均值Eavg和电磁辐射脉冲数N)来监测煤与瓦斯突出和冲击地压危险程度的。

图3 KBD5监测仪实物图

KBD5电磁辐射监测系统软件基于Windows操作平台，操作简便，功能较强，包括文件操作、数据传输、图表显示、数据连接、动态分析及预测预报、结果打印、远程监测及控制、帮助系统。软件主界面如图4所示。

图4 KBD5电磁辐射监测仪软件操作界面

3 现场应用及结果分析

在北干渠1标水打桥隧道进口开展了基于钻屑瓦斯解吸指数K1指标法和煤岩电磁辐射指标法的突出预测试验研究。水打桥隧洞在隧洞K1+410桩号出现瓦斯突出现象，现采用的突出预测方法是K1指标法。由于采用K1指标法预测煤与瓦斯突出测量时间长、测量过程复杂，降低了工程进度，拟采用电磁辐射发替代K1预测法。

图5 掘进工作面电磁辐射天线布置方式及位置

试验时，在掌子面前方布置3个测点，分别位于掌子面左、中、右方，天线分别朝向左前方、正前方和右前方，见图5。1号测点位于掌子面的左帮侧，距迎头和左帮各0.5～0.7m，天线开口朝向左前方；2号测点距迎头0.5～0.7m，位于巷道中央，天线朝向工作面正前方；3号测点设于巷道迎头右帮侧，距迎头和右帮各0.5～0.7m，天线开口朝向右前方。在每一个测点，天线有两种布置方式，一种是天线轴向朝向煤层，如图5(a)所示；另一种是天线轴向垂直于巷道顶、底板，开口槽朝向煤壁，如图5(b)所示。测试点选择如图6所示。

图6 掘进工作面电磁辐射测点布置示意图

煤岩介质是一种导电介质，不同煤层电磁波在其中传播的损耗是不同的。实验室研究表明：煤岩破坏过程中的电磁辐射信号衰减系数与介电常数、磁导率、电导率和电磁波的频率有关，且这几个参数越大，电磁辐射信号在介质中的损失就越大。掌握北干渠1标水打桥隧道6煤层的电磁辐射信号特征分布规律，对利用电磁辐射监测技术预测煤与瓦斯突出的煤岩动力灾害具有重要的意义。

图7～图9为现场实测掌子面位置电磁辐射强度最大值的平均值和电磁辐射脉冲平均值的测试结果，其中EMEmaxavg为电磁辐射最大值的平均值，EMEavg为脉冲值平均值。通过观察可以看出：电磁辐射强度最大值的平均值在75～85mV之间，电磁辐射强度的平均值在50～60mV之间，在放大倍数设定为2000、门限值设定为70的情况下，根据测试及统计分析得出其电磁辐射破坏脉冲值分布在10～30之间。电磁辐射强度平均值和电磁辐射脉冲值的分布符合现场测试要求。

图7 掌子面左前方电磁辐射测试结果

图8 掌子面左前方电磁辐射测试结果

图9 掌子面左前方电磁辐射脉冲值测试结果(EMEavg)

图10～图11给出了掌子面前方电磁辐射强度平均值和电磁辐射脉冲值与常规预测指标Δh2及K1值的对应曲线。通过测试发现：电磁辐射强度平均值与Δh2有很好的一致性，电磁辐射脉冲值与K1值有很好的一致性。

图10 掌子面电磁辐射值(EMEavg)与Δh2测试结果比较

图11 掌子面电磁辐射值(脉冲值)与K1值的比较

4 结 语

水工隧道过煤层的施工工艺与煤矿生产矿井的巷道掘进有相同之处，但由于其工程目的不同，在煤与瓦斯突出的防治技术上侧重点也不同，针对水工瓦斯隧道的特点，选择一种预测耗时短、效率高、预测准确性高的煤与瓦斯突出预测手段尤为重要，本文研究基于钻屑瓦斯解吸指数K1指标法和煤岩电磁辐射指标法两种方法在夹岩水利枢纽及黔西北供水工程北干渠1标水打桥隧道瓦斯隧道进口开展了煤与瓦斯突出预测技术研究，结果表明：采用钻屑瓦斯解吸指数K1指标法和煤岩电磁辐射指标法相结合的预测方法可准确预测水工瓦斯隧道煤与瓦斯突出的危险性。实验证明：钻屑瓦斯解吸指数K1指标法和煤岩电磁辐射指标法在预测结果上具有很好的相关性。研究成果成功应用于北干渠1标水打桥瓦斯隧道的开挖工作，并顺利实现了30m的安全开挖。