瓦斯隧道工程地质特征分析及涌出量预测

纪云静

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳110006）

煤层地层常常赋存着数量不等的有害气体，比如瓦斯等易燃气体等，隧洞工程在穿越煤层地层时，不可避免地引起瓦斯释放，给隧道施工造成隐患，特别是钻爆法施工隧道中，往往涉及用电、明火使用，瓦斯在一定浓度条件下点燃造成爆炸， 严重影响着隧道的施工人员安全［1-5］。 因此，在施工时探明掌子面前方瓦斯的赋存情况， 并预测瓦斯涌出的可能性和估算瓦斯涌出量，具有十分重要的作用［6］。 本文依托柴河水库供水隧洞工程， 在分析瓦斯隧道工程地质特征的基础上，采用多种测试方法，获取可靠的隧洞瓦斯基础参数，并对瓦斯涌出量进行理论计算，以评估瓦斯对隧道掘进的工程影响。

1 工程概况

柴河水库供水隧洞工程位于沈阳市沈北新区清水台街道和马刚街道， 隧洞起止里程S28+550～S42+554，全长14004m。全部采用钻爆方式开挖。2～4#主洞段上游起止里程S34+213～S36+252， 总长2039m，截止2018年1月12日，隧道拱架支护过程中，电焊火花引燃少量可燃气体，导致隧道停止施工，上游掌子面里程S34+812，已开挖隧洞长1439m，剩余599m左右未开挖，需进一步查明有害气体赋存情况后，评估瓦斯对隧洞开挖的影响程度才能施工。 经掌子面小导管释放瓦斯并实测浓度为4.22%，如图1。

1.1 地层工程地质特征

隧洞穿越的地层岩性主要为白垩系下统九佛堂组（K1jf）地层和晚侏罗世侵入岩（α52（3））地层。 白垩系下统九佛堂组主要为粗砂岩、 粗砂岩夹粉砂岩、砾岩、粉砂岩、泥岩夹煤层、粉砂岩镜下及泥岩镜下；晚侏罗世侵入岩主要包括角砾熔岩、安山质凝灰岩。根据洞室开挖围岩情况和钻探揭露，岩性描述如下：

（1）粗砂岩：青灰色为主，碎屑结构，厚层状构造，层面倾角13°～30°，岩屑主要为长石、石英等，次圆状为主。节理发育，节理面平直粗糙，无填充，锈蚀严重；多为陡倾角，约75°。 岩芯多呈短柱状，局部受构造影响呈碎块状。

（2）粗砂岩夹粉砂岩：灰黑色，碎屑结构，薄层状构造，泥质胶结，层面倾角14°～43°，岩屑主要为长石、石英为主，含有少量有机质，次圆状为主。节理发育一般，节理面平直粗糙，无填充；多为陡倾角，约45°。 岩芯多呈短柱～长柱状。 岩体整体耐风化能力差，岩芯放置2～3d后，多沿层理面崩解。 层间夹有煤线厚度5～10cm。

（3）砾岩：青灰色，碎屑结构，厚层～巨厚层构造，砾石成分较为复杂，砾径约2～80mm，分选差，受构造影响，砾石边缘清晰度差。 节理不发育。 岩芯多呈短柱～长柱状。

（4）粉砂岩、泥岩夹煤层：灰黑色～黑色，薄层状构造，泥质胶结，层面倾角约10°～30°，局部夹有棱角状砾石。 节理发育一般，节理面平直光滑，多泥质填充或无填充，岩芯多为短柱～长柱状，局部较为破碎。层间夹有薄煤层及煤线。

（5）粉砂岩镜下：碎屑结构，层状构造。岩石主要由碎屑颗粒（含量约85%）和填隙物（含量15%）两部分组成。碎屑物分选较好，次圆状～棱角状，主要集中在0.02～0.2mm之间。 颗粒支撑类型主要为基底式胶结，杂基支撑。碎屑主要为石英，长石和岩屑组成。填隙物为钙质胶结物和杂基， 钙质胶结物成分为方解石，含量约5%，杂基主要为黏土矿物和细小碎屑颗粒，多发生绢云母化，含量约10%。

（6）泥岩镜下：泥质结构，发育层理，岩石中含有少量的碎屑颗粒，碎屑物分选较好，碎屑粒径较小，约在0.02～0.18 mm之间， 碎屑物主要为石英和长石组成；黏土矿物：呈泥状集合体产出，部分被钙质交代，矿物粒径较小，均匀分布，含量约90%；其他矿物粒径极小，均匀分布于黏土矿物中，含量约10%。

其中②层及④层为主要含煤线和煤层地层，根据岩芯统计，其分布高程和厚度如表1。

表1 钻孔揭露含煤系地层统计 单位：m

（7）角砾熔岩：灰黑色，角砾成分主要为长石粗砂岩，砾径10～100mm，分选差，多为棱角状，胶结边界受构造影响钝化。 节理发育一般， 节理面平直粗糙，无填充，倾角约75°。岩芯多呈短柱～长柱状。局部夹2～5cm煤线。

（8）安山质凝灰岩：灰绿色，凝灰质结构，块状构造；节理发育一般，陡倾角为主，节理面平直粗糙，无填充，锈蚀严重；岩芯多呈短柱～柱状。

1.2 地质构造

根据测绘及钻探情况， 洞室部位里程S34+700～S34+770段为断层带；断层走向为北东向，倾向南东，倾角约60°，属新华夏正断层；断层厚度约10 m。 断层上盘为晚侏罗世侵入岩（α52（3））体；下盘为白垩系下统九佛堂组（K1jf）地层；受断层拉拽影响，钻孔CSK1和CSK2同一对应地层高差约15 m。 断层物质多以糜棱岩化砂岩为主。 其中CSK2钻孔29.6～50.3 m局部夹有厚约50cm的断层泥。 断层及其影响带岩芯破碎多为碎块状。

2 隧洞瓦斯测试基础参数

预估隧洞瓦斯的赋存量是评估隧洞开挖安全等级的重要前提， 获取预估瓦斯涌出量的基础参数成为岩土工程勘察阶段的重要内容［7］。 隧洞瓦斯的赋存量与煤层的组成成份具有直接关系， 其中煤样的灰分和挥发分是表明煤样自燃倾向的重要物理参数，是煤样可燃成份与不可燃成份比例的重要指示，挥发分的多少直接关系到煤样的瓦斯释放能力，通过室内试验可知，隧道内煤样灰分小于80%，而挥发分在10%左右，如表2。

表2 煤样的成份测试成果

隧洞上游里程S34+812处CSK1钻孔所采集的煤样进行煤层瓦斯解吸量的现场测试、 损失量的推算及实验室残存量的测定，得到了CSK1 钻孔煤层瓦斯含量，具体成果数据如表3。

表3 煤层瓦斯含量

在上游里程S34+812中采取煤系地层样品2组，进行瓦斯放散初速度ΔP值的测定，测定结果表明，其瓦斯放散初速度ΔP值分别为2.9，3.2。 采用负压采样器对隧洞上游掌子面上中部和右上部进行气样采集，进行气体组分测定，结果如表4。

表4 煤层气体浓度分析

表4

3 预测及危害评估

3.1 隧洞瓦斯涌出量预测

根据勘察成果及基础数据， 按照TB 10120—2002《铁路瓦斯隧洞技术规范》独头坑道瓦斯涌出量公式进行计算［8-9］：

式中 q1为掌子面由于煤块暴露释放瓦斯涌出量（m3/min）；q2为新鲜开挖断面引起瓦斯涌出量（m3/min）；q3为喷射混凝土后隧洞瓦斯涌出量（m3/min）。 其中，可按式（2）计算：

式中 Va为每日开挖各循环爆落煤块总体积（m3）；本研究根据设计提供开挖断面及勘察揭露煤层分布情况取4m3（其中每日按开挖2m计算，洞室断面上煤层厚度取0.4m，洞径取5.2m，下同）；ρ为煤样密度，取1.3t/m3；W为单位吨重煤样释放瓦斯量（m3/t），即原煤瓦斯含量与煤样中残存瓦斯量之差，根据勘测提供基础数据得：W=W0-W′0=2.51-1.113=1.397（m3/t）。

为新鲜开挖断面引起瓦斯涌出量， 可按式（3）计算：

式中 A为每日新鲜开挖煤层面积（m2），本次根据设计提供开挖断面及勘察揭露煤层分布情况， 每日按开挖2m计算，取值为3.6m2；Q0为每分钟每单位开挖新鲜煤层面积内瓦斯的逸出初始强度，Q0=0.026W0［0.0004（Vr）2+0.16］=0.026×2.51×（0.0004×11.322+0.16）=0.0138 （m3·m-2min-1），Vr为 煤 层 挥 发 份 （%），取11.32；f（t）为瓦斯涌出量随时间的衰减函数，f（t）=e-αt=e-0.0496×0.5=0.9755，α 为 衰 减 系 数，α=0.0047λ+0.0026=0.0047λ×10.0+0.0026=0.0496（d-1），λ为煤层的气体渗透系数，参照《煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册》中统计数据，根据钻孔揭露洞室部位煤层，节理裂隙发育，多为碎块状等状态，其煤层透气性较好，综合考虑取10.0（m2·MPa-1·d-1）；t为新鲜开挖煤层面积的曝露时间，按规范可取0.5 d。

q3为喷射混凝土后隧洞瓦斯涌出量， 可按照式（4）计算：

式中 V为每日开挖进尺，取2m；S为断面周长取13.5m；K为喷射混凝土层的瓦斯渗透系数，本次按普通混凝土取6×10-10m/min；P2为隧洞内大气压强，按0.1MPa取值；ρa为瓦斯的密度， 取0.716kg/m3；Δ 为混凝土的喷射厚度， 本次取为0.15m；P0为瓦斯初始压力，根据掌子面瓦斯逸出情况、钻探过程孔口中无瓦斯气体溢出、洞室部位煤层埋深较浅（80m左右）、上覆岩体受断层影响完整性差及勘测数据， 原煤瓦斯含量为1.46～2.51m3/t，瓦斯含量较小。另根据《煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册》，表明洞室部煤层位于瓦斯风化带中， 一般瓦斯风化带中瓦斯初始压力为0.15～0.20MPa， 结合上述资料和工程安全综合考虑本次瓦斯初始压力取0.3MPa。 α1为喷射混凝土支护地段瓦斯压力衰减系数，取0.025；n为坑道内煤巷与半煤半岩巷长度L（考虑已经开挖喷护段逸出，本次采用长度100m）除以每日进尺V，取50。

隧洞瓦斯涌出量：q=q1+q2+q3=0.005+0.048+0.0838=0.1368（m3/min）。

3.2 瓦斯对隧道工程危害评估

隧道瓦斯涌出是一种极其复杂的地质动力现象， 受多种因素的影响， 具有不确定性和非线性特征。由于探测的局限性和瓦斯地质条件的复杂性，洞室部位主要为灰黑色～黑色粉砂岩、 泥岩夹煤层，除煤层煤线外，粉砂岩、泥岩同样含有少量黑色有机质成分，本文对隧洞瓦斯量进行了数学模型，不排除在局部储盖组合良好的区域存在煤层瓦斯赋存条件急剧变化的可能， 此区域极易形成瓦斯包或气囊。 因此，考虑工程安全等因素，建议在施工过程中，瓦斯绝对涌出量取为0.27m3/min，并加强超前探测，实时监测掌子面瓦斯涌出量。

根据按照TB10120—2002《铁路瓦斯隧洞技术规范》，瓦斯绝对涌出量0.27m3/min＜0.5m3/min；隧洞属于低瓦斯隧洞，工区属于低瓦斯工区。由测试成果可知，吨煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯压力为0.3 MPa；地段等级属二级。 瓦斯放散初速度ΔP为2.9～3.2，无瓦斯突出危险。

4 结语

（1）根据洞室开挖围岩情况和钻探揭露，隧洞工区煤线和煤层主要位于粗砂岩夹粉砂岩和粉砂岩、泥岩夹煤层，CSK1钻孔揭示最大煤层段长1.1m，平均段长0.46m；CSK2钻孔揭示最大煤层段长0.6m， 平均段长0.28m。

（2）隧道内的煤样灰分小于80%，而挥发分在10%左右， 由测试成果可知吨煤瓦斯含量1.46～2.51m3/t，均大于0.5m3/t；瓦斯压力0.3MPa；地段等级属二级。瓦斯放散初速度ΔP为2.9～3.2，无瓦斯突出危险。 综合判定隧洞属于低瓦斯隧洞，工区属于低瓦斯工区。

（3）隧道瓦斯涌出是一种极其复杂的地质动力现象， 受多种因素影响， 具有不确定性和非线性特征。由于探测局限性和瓦斯地质条件复杂性，本文对隧洞瓦斯量进行了数学模型， 不排除在局部储盖组合良好的区域存在煤层瓦斯赋存条件急剧变化的可能，此区域极易形成瓦斯包或气囊。 因此，建议在施工过程中，瓦斯绝对涌出量取0.27m3/min，并加强超前探测，实时监测掌子面瓦斯涌出量。