高瓦斯公路隧道穿越薄煤层群安全施工技术研究

戎有龙

（中交路桥南方工程有限公司，北京 101149）

0 引言

我国西南地区多为山区丘陵，且煤矿资源丰富，当隧道穿越煤系地层时，遇到含瓦斯煤层的情况不在少数［1］。在遭遇上述不良地质条件时，需要做出针对性的安全施工技术，以保障施工人员的生命安全及财产安全。如处理不慎，容易酿成瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等重大灾害事故［2］。文献［3 －5］表明，瓦斯爆炸事故导致的后果严重性与爆炸事故的频发性在瓦斯隧道施工事故中均居于首位。因此，隧道穿越煤层的安全施工技术是当前瓦斯隧道施工的主要研究方向之一。

近年来，针对公路隧道穿越煤层的安全施工技术，国内外学者开展了大量研究。蒋登学［6］以贵昆铁路六沾线为例，提出了微台阶法施工。姜德义［7］通过突出危险性研究，区分出突出危险区、突出威胁区、无突出威胁区，针对不同危险性作针对措施。徐文平［8］以发耳隧道为例，提出将揭煤防突措施分为区域综合防突措施和区域防突措施。梁卫国［9］针对公路隧道穿越煤层群、采空区的施工安全问题进行研究，阐明了高速公路隧道穿越煤层群和采空区时的瓦斯涌出规律。黄长国［10］提出将公路隧道揭煤工艺流程分为三个阶段：区域综合防突措施阶段、局部综合防突措施阶段和过煤门阶段。李栋［11］针对西南地区的瓦斯赋存特征和瓦斯隧道揭煤的特点，提出了包括超前地质综合预报、突出危险性预测、区域防突措施、局部防突措施和分部揭煤等的大断面瓦斯隧道揭煤防突体系。李文树［12］在前述研究基础上，在区域防突过程中加入了对煤层群分组水力压裂的增透方法，在预抽之前对煤层进行水力压裂增透技术，增加了煤层透气性，提高了瓦斯抽采效率。李栋［13］提出了多孔割缝定向水力压裂增透方法，研究出射流割缝导向系统装置，优化了割缝定向水力压裂技术中的射孔导向、钻孔布置、封孔及水力压裂等关键工艺参数。于海平［14］以天城坝隧道为例，分多轮次对煤层群进行瓦斯抽采治理，根据隧道大断面开挖的特点，指定了多台阶开挖方式。

由上述各学者研究可以看出，我国在瓦斯隧道穿越煤系地层的施工技术水平已经达到了一定的高度，但在高瓦斯公路穿越薄煤层群安全施工技术研究方面却鲜有成果。鉴于此，本文以兰海高速重庆至遵义段某高瓦斯公路隧道为工程依托，对高瓦斯公路穿越薄煤层群安全施工技术进行综合研究，为类似隧道穿越薄煤层群的安全施工技术提供参考。

1 工程概况

1．1 隧道情况

黄家沟隧道进口位于遵义市桐梓县松坎镇楠木村桷树组，出口位于遵义市桐梓县新站镇群英村。隧道施工总体为两端对向开挖掘进，隧道划定施工分界点（左洞ZK15+700、右洞YK15+675）。其中：出口端（左洞ZK15+335） ，出口端左洞长为2 635 m。右洞起讫桩号（YK15 +675 ～YK18 +315） ，出口端右洞长为2 640 m。设计出口端左洞2 635 m=2 235 m（非煤系地层） +220 m（煤系地层） +180 m（非煤系地层） 。目前，出口端左洞已开挖掘进2 264 m，已进入设计煤系地层为29 m。该隧道地质概况图如图1 所示。

图1 工程地质概况图

1．2 煤层群分布特征

依据地质超前探测钻孔设计图，施工单位在黄家沟隧道出口左幅掌子面（桩号ZK16 +071） 进行超前探测，共完成超前探测钻孔5 个，实际钻孔总进尺517．56 m（其中：1 号孔107．16 m、2 号孔102．6 m、3 号孔102．6 m、4 号孔102．6 m、5 号孔102．6 m） 。煤层群分布图如图2所示。

图2 煤层群分布图

根据超前钻孔结果推断，5 个超前探测钻孔，除了4 号探测钻孔（仰孔） 仅探测到2 层煤（含煤线） 外，其余的1 号，2 号，3 号，5 号钻均已探测到5 层煤（含煤线） 。通过钻孔和掌子面实际揭露的围岩，推测当前掌子面前方100 m（里程桩号ZK16 +075 ～ZK15 +975） 以泥质灰岩和碳质、泥岩为主，共含煤层6 层。其中M1 煤层真厚0．15 m，M2 煤层真厚0．19 m，M3 煤层真厚0．25 m，M4煤层真厚0． 1 m，M5 煤层真厚0． 26 m； M1 煤层视厚0．36 m，M2 煤层视厚0．30 m，M3 煤层视厚0．28 m，M4煤层视厚0．39 m，M5 煤层视厚0．45 m。该段岩层倾角20°左右，岩层与隧道轴线的夹角70°，初步判定煤层产状258°∠20°，为薄煤层群。煤层的视厚度、真厚度、层间距、推进平距离、预见煤桩号见表1。

表1 M1 ～M5 煤层参数特征

根据GB/T 23250—2009 煤层瓦斯含量井下直接测定方法，于掌子面处钻孔取样，现场测定瓦斯解吸量； 解吸完毕后，将该煤样送至具有相关资质机构测量瓦斯的残存量，检测结果表明，煤层群含最大瓦斯的量达到12 m3/t，大于瓦斯突出的临界值8 m3/t，有瓦斯突出风险。

2 穿越薄煤层群施工方案

2．1 施工准备

鉴于该隧道的地质情况及特征，根据《贵州省高速公路瓦斯隧道施工技术指南》及《瓦斯隧道设计与施工技术规范》，施工前需做好相关准备工作：

1） 施工前，对防水板铺设后及时施作二次衬砌并跟进仰拱。

2） 双抗双风管吊挂跟进至掌子面，距掌子面不宜大于10 m，保证24 h 持续正常供风。

3） 完善电气设备防爆改装、安装工作，使用非防爆型作业机械时应设置便携式甲烷报警仪，当瓦斯体积浓度超过0．5%时，应停止作业机械运行。

4） 横洞施工封闭，保证隧道左右洞独立通风，不发生污风串联。

5） 各道工序、各种作业施工前，必须对作业人员进行安全技术交底和培训。进洞人员必须随身携带隔绝式自救器，严禁穿化纤衣服，自觉接受检身登记。

2．2 揭煤施工

1） 揭过M1 ～M5 煤层段落，按照两台阶法开挖工艺组织施工。揭过煤层期间每循环开挖应加深炮眼孔探测瓦斯，加深长度不应小于2 m，加深钻孔数量拱部不应少于5 个、下部不应少于3 个。

2） 揭过M1 ～M5 煤层分两个阶段施工，第一阶段，先揭过已取煤芯的M1 煤线、M2 煤线； 允许掌子面开挖推进桩号至ZK16 +030。第二个阶段取M3 ～M5 煤层煤芯样，与之前探测煤层真厚度对比。

3） 距离M3 煤层法向5 m 时，停止开挖，针对性的对M3 ～M5 煤层补充施工精探取芯钻孔，探明前方情况，取芯钻孔另行布置，在未施工补充精探钻孔前，不得超距离开挖。实施超前探测钻孔取M3，M4 煤芯样，确认煤层真厚小于0．3 m，方可安排继续开挖掘进。

4） 隧道在施工ZK16 +071 ～ZK16 +030 段落过程中，应采取加深炮眼和地质素描手段，对已探测的煤层进行对比分析。若煤层真厚度、见煤里程与设计煤层不一致或瓦斯异常涌出时，应停止掘进。

5） 揭过M1 ～M5 煤层期间，必须坚持采取停电、撤人、远距离（洞外） 爆破的安全防护措施。在施工掘进过程中，加强对隧道作业人员开展瓦斯防治安全知识培训，提高全体作业人员的安全意识。

3 安全技术保障措施

安全技术保障措施见图3。

图3 安全技术保障措施图

3．1 通风安全技术

1） 风机必须安设在距隧洞口30 m 以外无扬尘、无污染的安全地点，风机必须上架，风机底板距地面高度不得小于2 m。

2） 确保有一套同等性能的备用通风机，一趟备用风管，并经常保持良好的使用状态； 风机开关能自动切换。

3） 必须安设专人管理通风系统，严禁无计划停风。

4） 风机突然停运且未及时恢复，必须及时将人员撤出地面并设置警戒，严禁无风、微风或瓦斯超限作业。

5） 严格执行“一炮三检”，杜绝瓦斯超限放炮。

3．2 监测监控措施

1） 机房配备监控主机、数据接口、电源避雷器、UPS电源，并设置信号避雷器一台，值班室安排值班人员。

2） 建立隧道施工瓦斯监测预警机制，在监测到瓦斯异常变化情况时，及时通报相关领导和部门责任人，以采取有效措施。

3） 根据监测系统监测的瓦斯实时数据，当瓦斯体积浓度大于1%报警并且断电，停止隧道内的一切用电作业，立即撤出全部作业人员。当瓦斯体积浓度小于1%时，恢复送电。

4） 每天观察隧道瓦斯浓度，绘制瓦斯浓度变化曲线，以判断瓦斯涌出量变化。

3．3 人工瓦检措施

1） 配备专职瓦检员检查瓦斯，定时定点对隧道进行检查。每班至少配备一名专职瓦斯检查员，配备高低浓度光干涉式甲烷检定器，对可能出现局部瓦斯积聚的地点分别进行检查。

2） 微瓦斯工区不应少于1 次/4 h，低瓦斯工区、高瓦斯工区不应少于1 次/2 h。高瓦斯工区和煤与瓦斯突出工区的开挖工作面及瓦斯涌出量较大、变化异常区域，应提高瓦斯浓度检测频率。

3） 由于隧道开挖断面大，所以开挖工作面的检测位置包括拱顶、两侧拱脚和两侧墙帮各距隧道周边20 cm处共5 点，检查后要填写瓦斯记录手册、台账和洞内瓦检牌板。瓦斯体积浓度大于0．5%时，停止作业并向当班领导汇报。

4） 人工检测必须实行24 h 跟班连续检测制度和“一炮三检”制度，即装药前、放炮前、放炮后要认真检查放炮地点附近的瓦斯浓度，瓦斯体积浓度超过0．5%，不准放炮。杜绝空班、漏检、假检。

3．4 安全防护措施

1） 在揭过M1 ～M5 煤层期间，应提高洞内风速和风量，洞内应停电、撤人。

2） 穿越M1 ～M5 煤层时，开挖工作面应全程检测瓦斯浓度，当有煤与瓦斯突出预兆时，应停止工作面作业。

3） 揭煤爆破通风30 min 后，应检测开挖工作面、二衬台车、移动变电站、洞口回风段等位置的瓦斯浓度，确认安全后方可允许施工人员进洞。

4） 揭煤过程中，应保持主风机正常运转、备用主风机及二路电源待启动状态。

3．5 洞外断电起爆

1） 揭过煤层期间爆破工作的应全过程检测瓦斯，爆破前应检查爆破连线、组织设置警戒、撤出人员、清点人数、检查瓦斯、煤尘浓度等工作并确认安全后方可启爆。

2） 发生瓦斯喷出等异常状况或其他煤与瓦斯突出预兆时，应立即报警、切断电源、停止工作、撤出人员，并启动应急预案。

3） 揭过煤线作业段放炮时，放炮地点设在洞口不小于20 m 范围以外新鲜风流中，在放炮前切断全部非本安型电器设备电源，执行远距离撤人断电放炮。

4） 搜索路线：掌子面→下导→仰拱→二衬台车→洞身→洞外。

3．6 防突技术措施

1） 防治煤与瓦斯突出措施应在距突出煤层最小法向距离10 m 前的位置进行，地质构造复杂、围岩破碎的区域应适当增加最小法向距离。

2） 防治煤与瓦斯突出可采用钻孔抽放煤层瓦斯、钻孔排放瓦斯、超前管棚、注浆加固、水力冲孔或其他经试验证明有效的措施。

3） 防治煤与瓦斯突出措施宜优先采用钻孔排放瓦斯，也可采用钻孔抽放瓦斯。若采用钻孔抽放瓦斯时，应另行编制瓦斯抽放专项设计。

4） 揭煤工作面超前支护应在隧道拱顶和两侧一定范围内布置，并进行注浆加固。

5） 煤与瓦斯突出工区钻孔排放瓦斯过程中，应加强工作面风流及回风道风流中瓦斯浓度检测。

3．7 煤层自燃处置

1） 具有煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性的煤层施工，应采取湿式钻眼、水炮泥封孔、热源明火控制等措施。

2） 具有煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性的煤层施工，应在工作面安设温度传感器、一氧化碳传感器、粉尘传感器进行监测监控。

3） 具有煤层自燃倾向性和煤尘爆炸性的煤层爆破前后、挖掘、装载、运输等产尘环节，应加强通风和洒水等综合防尘、降尘措施。

4） 通过具有煤层自燃倾向性的地层，应对暴露面及时封闭，空洞采用不燃性材料回填密实。

5） 具有煤层自燃倾向性的煤或煤矸石应堆放至指定渣场处理，不得作为路基填料。其处理措施主要有打孔灌浆、分层碾压堆积、分层覆土等。

3．8 防火安全措施

1） 应在洞外设置消防水池和配备消防用砂，其中水池储水量不得小于200 m3。

2） 瓦斯隧道洞口值班房、通风机房等洞口附近20 m范围内不得有火源。

3） 设置有效且足够的消防器材，放在易取的位置并且设立明显标志。各种器材做到定期检查补充和更换，不得挪用，对灭火设备或设施，时常保持良好状态。

4） 隧道内严禁明火作业。

5） 瓦斯工区应避免电焊、气焊、喷灯焊接、切割等动火作业，当不得不进行动火作业时，应符合相关规定。

4 结语

1） 采用地质超前探测钻孔进行超前探测，探明在掌子面前方100 m 的煤层情况共有5 层煤层，其中M1 ～M5煤层为薄煤层群，据此指定针对性的施工方案。

2） 根据隧道实际工程情况，形成了一套完整的高瓦斯公路隧道穿越薄煤层安全技术，隧道施工过程中也验证了该技术的可行性，可为类似穿越薄煤层群的隧道工程提供参考。