夹岩水利工程瓦斯突出隧洞综合防突技术研究

任明武

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 520001)

0 引言

当前国民经济的高速发展对水资源的需求越来越高，国内的大型水利工程建设也逐渐增多，在建设过程中会穿越不同的地质构造，面临很多复杂的工程难题，瓦斯突出隧洞就是其中的一种。瓦斯突出隧洞具有安全风险高、施工技术难度大的特点，往往会成为一个工程项目的重难点和控制性工程，因而对于瓦斯突出隧洞的防突技术研究就成了许多工程人员及学者的重点领域。

文献[1-2]以公路瓦斯隧道为例，开展了瓦斯隧道施工技术试验并取得了较好的效果；杨正东[3]以贵州某隧道为例，介绍了在大断面公路隧道中采用以区域穿层钻孔预抽煤层瓦斯为主的区域防突技术措施；文献[4-5]从超前地质预报、瓦斯监测、施工通风、安全管理、信息化管理以及瓦斯抽采与引排等方面探讨了瓦斯隧道的施工技术及重难点；文献[6-8]以渝黔铁路天坪隧道为例，详细介绍了穿层网格式瓦斯集中抽排技术在铁路瓦斯隧道中的应用；渝黔铁路新凉风垭隧道[9-11]采用水力压裂增透技术，同时采取多煤层集中抽采结合下导坑自然排放的瓦斯抽排方案，不仅减少了钻孔数量，而且缩短了瓦斯抽排时间，取得了很好的抽排效果；吴璋[12]以四川龙滩煤矿矿井回风石门的高瓦斯段治理为例，介绍了管棚帷幕高压注浆(孔口压力5MPa)方法在高瓦斯治理中的应用，灌浆封闭后钻孔完全无瓦斯溢出，但治理时间很长；玉京山隧道[13]通过方案比选，采用双风机独头压入式通风，在平行导坑轮廓线左侧设置钻场，采取平行导坑与正洞煤层瓦斯整体一次抽放，取得了很好的效果，并对抽放参数进行了详细说明。

上述文献中的瓦斯隧道防突技术措施均为公路、铁路或煤矿中采用的，由于水利工程的隧洞往往具有造价低、工期紧、断面小的特点，因此很多在公路、铁路和煤矿上适用的瓦斯突出防治技术措施并不一定适用于水利工程瓦斯突出隧洞的治理。杨汉铭等[14]对水利工程瓦斯突出隧洞的瓦斯抽放工艺进行了相关研究，但因其抽排设计参数与施工工艺并未完全考虑现场实际，方案还不够完善和合理，实际应用效果不理想，瓦斯治理时间较长。根据水打桥隧洞进口瓦斯突出洞段的防突治理实践，从施工通风、钻孔及灌浆工艺流程优化、瓦斯抽排及效果检验方案优化等方面对水利工程瓦斯突出洞段的综合防突技术措施进行了认真分析研究和总结，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程是国务院纳入规划建设的172项重大水利工程之一，也是贵州省水利建设“三大会战”的龙头项目。水打桥隧洞为其灌区骨干输水工程的一部分，隧洞全长约 20.36km，开挖半径为3.5m，初期支护及二衬后半径为2.7m，是夹岩水利工程中长度最长的隧洞。水打桥隧洞进口为高瓦斯隧洞且在K1+410掌子面发生过煤与瓦斯突出，幸无人员伤亡。该隧洞施工安全风险高、施工技术难度大、施工工序繁琐，加之设计及施工方案还处于试验完善阶段，导致施工进度缓慢，而水打桥隧洞进口段为整个灌区骨干输水工程的关键性控制工程，其施工进度直接关系到整个工程的通水时间。因而在施工过程中不断做好设计及施工方案的优化完善工作，在保证安全和质量的前提下尽可能加快工程施工进度就成为了工程管理工作的重中之重。

1.2 工程难点及重点

1)隧洞穿越的6中煤层为中厚煤层，隧洞轴线与煤层斜交且倾角较小，导致隧洞穿煤距离较长。

2)煤层瓦斯含量高、压力较大、煤质较软，存在较高的煤与瓦斯突出风险。

3)工期紧，进度压力大

4)参建各方参与高瓦斯隧洞建设的经验不足。

2 工程地质条件

瓦斯突出情况发生后，设计单位立即开展了地质补勘工作，经钻孔取样测得6中煤层瓦斯含量最低值为12.254 4m3/t，最高值为 14.774 8m3/t；同时通过补勘得知K1+600之前为龙潭组(P31)煤系地层段，其中K1+520之前为6中煤层分布位置，在此区段内的煤层最厚处，隧洞将完全从煤层中穿过；K1+520—K1+600段岩性为砂岩夹灰黑色页岩及薄煤层，赋存瓦斯，为高瓦斯段；K1+600—K1+800为非煤系地层段。同时委托有煤矿专业资质的科研院所对K1+410 掌子面揭露的 6 中煤层开展了煤与瓦斯突出危险性鉴定，并出具了鉴定报告，结论如下：水打桥隧洞穿越的6中煤层为具有煤与瓦斯突出危险煤层，穿越6中煤层的洞段为煤与瓦斯突出隧洞。6 中煤层突出危险性4个单项指标测定结果如表1所示。

表1 单项指标测定结果

3 瓦斯抽排

3.1 瓦斯抽排方案制定

煤与瓦斯突出情况发生后，在建设单位的组织领导下，参建各方积极开始进行专项方案的设计工作。期间方案多次经过专家评审和论证，最后结合本工程的实际特点，综合考虑施工安全、工期、投资等因素，决定采取“瓦斯抽排与灌浆封堵相结合、分段多循环、强初支、勤监测”的综合防突治理方案。具体技术要求及施工工艺如下。

1)以25m作为1个循环，即开挖25m，预留10m作为下一个循环的保护段。第1循环(以K1+410掌子面为起点)设计共布置29个钻孔，其中瓦斯抽排孔5个，灌浆孔25个，效果检验孔4个(见图1)。钻孔采用ZDY1250型煤矿用全液压坑道钻机，孔径为76mm。将掌子面中心灌浆孔④和部分灌浆孔②前期也用做瓦斯抽排孔，灌浆孔②利用4个孔，隔孔利用，抽排深度与灌浆深度相同，瓦斯抽排采用2BEA303型水环式真空泵。

图1 K1+410掌子面设计布孔

2)先施作1m厚C20混凝土止浆墙封闭掌子面，然后对外序②，③序孔进行造孔施工，造孔完成后再通过抽排孔进行瓦斯抽排，抽排过程中要经常对孔内瓦斯浓度进行测定，当瓦斯浓度都低于10%或瓦斯压力低于0.2MPa时，即可结束隧洞开挖轮廓线外围的瓦斯抽排，开始进行灌浆施工，达到对外围瓦斯进行封闭的目的。

3)当②，③序灌浆孔的灌浆完成后，再进行内序①，④序孔的造孔施工，造孔完成后再进行瓦斯抽排，即对掌子面中心的④序孔进行瓦斯抽排，当抽排后孔内瓦斯浓度低于10%或瓦斯压力低于0.2MPa时，即可结束隧洞开挖轮廓线范围内的瓦斯抽排，然后对①，④序号灌浆孔进行灌浆施工，灌浆完成后再进行瓦斯抽排效果检验孔的造孔施工并开展效果检验工作，判定标准采用钻屑瓦斯解吸指标K1值达标和无瓦斯动力现象两个指标控制，只有当全部检测孔的两个指标都达标时才能进行下步开挖，同时在施工过程中一定要加强洞内的瓦斯监测工作。

3.2 瓦斯抽排方案改进和优化

第1循环因瓦斯抽排效果较差，期间多次增加抽排孔进行抽排，第三方检测单位先后进行了3次抽排效果检验，显示在距离掌子面20m以后如继续开挖仍有瓦斯突出风险，故只开挖及支护了20m，未达到设计预期效果。同时在效果检验孔造孔过程中，发现钻孔在20m之后有卡钻及瓦斯喷孔现象，说明抽排瓦斯及灌浆效果不明显。经分析发现主要原因有两方面：一是尽管设计布置的钻孔较多，但用于瓦斯抽排的钻孔很少，只有5个；二是由于钻孔太深，孔斜难以控制，钻孔在20m之后孔位偏差扩大，使瓦斯抽排及灌浆范围难以全部重合，造成部分瓦斯抽排孔瓦斯浓度不能收敛或收敛极慢，难以满足结束标准。因而将第2循环(以K1+430掌子面为起点)的开挖长度由原来的25m调整为20m，预留5m作为下一个循环的保护段，并对抽排孔、灌浆孔、效果检测孔的设计参数做了相应调整，如图2所示；造孔、抽排及灌浆施工顺序同第1循环一样。然而第2循环抽排效果仍然较差，期间多次增加抽排孔进行抽排，第三方检测单位先后进行了2次抽排效果检验，显示在距离掌子面12m以后如继续开挖仍有瓦斯突出风险，故只开挖及支护了12m。

图2 K1+430掌子面设计布孔示意

经分析发现第2循环未达到预期效果的原因有三方面：①用于瓦斯抽排的钻孔仍然偏少，仅9个孔；②随着隧洞进尺的增加，隧洞穿煤厚度逐渐增加，瓦斯含量也逐渐增高；③随着瓦斯抽排孔和灌浆孔孔深的增加，瓦斯抽排及灌浆效果会逐渐降低。同时经过煤矿行业的专家到场指导，发现尽管实际布置的钻孔较多，但是能针对突出煤层有效进行瓦斯抽采的钻孔数量并不多。第1,2循环在施工过程中都因抽排效果较差而多次增加抽排钻孔或对已经施工好的钻孔进行重新扫孔后作为抽排孔使用，且多次进行效果检验，不仅耽误了很长时间还没有达到预期的开挖进尺，证明瓦斯抽排技术方案还有待进一步改进和优化。

因而第3循环(以K1+442掌子面为起点)在进行抽排方案设计时将开挖长度调整为15m，预留5m作为下一个循环的保护段；在进一步增加瓦斯抽排孔数量的同时还对钻孔方位、角度和孔深进行了调整(见图3)，充分考虑钻孔角度与煤层的对应关系，使瓦斯抽排孔尽可能沿煤层走向布置；在钻孔过程中对瓦斯动力现象较多的钻孔，在其附近再增加1～2个抽排孔。钻孔按“②→①→③→④”的顺序实施，同时对抽排顺序进行了调整，不再分序抽排，而是待全部抽排孔施工完成后再将钻用抽排管埋入所有抽排孔进行集中抽排，以达到集中对煤层进行瓦斯抽排的目的，可以减少开挖控制范围内的瓦斯抽采空白带，抽排合格后再进行灌浆施工，达到既提高瓦斯抽排效率又降低煤与瓦斯突出危险性的目的；灌浆按“②→①→③”序孔的顺序实施；4个检验孔孔深仍为20m，位置由第三方检测单位现场指定。第3循环实际布孔47个(原设计37个，不包括效果检验孔，如图3所示)，尽管瓦斯含量越来越高，但因抽排效果较好，一次检验合格，开挖进尺15m，基本达到设计预期效果。第3循环顶钻、卡钻、喷孔等异常现象特别严重，但治理仍能一次达标，且施工进度明显提高，证明改进调整后的方案是有效的。

图3 K1+442掌子面设计布孔示意

通过第1～3循环方案实施效果分析发现瓦斯抽排孔过少、施工循环过长均达不到预期的瓦斯抽排效果和提高施工效率的目的，经过分析和比较，将后续每一循环施工长度调整为15m，同时进一步增加瓦斯抽排孔。优化后的掌子面布孔如图4所示、优化后的纵剖面如图5所示，具体施工工艺及要求如下。

图4 优化后的布孔示意

图5 优化后的纵剖面示意

1)先施作混凝土止浆墙封闭掌子面。

2)对掌子面设计的所有孔进行一次性钻孔。因钻机很重，不便于频繁移动，为节省造孔时间，加快施工进度，经分析发现只要在洞内通风量有保证的情况下，钻孔可不分序。因而决定造孔不分孔序，从掌子面下部开始向上部对设计的瓦斯抽排孔、灌浆孔(共24个)进行造孔施工，先造好的孔作为瓦斯自然排放孔使用；在钻孔过程中遇见瓦斯动力现象较多的孔时，可在其附近再增加3个瓦斯抽排孔，增加的瓦斯抽排孔位置以异常孔为中心，间距0.5～0.8m，三角形布置，孔深和孔斜同异常孔一样。

3)当所有抽排孔、灌浆孔都造孔完成后，选择不少于30个孔作为瓦斯抽排孔对瓦斯进行一次性集中抽排；要将造孔过程中存在瓦斯动力现象的钻孔和造孔结束后孔内瓦斯浓度较高的钻孔都作为瓦斯抽排孔进行集中抽排。

4)当所有抽排孔孔内的瓦斯浓度都低于10%时才可结束瓦斯抽排(因测定抽排后的孔内瓦斯压力需要重新封孔，施工工序比较繁琐，耗时较长，且效果并不好，经与设计单位沟通，从第3循环开始就不再采用测定孔内压力的方式)，开始进行灌浆施工，灌浆按“③→②→①”的顺序实施，灌浆压力按1.5MPa控制，水灰比采用 2∶1，1∶1和0.5∶1(先灌稀浆，后灌浓浆)，灌浆结束标准为注入率不大于 1L/min后继续灌注30min。

5)按设计要求进行抽排并灌浆完成后，再由第三方检测单位布孔开展瓦斯抽排效果检验；为了确保施工安全，对钻孔过程中出现瓦斯动力现象较多的部位应增加效果检验孔，故检验孔数量应在4个以上，孔深仍为20m。合格判定标准不变，只有当全部检验孔都达标时才能进行下步开挖，否则应在检测不合格的孔附近增加瓦斯抽排孔进行抽排，当新增加的瓦斯抽排孔都达标时，再重新施作效果检验孔进行抽排效果检验，直至合格为止。

6)在实际施工过程中要根据煤层分布、走向及瓦斯情况进行孔位及角度调整或将更多的灌浆孔先作抽排孔使用后再进行灌浆施工。

4 其他辅助措施

4.1 加强施工通风

经过计算前期采用(2×110+2×75)kW轴流通风机匹配2根双抗风管进行压入式通风，随着向前开挖掘进过程中煤层厚度逐渐增大，瓦斯含量也逐渐增高，为了增强通风效果，确保施工安全，2019年8月17日将原配置通风机换成2×110kW。同时为防止局部瓦斯聚集，在每个避车洞位置均安置了YBT-5.5kW矿用隔爆型轴流式局部通风机进行通风，并安排专人对通风设备进行管理，认真开展通风设备及风管的检修维护，定期对洞内的风速、风量等进行测试，确保洞内通风满足要求，使施工现场安全始终处于可控状态。

4.2 加强现场组织管控

1)建设单位、设计单位、监理单位和施工单位分别成立了瓦斯隧洞施工全过程动态管理小组，由各自单位的主要领导任组长、分管领导和现场主要负责人任副组长，负责瓦斯突出隧洞施工期间的领导、组织实施与应急处置等全部工作。

2)在洞口、掌子面、避车洞和回风巷等位置安装瓦斯探头16个，购置光感式瓦斯检测仪3台(1台备用)，并用电缆串联至洞口值班室主机，与显示屏相连，构建瓦斯浓度超标智能报警系统(超过0.5%自动报警，超过0.75%自动断电)，采取人工检测与智能式瓦斯检测系统互相校核进行双控；同时构建了风电闭锁系统。

3)对进洞人员严格实行实名制管理，严格控制进洞人数不超过9人，禁止携带手机、打火机及身穿化纤类衣服的人员进洞，所有人员进洞前必须触摸静电释放桩；配备专业瓦斯监测员2名，实行洞内24h跟班作业，严格执行“一炮三检”制；隧洞内拍照必须使用防爆相机，其他非防爆拍照设备禁止带入洞内；对洞口周边加设全封闭围栏，在除施工人员及车辆进出之外的时间将进洞大门关闭，防止无关人员进入洞内，从而减少安全隐患。

4.3 加强全过程技术咨询

为了在施工过程中更好地指导施工、优化施工方案和确保施工安全，多次邀请安全专家和煤矿行业的专家进行方案咨询和现场技术指导，不断对设计和施工方案进行优化完善。

建设单位还与有煤矿专业资质的科研院校签订了技术咨询合同，委托其对水打桥隧洞K1+410掌子面后每一循环施工开展煤与瓦斯突出危险性鉴定，并出具鉴定报告，以指导现场施工。施工项目部也与多家有煤矿专业资质的企业和科研院所签订了技术咨询合同，聘请瓦斯专家开展全过程技术咨询，并聘请了1名具有煤矿瓦斯隧洞施工经验的专家常驻现场，全程跟踪、指导现场施工。

与附近的专业矿山救援队签订救援协议，并邀请专业救援人员现场开展应急避险与救援培训，并定期开展联合应急演练，做到常备不懈，为现场的安全生产和救援提供可靠保障。

5 结语

水打桥隧洞进口瓦斯突出洞段自恢复施工以来，因各项防突治理技术措施落实到位，未发生安全事故，尤其是在施工过程中通过对设计方案和施工方案的不断改进和优化，至第4循环方案已基本趋于完善，加之各工序的衔接更加顺畅，尽管瓦斯含量越来越高，但施工进度较之前却明显提高，实践证明改进和优化后的防突治理方案效果很好。通过水打桥隧洞进口瓦斯突出洞段防突治理的成功实践，取得以下经验。

1)在工程项目管理中，建设单位要充分发挥好主导作用，通过加强建设单位在工程建设中的管理，尤其是在遇见重大工程技术难题时，要积极调动参建各方的主动性，共同推进重大技术方案的制定、完善和落实，可以确保工程安全、质量、进度和投资目标的实现。

2)采用2台(2×110+2×110)kW轴流风机匹配2根双抗风管进行压入式通风，使洞内通风量有充分保证，为钻孔施工不再分序和所有孔全部钻孔完成后再集中进行整体一次抽排创造了条件，避免了频繁移动钻机进行造孔施工，节省了大量造孔和抽排时间。

3)通过增加或局部加密瓦斯抽排孔，使瓦斯抽排孔尽可能沿煤层走向布置，并采取集中整体一次抽排，提高了瓦斯抽排效果，避免了每一循环多次重复造孔、抽排和检验，使得施工进度明显提高。

尽管水打桥隧洞瓦斯突出洞段的建设管理取得了较好的效果，但仍有值得改进的地方：应将BIM技术运用到隧洞的全过程项目管理中，以实现不同单位、不同部门间的多方协同工作，可以使施工组织和建设管理的效率得到进一步提高；同时瓦斯抽排孔的孔位布置、方位及抽排孔数量仍需优化，要结合掌子面揭露的煤层走向、分布及瓦斯含量，同时结合超前地质预报探明的地质情况，尽可能一次性将所有瓦斯抽排孔布设到位，避免出现瓦斯抽排真空区，减少重复造孔、抽排和检验的工程量。