浅谈高瓦斯公路隧道瓦斯突出危险性的预判

廉育

中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司 福建 福州 350000

1 研究背景

鹿角隧道位于重庆彭水县，为双洞隧道。根据地勘资料，拟建鹿角隧道ZK39+160～ZK39+190（K39+170～K39+200）段穿越二叠系上统吴家坪组（P3w）煤层，属于低瓦斯地层；ZK39+820～ZK39+870（K39+830～K39+880）段穿越二叠系下统梁山组（P1l）煤层，属于高瓦斯地层。地下工程施工中，地质情况多变，由于各种原因，可能会发生多种灾害，其中瓦斯事故防治是地下工程施工中应解决的重要问题。

因此，为准确掌握隧道工区后续施工过程瓦斯突出危险性，测定隧道施工区段绝对瓦斯涌出量及相关参数，并依据实测值对隧道瓦斯地层等级进行评价，进而判突出危险性。因此，本文针对这两项参数的检测实施原理进行阐述，以便根据检测结果动态调整设计及施工。

2 绝对瓦斯涌出量测定

2.1 测定范围和测点布置

2.1.1 风速测点布置：绝对瓦斯涌出量实测方法要求，测风断面选择在距掌子面约20～30m处稳定回风流中，测风断面前后10m内无分支风流、无拐弯、无障碍、断面无变化，风速测点在测风断面布置12个风速测定点[1]。

根据风速测点布置位置，采用侧身法，测风步骤《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》相关要求进行，测风结束后，根据断面尺寸，计算测风断面面积，并进行风量计算。

2.1.2 瓦斯测点布置：依据相关规范中绝对瓦斯涌出量实测方法要求，根据施工现场实际情况，本次测量瓦斯选择在瓦斯工区风流段落内进行，测量瓦斯断面前后10m应选取无影响风速变化的段落[2]，因此风速测点断面与瓦斯测量断面布置一致，瓦斯测定在瓦斯测点断面布置6个瓦斯浓度测定点。

图1 风速及瓦斯测点布置图

根据瓦斯检测断面测点布置，具体检测步骤应遵循《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》相关规定，其中要注意的是瓦斯浓度的与测风是同步进行的，数据记录在记录表上。

2.2 瓦斯绝对瓦斯涌出量计算

瓦斯工区瓦斯绝对瓦斯涌出量根据隧道实际涌出量和实测最大瓦斯浓度按式（式1）计算确定。

式中： —绝对瓦斯涌出量（m3/min）；

Q —隧道断面通风量（m3/min）；

表1 鹿角隧道施工区段实测绝对瓦斯涌出量结果表

根据相关规范规定，瓦斯隧道分为微瓦斯、低瓦斯、高瓦斯及煤（岩）与瓦斯突出四类。瓦斯工区与瓦斯地层类别判定指标为隧道内绝对瓦斯涌出量，并应符合表2规定。在瓦斯隧道掘进过程中，加强通风和瓦斯检测，隧道施工区段内检测有瓦斯时，则洞口至开挖掌子面的施工区段为瓦斯工区；当施工区段内经检测并评定无瓦斯时，则洞口至开挖掌子面的施工区段为非瓦斯工区。

表2 瓦斯地层或瓦斯工区绝对瓦斯涌出量判定表

根据表2可知，鹿角隧道施工区段为低瓦斯地层，当前鹿角隧道施工工区为低瓦斯工区。

3 煤层瓦斯参数及压力测定

3.1 测定区域选择

本次测定的煤层是鹿角隧道二叠系下统梁山组（P1l）煤层中的原始瓦斯含量，测定范围在鹿角隧道出口右线开挖轮廓线距二叠系下统梁山组（P1l）煤层隧法向距离20m范围以内，设计该煤层平均厚度为0.7m，测定区域煤层未受采动影响。

3.2 钻孔布置及施工参数

本次钻孔施工位置设计位于鹿角隧道出口右线K39+886.3处，使用DZY-1200钻机进行施工，钻孔施工设计按《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374-2020）中10.2.2条接近煤层前，在开挖工作面距煤层最小距离≥20m时进行超前探孔，探孔数量不少于3个，且至少有一个钻孔需要取芯的要求进行施工。

图2 钻孔剖面示意图

根据以上思路，在鹿角隧道出口右线掌子面K39+886.3处，布置了1#、2#、3#、4#穿层钻孔，其中1#孔为开挖工作面距煤层最小法向孔，采用取芯管取样，2#、3#、4#号孔，采用风排渣取样，用于探取二叠系下统梁山组（P1l）煤层的煤样进行测定瓦斯含量并计算瓦斯压力。

表3 钻孔竣工参数表

3.3 煤层瓦斯含量W及瓦斯压力P的测定

在掌子面K39+866.3进行钻孔取样时要记录取样地点大气压、温度及停钻时间、取样时间、取芯结束时间等数据。通过钻孔取芯设备取出煤样，在煤样中选取直径较大且质量大于500g的煤样快速封入煤样筒，然后将煤样筒出气口用乳胶管与井下解吸仪连接牢固，连接前初值要读取准确。在连接瞬间气体会涌出，需立即读取液面刻度作为0min刻度并打开秒表计时。然后每60s读取液面数据一次，持续30min后结束。解吸完毕后关闭煤样筒阀门，并把煤样桶放入清水中进行气密性检测，若有漏气现象则该煤样作废，重新取样；若无漏气现象则可作为合格样品收存，待取样检测工作全部结束后一起带回试验室进行检测[3]。通过实验室测定煤的瓦斯吸附常数等参数，输入软件计算测点常压吸附瓦斯量、瓦斯含量和瓦斯压力。

图3 瓦斯解吸速度测定仪与密封罐示意图

根据现场测定与实验室测定，二叠系下统梁山组（P1l）煤层瓦斯参数测定及瓦斯压力计算结果见表4。

表4 煤样瓦斯参数测定及瓦斯压力计算结果

从表4可以看出，3个测试孔的吨煤瓦斯含量最高为3.92m3/t，计算瓦斯压力最高值为0.66MPa，吨煤瓦斯含量和瓦斯压力均低于相关规定的突出危险性预测指标吨煤瓦斯含量临界值8m3/t，瓦斯压力临界值0.74MPa。

4 主要结论及施工建议

4.1 主要结论

本次鹿角隧道在施工期内绝对瓦斯涌出量测定及瓦斯地层等级评价，现场测试了隧道回风流风量、瓦斯浓度等参数，根据测试数据计算了隧道绝对瓦斯涌出量及瓦斯压力，依据相关标准对隧道瓦斯等级进行判定，得出如下结论。

4.1.1 鹿角隧道出口端左右线隧道施工区段围岩逸出气体为瓦斯，主要成分为甲烷（CH4），来源于其下伏的瓦斯页岩气、志留系中统罗惹坪群页岩涌出的裂隙瓦斯。

4.1.2 鹿角隧道跟踪监测段为低瓦斯地层，则判断鹿角隧道洞口至掌子面施工区段为低瓦斯工区。

4.1.3 从瓦斯含量测定结果看，钻孔瓦斯含量均小于突出危险性预测指标瓦斯含量临界值8m3/t；瓦斯压力小于突出危险性预测指标瓦斯压力临界值0.74MPa。故该段瓦斯工区段无瓦斯突出危险性。

4.2 施工建议

4.2.1 严格按照高瓦斯隧道施工相关规定管理，并加强管理人员、技术人员和施工人员的管理和安全知识培训，提高安全意识。

4.2.2 施工过程加强对钻孔瓦斯浓度测定和掌子面瓦斯浓度测定，详细记录瓦斯浓度变化情况，为后续揭煤工作提供数据参考。

4.2.3 在施工掘进过程中加强通风，防止因有害气体积聚导致安全事故发生。

5 结束语

随着瓦斯隧道施工越来越多，隧道施工安全尤为重要。施工时必须严格按照设计及规范要求进行，通过检测手段对瓦斯隧道瓦斯工区等级和突出危险性进行预判，根据检测结果动态调整设计及施工，对瓦斯隧道安全施工具有重要的指导意义。