高瓦斯多煤层隧道揭煤防突技术研究

郑仕跃　彭文彬　朱应　许汝杭

作者简介：

郑仕跃（1976—），高级工程师，主要从事公路（市政）项目建设管理工作。

摘要：为实现高瓦斯多煤层隧道安全高效揭煤防突施工，文章结合天城坝隧道地质条件及煤层穿越情况，提出采用基于高压水力割缝-压裂增透的揭煤防突技术。该技术包括高压水力割缝、水力压裂、瓦斯抽排及强化支护等。研究结果表明：在高瓦斯多煤层隧道揭煤防突施工中，采用以高压水力割缝-压裂增透技术为核心的揭煤防突措施后，通过综合指标法和钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性预测，工作面防突检验达标，为快速揭煤和穿越煤系地层施工提供了安全保障，对类似隧道施工具有一定的借鉴意义。

关键词：高瓦斯;多煤层;水力割缝;水力压裂;揭煤防突

中国分类号：U458.1A321183

0 引言

随着我国经济的快速发展，交通运输体系不断完善，隧道工程的建设也日益增多。然而，我国地域辽阔，地质条件复杂，隧道建设过程中难以避免穿越煤系地层，造成隧道瓦斯突出，极易引发瓦斯灾害事故，增加施工风险[1]。因此，隧道瓦斯突出是制约隧道安全施工的技术难题。

对于隧道瓦斯突出，相关学者进行了大量研究：杜志刚等[2]以贵州山区某过煤层瓦斯隧道为例，采用属性数学理论建立隧道瓦斯突出危险性预测模型，对隧道瓦斯突出危险性进行了评价;郭鸿雁[3]针对瓦斯突出隧道，利用FLAC 3D软件建立隧道开挖模型，研究断面尺寸对瓦斯突出隧道围岩稳定性的影响;王明慧等[4]结合天坪隧道横洞瓦斯突出工区施工特点，提出了瓦斯突出隧道施工安全管理的组织措施。

综上所述，目前对隧道瓦斯突出的研究主要集中在危险性评价、围岩稳定性和施工安全管理等方面，而对揭煤防突技术研究较少。为此，本文以天城坝隧道为研究对象，结合隧道地质条件及煤层穿越情况，提出采用基于高压水力割缝-压裂增透的揭煤防突技术，研究结果可为类似隧道施工提供参考。

1 工程概况

天城坝隧道位于遵义市习水县仙缘镇北约5.50 km，是贵州省德江至习水高速公路正安至習水段控制工程。隧道按左、右线分离式设计，全长为4.2 km，最大埋深为525.2 m，采用钻爆法进行开挖。隧道所需穿越的煤系厚度为54.22～70.95 m，平均为62.65 m，含煤9～13层，自上而下编号分别为C5、C6、C7（含C7-1、C7-2、C7-3）、C8（含C8-1a、

C8-1b、C8-2）、C11和C12，含煤总厚度为6.28～13.65 m，其中可采煤层4层，编号分别为C6、C7-2、C8-1、C8-2。根据勘测资料分析，天城坝隧道煤层瓦斯含量为7.01～37.16 m3/t，瓦斯压力最大为4.12 MPa，为高风险瓦斯突出隧道。隧道穿越煤层如图1所示。

2 高瓦斯隧道揭煤流程

天城坝隧道煤层揭煤及瓦斯抽排施工时，采用高负压瓦斯抽排方案对突出瓦斯进行治理，揭煤流程如图2所示。

2.1 超前地质预报

瓦斯突出煤系地质条件复杂，为了准确掌握隧道前方煤层赋存情况，防止误揭煤层，揭煤前需要进行超前地质综合预报，包括煤层层位、产状及煤层厚度等，为防突措施方案的制定提供基础数据，保障隧道安全施工[5]。

2.2 突出危险性预测

在距煤层最小法向距离10 m垂距处，测定煤层原始瓦斯含量Q、原始瓦斯压力P、瓦斯放散初速度ΔP及坚固性系数f，分析出煤的破坏类型，对煤层突出危险性进行初步预测[6]。由于C5煤层厚0.14 m，C7-1煤层厚0.15 m，<0.3 m，不作处理;C7-2、C7-3、C8煤层的原始瓦斯含量Q、原始瓦斯压力P、瓦斯放散初速度ΔP及坚固性系数f等指标均超过了突出煤层鉴定的单项指标临界值，且施工过程中出现喷孔等瓦斯动力现象，其中左洞C8-2煤层厚达11.2 m，瓦斯含量达21 m3/t，瓦斯压力高达7.354 MPa，因此判定C7-2、C7-3、C8煤层存在瓦斯突出风险，必须对其执行区域防突措施。左、右洞瓦斯突出危险性预测单项指标临界值和实测结果分别如表1、表2所示。

3 高瓦斯多煤层隧道揭煤防突技术

针对天城坝隧道高瓦斯突出风险，为实现隧道安全高效揭煤防突施工，决定采用以高压水力割缝-压裂增透技术为核心的揭煤防突措施。

3.1 高压水力割缝

本工程原设计采用水力劈裂技术对所有瓦斯突出煤层进行处理以便加快煤层瓦斯的解析，但水力劈裂孔数较少（设计为3个孔），且C8煤层实际厚度比原设计厚度大，解析效果较差，故采用高压水力割缝。由于高压水力割缝孔数多，割缝距离、割缝宽度及深度可控，对煤层的瓦斯解析更为有利，可有效缩短瓦斯抽采的时间[7]。高压水力割缝原理如下页图3所示。

3.2 水力压裂增透

水力压裂是在高压水力割缝作用后，为增加煤层的透气性、提高瓦斯抽采效率、缩短瓦斯抽排时间的一种技术措施[8-9]。本工程水力压裂水泵电机功率为400 kW，对应相应的挡位压力为16.5～50 MPa，流量为17.6～70.5 m3/h，且具有流量大、体积小、智能化程度高等特点。水力压裂过程中最大压力为20.3 MPa，累计注水量为168 m3。

3.3 瓦斯抽排

水力压裂增透措施完成后，进行瓦斯抽排钻孔施工。C7、C8煤层采取“联合布孔、联合抽排”方式进行消突。钻孔采用ZDY-2300型钻机进行施工，排渣方式以水力排渣为主，压风排渣为辅。钻孔孔径为76 mm，抽排半径为2 m。C7煤层抽排钻孔按终孔间距4 m×4 m网格布置，控制揭煤区域为隧道轮廓线外12 m，共设计钻孔148个;C8煤层抽排钻孔按终孔间距3 m×3 m网格布置，控制揭煤区域为隧道轮廓线外12 m，共设计钻孔448个。

当抽排钻孔施工结束后，应及时连接所有抽排钻孔进行瓦斯抽排，并进行消突评估。通过计算，C7、C8煤层共需抽排瓦斯量约65.7万m3，共分两轮抽排：第一轮需抽排瓦斯量为33.8万m3，施钻期间风排瓦斯约14万m3，抽排50 d;第二轮需抽排瓦斯为31.9万m3，施钻期间风排瓦斯约4万m3，由于第二轮钻孔数量减少，因此抽排90 d。

3.4 强化支护

根据隧道超前地质预报综合分析，煤系地层围岩及煤层稳定性差，需施工金属骨架作为煤系地层揭煤施工的强化支护措施。其中C7煤层真厚较小，金属骨架采用42 mm×4双层超前小导管，长度为4 m，环向间距为40 cm，纵向排距为120 cm。C8煤层真厚达11.2 m，煤层的坚固系数为0.4，经过水力压裂增透后，更为破碎，因此需采用超前帷幕注浆加固。注浆范围为隧道开挖轮廓线以外6 m，注浆段长度为30 m，分3环实施：第一环长12 m，第二环长20 m，第三环长30 m。金属骨架采用108 mm大管棚，拱部环向间距为40 cm，边墙环向间距为40 cm，孔深必须穿过待揭煤层3 m，长度为25 m，搭接长度≥5 m。

4 应用结果检验

采用综合指标法和钻屑瓦斯解析指標法进行突出危险性预测。若检验结果其中任何一项指标超标，或在打检验孔时发生喷孔、顶钻、夹钻等瓦斯动力现象，则认为防突措施无效，必须采取补充防突措施。实际施工中，对10 m、5 m、2 m垂距抽排效果进行检验，消突效果明显，工作面防突检验达标。

5 结语

（1）采用超前地质预报和突出危险性预测，为防突措施方案的制定提供数据基础，是做好隧道瓦斯突出防治的先决条件。

（2）提出了高压水力割缝-压裂增透方法，增加煤层透气性和瓦斯释放能力，提升瓦斯抽排效率，缩短了施工工期。

（3）形成以高压水力割缝-压裂增透为核心的高瓦斯多煤层隧道揭煤防突技术，降低瓦斯突出风险，保障了隧道安全施工。

参考文献：

[1]王海洋，赵树磊，陈 祥，等.我国隧道瓦斯事故统计及影响因素分析[J].中国安全科学学报，2021，31（4）：34-40.

[2]杜志刚，张小东，王晓东.基于属性数学理论的隧道瓦斯突出危险性评价[J].地下空间与工程学报，2019，15（6）：1 866-1 873.

[3]郭鸿雁.断面尺寸对高瓦斯隧道围岩稳定性的影响分析[J].公路交通技术，2015（4）：127-131.

[4]王明慧，张忠爱，刘 盛，等.渝黔铁路瓦斯突出隧道安全施工管理实践[J].铁道标准设计，2018，62（1）：99-103.

[5]黄学满.隧道瓦斯涌突防治探讨[J].煤矿安全，2018，49（12）：155-159.

[6]徐文平.隧道煤层突出危险性预测方法的应用[J].公路，2016，61（4）：252-255.

[7]熊文亮.隧道揭煤水力割缝卸压增透技术数值模拟研究及应用[J].地下空间与工程学报，2020，16（S1）：291-296.

[8]张永将，黄振飞，李成成.高压水射流环切割缝自卸压机制与应用[J].煤炭学报，2018，43（11）：3 016-3 022.

[9]胡其志，舒安齐，肖衡林，等.高瓦斯低渗透性煤层隧道水力压裂机理研究[J].地下空间与工程学报，2015，11（S2）：491-497.

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