探煤专项方案及揭煤防突预案分析

吴建标

（中铁十二局第三工程有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

高坡隧道全长7939m，我单位承担进口端4568m的施工任务，其中高坡隧道1#横洞工区为低瓦斯工区，承担正洞施工任务1789m；高坡隧道2#横洞工区为高瓦斯工区，承担施工任务为：正洞2779m，平导及横通道2977.56m，横洞440m。

该隧区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带，地质构造复杂。断裂褶曲均比较发育，地层岩体破碎，以东西向构造为主，线路多大角度穿越构造线。隧道在区域上位于三眼井向斜北部翘起端，次一级断裂，褶曲相当发育。

2 探煤专项方案

2.1 超前地质预报设计概况

主要预报方法为地质调查法、物探法、超前探钻法、超前导坑法。隧道穿越含煤地层段，超前地质预报以超前钻探为主。超前钻探法主要采用加深炮孔探测和超前钻孔探测的方法。

其中，对穿越煤层段超前钻探的目的：

a.前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育情况探测。b.煤层分布、厚度、倾角及走向，煤的破坏类型探测。c.前方岩体瓦斯赋存及瓦斯压力探测。d.瓦斯涌出预测及涌出初速度测试。

超前探孔具体要求：在距煤层法线距离30m或进入高瓦斯段开始，进行超前钻孔探测；距离煤层法线距离10m，进行突出危险性预测。前探钻孔长度按穿透煤层顶底板不小于5m考虑，并且搭接长度不应小于5m。根据前探钻孔情况，确定进行突危险性预测的合理掌子面位置。

2.2 垂直煤层探测

进入2#横洞工区范围后，根据设计煤层倾角首先进行一个与煤层接近垂直的钻孔，钻孔直径65mm，钻孔倾角约79°，预计钻孔长度35m，以后每隔20m进行一次，直至探测到煤层。垂直煤层钻孔示意图如图1。

图1 垂直煤层钻孔示意图

2.3 加深炮孔

加深炮孔在高坡隧道全段落实施，布孔方式根据《关于进一步加强高风险隧道超前地质预报工作要求的通知》 (成贵毕节指函 [2015]83号)文的相关要求，布置在隧道开挖轮廓线周边范围（原则上不大于40cm），外插角按20～30度控制；隧道底部加深炮孔（超长炮孔）位置距离隧道轨顶不大于40cm，俯角不小于30度；孔深应较爆破孔（或循环进尺）深2m以上。风钻在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息，平导每断面均匀选取5孔，正洞可根据实际情况增加，孔深不小于5m。加深炮眼施工时做好记录，记录内容为：钻进速度是否均匀，卡钻情况、及对应钻孔深度；眼孔出水情况，出水对应钻眼深度，水流色泽、流量；眼孔是否有气泡溢出、气泡溢出情况描述；碴样色泽、碴屑是否含泥或其它杂质，碴屑杂质情况描述，来探测前方围岩的地质情况。平导加深炮孔布置如图2、正洞加深炮孔布置如图3所示。

图2 平导加深炮眼布置示意图

图3 正洞加深炮眼布置示意图

3 煤与瓦斯突出危险性预测的指标及方法

3.1 预测方法

依据《铁路瓦斯隧道技术规范》 (TB10120-2002)之6.2.2规定“瓦斯突出危险性预测应从以下五种方法中选用两种方法，相互验证。石门揭煤可采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法，对于煤巷掘进宜采用钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法或‘R’指标法。”

1） 瓦斯压力法；2） 综合指标法；3） 钻屑指标法；4）钻孔瓦斯涌出初速度法；5）“R”指标法。

本次工作是进行煤与瓦斯突出危险性预测，属石门揭煤瓦斯突出危险性预测，同时参照隧道煤层赋存条件以及隧道施工技术条件，本次煤与瓦斯突出危险性预测采用以下四种方法作为主要预测指标。

1） 煤层瓦斯含量测定法；2） 瓦斯压力法；3） 综合指标法；4）钻屑指标法。

3.2 煤与瓦斯突出危险性预测指标测定

1）煤层瓦斯含量测定，首先向煤层施工取样钻孔，及时采取煤层新鲜煤样，然后装入煤样罐进行密封，在井下进行常压自然解吸，并测定瓦斯解吸速度，将解吸后的煤样罐送入地面实验室，进行粉碎前常压瓦斯解吸，之后进行粉碎常压瓦斯解吸，记录地面瓦斯解吸量；根据煤样瓦斯解吸模型、井下瓦斯解吸速度、采样损失事件计算取样过程中的瓦斯损失量；根据实验室工业分析、孔隙率等参数，计算常压不可解吸瓦斯含量；将常压解吸的瓦斯量校正后，与常压不可解吸瓦斯含量相加即为煤层瓦斯含量。

煤层瓦斯含量W可由下式进行计算：

式中：Wk—可解吸瓦斯量，cm3/g；

W1—井下解吸瓦斯量，cm3/g；

W2—损失瓦斯量，cm3/g；

W3—粉碎前瓦斯解吸量，cm3/g；

W4—粉碎后瓦斯解吸量，cm3/g；

Wb—常压不可解吸瓦斯量，cm3/g，Wb采用下式进行计算：

式中：Wb—常压不可解吸瓦斯量，cm3/g；

a，b—煤的吸附常数；

Ad—煤的灰分，%；

Mad—煤的水分，%；

F—煤的孔隙率，m3/m3；

γ—煤的容重（视密度），t/m3。

2）煤层瓦斯压力测定，瓦斯压力是标志煤层瓦斯赋存状态的一个重要参数。在研究矿井煤与瓦斯突出、瓦斯涌出、瓦斯抽采时，它是一个关键性的基础参数。瓦斯以游离和吸附状态赋存于煤的微孔隙和裂隙中。一般情况下，瓦斯压力越大，煤层瓦斯含量就越大，瓦斯压力与埋藏深度和局部构造应力等因素有关，与成煤年代、煤的变质程度无关；浅部瓦斯压力较小，随着开采深度的增加，瓦斯压力一般近似线性增加，在地质构造带，强大的构造应力作用可使煤体中的孔隙和裂隙变小，甚至闭合，瓦斯流通性大大减弱，瓦斯占据孔隙减小，出现局部瓦斯压力增高带；在一些开放性构造带，瓦斯运移使瓦斯压力减小，因而，瓦斯压力在煤层中将呈现与采深的线性相关性和局部的非均匀性。

煤层原始瓦斯压力的测定严格按国家安全生产行业标准的规定进行。采用注浆封孔，主动式测压法，采用N2罐补气，补气压力0.5MPa，每个钻孔补气时间为1h。瓦斯压力测定步骤如下：

准备测压器材，压力表：根据地质勘探测定的瓦斯压力值约为1MPa，选用量程为其1.5倍以上的压力表，本次用的压力表量程2.5MPa，精确到0.01MPa；测压管：本次测压管为φ8×2mm的紫铜管；注浆管：施工现场配备，选用φ16×2mm的无缝钢管；封孔材料：采用水泥、膨胀剂、速凝剂混合封孔，水灰比为 2∶1，水泥∶膨胀剂∶速凝剂=8∶1∶1，封孔深度为4m；生胶带：密封各测压管接头用；三通：连接测压管、氮气罐与压力表。；氮气罐：施工现场配备，压力0.5MPa。

布置测压钻孔，采用超前探测钻孔，封孔与补气

①封孔：进行测压设备安装并封孔，孔口2m左右采用锚固剂、木屑加速凝剂进行封孔，成型后进行注浆。注浆采用手持式注浆泵，待控浆管流出水泥浆液停止注浆，控浆管采用2m一根的无缝钢管连接，共2根4m。封孔长度4m，钻孔穿过煤层0.5m左右。封孔示意图如图4。

②补气：采用N2罐补气，补气压力0.5MPa，每个测压钻孔补气时间为1h。

图4测压封孔示意图

3）钻屑瓦斯解吸指标测定，钻孔取样同第2条，使用仪器为WTC型突出预测仪，测定时每钻进2m，取一次钻屑作解吸特征测定。取样时，应备好秒表、筛子，钻孔钻到预定深度时，用组合筛子在孔口接钻屑，同时启动秒表，一面取样，一面筛分，当钻屑量不少于100 g时，停止取样，并继续进行筛分，最后把已筛分好的φ1-3mm的煤样装入WTC仪器的煤样罐内，盖好煤样罐，准备测试。当秒表走到t。时（通常规定t。为1～2 min)，启动仪器采样键进行测定，经5 min后，当仪器显示t。时，用键盘输人to，按监控键，仪器显示Lo，输人Lo按监控键，仪器进行计算

4）平均坚固性系数f测定，测定步骤：①将捣碎筒放置在水泥地板或2cm厚的铁板上，放入试样一份，将2.4kg重锤提高到600mm高度，使其自由落下冲击试样，每份冲击3次，把5份捣碎后的试样装在同一容器中；②把每组 (5份)捣碎后的试样一起倒入孔径0.5mm分样筛中筛分，筛至不再漏下煤粉为止；③把筛下的粉末用漏斗装入计量筒内，轻轻敲打使之密实，然后轻轻插入具有刻度的活塞尺与筒内粉末面接触。在计量筒口相平处读取数L即粉末在计量筒内实际测量高度，读至毫米)。

当L≥30mm时，冲击次数n，即可定为3次，按以上步骤继续进行其他各组的测定。

当L＜30mm时，第一组试样作废，每份试样冲击次数n改为5次，按以上步骤进行冲击、筛分和测量，仍以每5份作一组，测定煤粉高度L。

坚固性系数的计算

坚固性系数按下式计算：

式中：f—坚固性系数；

n—每份试样冲击次数，次；

L—每组试样筛下煤粉的计量高度，mm。

测定平行样3组 (每组5份)，取算数平均值，计算结果取一位小数。

3.3 软煤坚固性系数的确定

如果取得的煤样粒度达不到测定f值所要求粒度 (20～30mm)，可采取粒度为1～3mm的煤样按上述要求进行测定，并按下式换算：

当 f1～3＞0.25 时，f=1.57f1～3-0.14

当 f1～3≤0.25 时，f=f1～3

式中：f1～3—粒度为1～3mm时煤样的坚固性系数。

5）放散初速度测定

测定步骤

①把2个试样用漏斗分别装入△P测定仪的2个试样瓶中；②启动真空泵对试样脱气1.5h；③脱气1.5h后关闭真空泵，将甲烷瓶与试样瓶连接，充气 (充气压力0.1MPa)使煤样吸附瓦斯1.5h；④关闭试样瓶和甲烷瓶阀门，使试样瓶与甲烷瓶隔离；⑤开动真空泵对仪器管道空间进行脱气，使U型管汞真空计两端汞面相平；⑥停止真空泵，关闭仪器空间通往真空泵的阀门，打开试样瓶的阀门，使煤样瓶与仪器被抽空的死空间相连并同时启动秒表计时，10s时关闭阀门，读出汞柱计两端汞柱差P1(mm)，45s时再打开阀门，60s时关闭阀门，再一次读出汞柱计两端差P2(mm)。

瓦斯放散初速度指标的计算

瓦斯放散初速度指标按下式计算：

同一煤样的两个试样测出△P值之差不应大于1，否则需要再重新进行测定。

4 揭煤施工

根据施工组织设计的要求，平导超前于正洞施工，因此先进行平导的揭煤工作。根据设计资料显示，该隧道揭露的煤层为近水平煤层，平导采用一次性全断面揭煤较困难，采用分段揭煤方法，在进行瓦斯排放措施并检验有效以后首先进行平导揭煤施工，先揭掌子面的下半段，再揭掌子面的上半段。

正洞采用上下台阶法进行揭煤施工，在进行瓦斯排放措施并检验有效以后进行正洞揭煤施工，先揭下台阶煤层，再揭上台阶煤层。

5 结语

隧道执行了两个“四位一体”的综合防突措施后，经效果检验为无突出危险工作面。正常情况下，掌子面是安全可靠的，但由于形成突出的因素随机性很大，还有可能由于施工水平、仪器误差、工作人员的知识水平、责任心等一系列因素，发生误判。为此，必须采取安全防护措施，其目的在于当突出预测失误，避免造成人员伤亡的一种措施，从而建立起防止突出事故的第二道保障线。