非煤系地层瓦斯隧道超前地质预报方法及特点分析

赵天彪

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

0 引言

瓦斯隧道分为煤系地层瓦斯隧道和非煤系地层瓦斯隧道，这种分类的根据是隧道中的瓦斯是否与煤层伴生，瓦斯与煤系伴生的是煤系地层瓦斯隧道，瓦斯未与煤层伴生的是非煤系地层瓦斯隧道。进行煤系地层瓦斯隧道的研究较多，也取得了丰硕的研究成果，形成了较全面且完善的施工技术体系。对于非煤系地层瓦斯隧道的研究也呈现出逐渐增加的趋势[1-3]，但至今仍未形成成熟的施工技术体系，亟需加强相关方面的研究。

非煤系地层瓦斯隧道中由于瓦斯分布不具有明显的规律，难以形成一套行之有效的预测方法，施工中极难判断瓦斯逸出的位置和逸出的速率，一旦发生瓦斯灾害事故，就会造成不可挽回的重大生命财产损失[4-5]。2005 年12 月22 日，都江堰市董家山隧道发生瓦斯爆炸事故，造成重大的伤亡，直接经济损失超过1.5 亿元[6]。2015 年2 月24 日，成都洛带古镇附近一座在建隧道（五洛路1 号隧道）发生瓦斯爆炸，造成多人伤亡，定为重大施工安全事故[7]。由此可知，利用各种不同的技术或者方法对非煤系地层瓦斯隧道开展超前地质预报，尤其是对隧道掌子面前方的瓦斯赋存情况以及地质工程条件进行及时有效的预测，是提前制定预防措施，避免隧道瓦斯灾害发生，保证隧道安全施工的重要前提条件。

国外很早就开展瓦斯隧道超前地质预报工作，在隧道施工过程中，英国、法国、德国以及瑞士等国都将超前地质预报工作视为非常重要并且不可缺少的工序。在隧道施工过程中加强超前地质预报工作，已经成为工程技术人员和管理部门的共识。自20 世纪80年代我国引入超前地质预报方法以来，经过几十年的不断发展和实践探索，取得了丰硕的理论研究成果和良好的实践应用效果。本文调研了国内外大量非煤系地层瓦斯隧道超前地质预报方法的研究成果，对这些预报方法及特点进行综述，以供相关技术人员参考。

1 地质分析法及特点

地质分析法是最常用、最基础并且成本最低的超前地质预报方法。非煤系地层瓦斯隧道施工中常用的地质分析法有2 种，即地面地质调查法和掌子面地质素描法[8-9]，其特点见表1所示。

表1 常用地质分析法及其特点

1.1 地面地质调查法

在非煤系地层瓦斯隧道施工中开展超前地质预报，运用时间最早、使用频率最高的就是地面地质调查法。地面地质调查法首先开展的是隧道区域地表地质条件的调查与分析，主要是掌握隧道区域岩体结构的特征，根据地下构造与地表构造的相关性原理，就能够对隧道施工区域的地质条件和瓦斯有利富集区进行预测。调查的内容比较多，主要包括地层岩性、结构面的发育程度、断裂带的发育规模、发育位置和走向等。该方法适用性强，成本较低，但是工作难度相对较大，瓦斯预报的准确性较低，而且对于埋深大的地层以及岩性复杂的地层不适用。

1.2 掌子面地质素描法

开展掌子面地质素描工作能够如实和准确地反映非煤系地层瓦斯隧道掌子面的地质情况。隧道开挖过程中的各个环节，需要工作人员认真、准确地描述和记录开挖面的地质特征、信息，根据开挖以来的地质特征以及瓦斯分布的变化规律，预测前方施工区域的地质条件和瓦斯赋存情况。这种方法可以在不影响正常施工的情况下开展，不会影响施工进度，而且使用的设备简单，非常容易操作，描述完成后可以迅速得到预测结果。但是对于描述和分析人员的技术要求较高，在构造复杂地区预测的准确性相对较低。

2 超前地质探孔与导坑法及其特点

超前地质探孔与导坑预测法具有技术要求高、投入成本大、能够直观观测等特点，其特点见表2所示。

2.1 超前地质探孔法

超前地质探孔法也是非煤系地层瓦斯隧道超前地质预报中最常用的方法之一[10-11]。采用超前地质探孔，可以直接将掌子面前方的岩石取出，分析岩石是否利于瓦斯储集，也可以采用仪器直接测量钻孔中是否含有瓦斯。采用这种方法的主要缺点是钻孔速度慢并且费用很高，钻孔时无法开展施工，会影响施工的进度。另外，对于与隧道轴线平行的结构面不能预报，而结构面往往也是瓦斯运移的通道。

2.2 超前导坑法

超前导坑法在非煤系地层瓦斯隧道施工中应用相对较少[12]。根据导坑的位置可以将超前导坑法又分为超前正洞导坑法以及超前平行导坑法。超前正洞导坑法就是将导坑布置在正洞中，小导坑沿着瓦斯隧道正洞轴线进行开挖，可以探明隧道掌子面前方的地质条件。与平行导坑相比，超前正洞导坑预测的效果更好，但是施工成本比较高，还有可能对全洞进行导坑开挖，而且在地质构造相对复杂的地区预测的准确率比较低。超前平行导坑与隧道正洞平行，但是与隧道正洞相隔一定的距离，通过观察、描述、分析超前平行导坑中已经揭露的地质情况，从而预测正洞隧道的地质条件。采用超前平行导坑法能够非常直观地掌握隧道正洞附近的地质情况，具有较高的探测精度以及较长的预报距离。另外，超前平行导坑开挖还能够起到排水减压、改善通风条件以及加大工作面等作用。

3 地球物理方法及特点

超前地质预报方法中的地球物理方法有很多类型[13-16]，能够应用在非煤系地层瓦斯隧道中的主要是地质雷达探测法（GPR）和隧道地震波探测法（TSP），其特点见表3所示。

表3 常用地球物理方法及其特点

3.1 地质雷达探测法

地质雷达探测技术是一种光谱电磁技术，因其具有重量比较轻、操作十分简便、屏蔽效果好、扫描速度快、分辨率高、图像直观等优点，在非煤系地层瓦斯隧道施工中的应用较多。该技术可以用于探测地下岩体介质的分布情况，在非煤系地层瓦斯隧道中可以结合其他手段预测瓦斯聚集的地段。

电磁波信号由地质雷达发射机发射以后，便会以较快的速度在地下岩体介质中传播。电磁波信号在地下岩体介质传播的过程中，如果遇到存在电性差异的地下目标体（空洞、断裂、结构面等）时，就会发生反射。反射的电磁波信号会快速返回到地面，被提前布置好的接收天线所接收，利用专业设备就能够对接收到的电磁波信号开展处理和分析工作。根据接收到的电磁波信号的强度、波形以及双程走时等参数就能够预测地下目标体的空间位置、结构特征以及几何形态，从而实现对地下隐蔽目标物的探测。

3.2 隧道地震波探测法

隧道地震波探测法是当前超前地质预报中的一种重要方法，在非煤系地层瓦斯隧道中也得到了广泛的应用。隧道施工过程中，施工人员会在掌子面上钻孔，将小型炸药放置在钻孔中，引爆炸药后就会产生地震波；随后，地震波会以很快的速度在地层岩体中传播；如果地震波在地层中遇到不同介质的分界面就会发生反射。在地层岩体中，常见的溶洞、断裂带以及各种复杂结构面都存在传播介质发生变化的情况，它们也是非煤系地层中瓦斯赋存的空间以及易于运移的通道。由此可知，地震波在这些岩体介质中快速传播时，遇到界面便会发生反射和散射，可以通过收集反射波的各种信息（频率、振幅、波速）进行计算和推导，便可评价前方可能存在的地质条件，预测是否存在利于瓦斯富集和逸散的地质条件。

4 结束语

非煤系地层瓦斯隧道施工过程中，开展合理有效的超前地质预测预报工作，可以为施工方案的编制以及预防措施的制定提供依据。常用的超前地质预报方法主要有地质分析法、超前地质探孔与导坑法以及地球物理方法，各种方法具有不同的优点和缺点。施工中应根据非煤系地层瓦斯隧道的实际情况，选用两种或者多种方法结合使用，提高预测预报的准确性，保障施工安全。