芜湖城南地区矿山隧道浅层气灾害勘察结构分析及治理措施

马杨敏，王成玲，石芳婷

（1.安徽省化工地质勘察总院，安徽 马鞍山 243000；2.北京长城电子工程技术有限公司，北京 100195；3.马鞍山中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽 马鞍山 243000）

1 工程简介

芜湖城南过江矿山隧道是安徽省发改委在长江干流桥梁（隧道）布局规划中确定的一条矿产隧道运输路网过江通道，主要连接芜湖市城南主城区和无为市。该项目路线起于江北二坝镇，向东南跨越长江。本次矿山隧道工程专项勘察主要为盾构段的第四系覆盖层（如图1所示），其中左线里程范围为ZK5+520～ZK6+395、右线里程范围为YK5+500～YK6+404。

图1 代表性工程地质纵断图

2 地层岩性

据详细勘察报告揭示，矿山隧道场区覆盖层上而下可分为5个大层，共8个亚层。主要为流塑淤泥质粉质粘土（Q4al）、软塑-可塑粉质黏土（Q4al）、粉土（Q4al）和砂（Q4al）等，典型地质纵断面如图2所示，均为全新统冲洪积地层。在详细勘察过程中现场部分静力触探孔揭示出浅层气，为确保矿山隧道工程的顺利建设，开展了此次浅层气专项勘察。

3 矿山隧道内浅层气体勘察方法

本次矿山隧道内勘察采用“地下浅层探测仪”（图2）进行浅层地质结构压力测试，顶、底板埋深测定及气体流量大小的测定。主要操作步骤有静压、上拔（间隔0.5m拔一次）、检测、测压和采气，必要时在上拔之后进行一次吹气（0.7MPa压力）过程。顶底板埋深测定采用静压设备探杆压入法，通过查看气体有无溢出情况来判断顶底板埋深。

图2 矿山隧道内浅层气体勘探测试仪示意图

实际流量结果根据如下公式测定。

式中：PN,TN,ρN一空气在标准状态下的绝对压力、绝对温度、密度；PS,TS,ρSN一被测气体的绝对压力、绝对温度、密度；QN,ZSN,ZS一被测气体流量计读数、标准状态下的压缩系数、被测气体在PS,TS时的压缩系数。

4 矿山隧道内浅层气体勘察成果分析

（1）矿山隧道内浅层气体测试结果。本文矿山隧道内浅层气体勘察外业共完成勘探孔69个，其中13个孔揭示出浅层气，绝大部分浅层气体气量小、气压低。综合分析压力测试结果得出：实测最大中心峰值压力为0.10MPa，其理论峰值压力0.18Mpa。综合分析隧道气体流量测试结果得出：实测流量范围为14.3L/min～33.7L/min。通过不同孔位探杆上拔至同一层位的矿层时，根据探杆顶口井喷的强烈程度与井喷持续时间，可以判定隧道浅层气体是呈团块状或透镜体状。本文通过现场所采集的气样品，由中科学兰州油气资源研究中心对样品进行了气体成分测定试验。

（2）隧道矿层中生气层及储气层。通过现场测试：当探杆上拔至（2）1淤泥质粉质黏土（Q4al）层时，井喷现象居多，得出本区间的（2）1层淤泥质粉质黏土（Q4al）层为浅层气生气层。通过分析本次浅层气专项勘察资料并对比详勘地层后可以得出：该区域浅层气主要储气层为（2）1层淤泥质粉质黏土（Q4al）层中的粉土（Q4al）、粉砂（Q4al）夹层和（3）粉土（Q4al）层。

（32）含气层顶板、底板埋深及厚度。通过现场测试：隧道内盾构沿线含气层的顶板平均埋深约19.1m，其中QC20号探孔含气层顶板埋深最浅，在隧道顶板底面以下6.0m；QC5和QC6号探孔含气层顶板埋深最深，在顶板底面以下25m。含气层底板的平均埋深约22.1m，QC20号探孔含气层底板埋深最浅，在水底面以下7.0m；QC5与QC6号探孔含气层底板埋深最深，在水底面以下约29m。

5 矿山隧道浅层气体防治对策

当在外部因素下作用对浅层气体进行突发性释放时，含气矿层会大范围的挠动，严重时造成上覆或下卧地层扰动。引起的地基不均匀沉降，诱发管片结构的严重变形，甚至断裂损坏。更严重的是当达到5%～15%时，由于达到爆炸极限，遇明火将发生剧烈爆炸。解决矿山隧道工程施工过程中，浅层气体的突发性释放对工程造成的影响，最有效的防治措施是提前控制性放气。

（1）排气时间与设备。目前国内对于第四系浅埋隧道内含气体矿层采取的有控释放，是为了降低隧道施工风险主要措施之一，但其释放时间要结合矿层、浅层气体分布以及施工方法的特点来确定。根据国内类似工程经验，有控释放时间建议在矿山隧道内推进前2～3月内进行。

由于钻孔孔径太大及泥浆护壁，易造成孔壁坍塌和不利浅层气体的排放，建议采用静压排气。静压设备中通过安装各种截止阀、减压阀以及压力表，可以控制放气流量，大大降低对周围矿层的破坏。

（2）排气控制原则。有控放气注重“均衡放气”，即浅层气体释放的速率不产生，对放气孔周围矿层的较大拢动，以不带出泥砂为控制标准，释放过程注重压力的动态平衡。

（3）排气孔布置及排气顺序。排气孔布置原则：盾构外侧结构线30m～50m范围，深度控制在矿山隧道结构线下5m～10.0m或气囊底板下10m范围内；隧道内盾构范围内结构线外侧3m左右处，各布置2排（呈梅花型）放气孔，放气孔平行对称布置，孔间距一般为15m～20m。

（4）单孔放气施工步骤。组织排气施工前，核对孔位的矿层与该孔浅层气体埋置的顶板深度、压力。排气施工中将探杆静压至含气层内部，利用含气层与探杆内的压差，通过探杆使气体逐渐释放出来。整个放气过程中，可通过闸阀实施控制性放气，观察气压状态，控制好放气流量，连续记录有关参数。

6 结论与建议

（1）结论。本文通过利用静力触探改造探测仪对矿山隧道浅层气体进行专项勘察，查明了浅层气体的空间分布规律，气体成份组成、气压及流量特征，生气与储气特征。浅层气体中主要成分为甲烷（CH4），其次为氮气（N2）、氧气（O2）和二氧化碳（CO2），还有一些微量的氩（Ar）。实测最大中心峰值压力为0.10MPa，其理论峰值压力0.18Mpa；实测流量范围为14.3L/min～33.7L/min。本文通过分析得出隧道内浅层气体的生气层与储气层。

（2）建议。建议浅层矿山隧道区域的管片采用抗渗标准高的混凝土制作，并设立隧道浅层气体专职监测人员，动态检测盾构推进过程中隧道内的浅层气体浓度，必要时可在盾构机前端采用探测设备。矿山隧道内盾构内应采用通风设备并保持空气流畅，使隧道内作业场所浅层气浓度小于1.0%。