瓦斯隧道工程地質勘察探討

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摘要：近年來，隨著國家道路建設的不斷發展，公路隧道修建的數量也越來越多，該文結合中國西南某高速公路工程中某隧道項目，重點闡述了隧道瓦斯基礎參數的測定方法，對瓦斯涌出量進行估算，并提出防治措施及建議。

關鍵詞：高速公路；隧道；瓦斯

1工程概況

某高速公路隧道位于中國西南某省，其洞身段自北向南穿越后山，總體走向呈由北向南直線形。隧道采用分離式，左線起訖樁號ZK22＋180～ZK27＋435，總長5255m；右線起訖樁號K22＋181～K27＋440，總長5259m；隧道最大埋深約474m，屬特長隧道。該隧道位于玉京山井田的南東部，區內含煤地層為上二疊統長興組與龍潭組，煤層編號從上至下有：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10共10層，其中C5、C92層為全區可采煤層。此次鉆孔內揭露煤層為C1煤層和C5煤層。

2隧道瓦斯災害分析

根據TB10120—2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》，瓦斯是主要由煤（巖）層中逸出以甲烷（CH4）為主的有害氣體總稱，比重0．554，僅為空氣比重的一半，密度0．716g／m3，分布不均勻，常常賦存于開挖隧洞的頂部。瓦斯具有5種基本特性：即不穩定性、快速擴散性、窒息性、可燃性、爆炸性。2．1不穩定性瓦斯在煤體和圍巖中是以游離狀態和吸著狀態存在，兩種狀態的瓦斯是隨溫度、壓力等外界條件的變化而不斷轉化，壓力升高溫度降低時，部分瓦斯將由游離狀態轉化為吸著狀態；反之，又會有部分瓦斯由吸著狀態轉化為游離狀態。2．2快速擴散性瓦斯主要賦存于煤層、裂隙、覆蓋層較厚的斷裂帶和松散的巖層中，其擴散速度快，約為空氣的1．6倍。2．3窒息性在氣壓不變的情況下，空氣中瓦斯濃度升高，氧氣濃度就會相對降低，當甲烷濃度大于43％時，氧氣濃度就會被沖淡到12％，人就會呼吸困難；當甲烷濃度大于57％時，氧氣濃度就會下降到9％，人就會缺氧窒息、甚至死亡。2．4可燃性能燃燒是瓦斯最主要的特性之一，瓦斯與火接觸待吸收相當熱量后就開始燃燒；瓦斯濃度低時，火焰為藍色，隨著濃度的增大，火焰顏色逐漸變淺，當濃度達到5％時呈淡青色。2．5爆炸性瓦斯爆炸是一種鏈鎖反應，當爆炸混合物吸收一定能量后，反應分子的鏈即行斷裂成兩個或兩個以上的游離基。這類游離基又可以進一步分解，再產生兩個或兩上以上的游離基，這樣循環不已，游離基越來越多，化學反應速度也越來越快，最后就可以發展為爆炸式的氧化反應。爆炸產生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度向外沖擊，造成人員傷亡，另外，爆炸后生成大量的有害氣體，造成人員中毒死亡。

3瓦斯基礎參數測定

3．1野外瓦斯壓力測試

煤層瓦斯參數測試工作是掌握煤層瓦斯狀況的基本途徑，為了在生產中做到有效、可靠地對揭穿煤層進行超前預測，此次對C5煤層瓦斯參數進行了測試。3．1．1測試原理測試儀總體結構主要包括卸壓機構、封孔機構及261中外公路第41卷增刊22021年10月測試機構3個部分，如圖1所示。卸壓機構：用于解除隔離測試井段承壓井液水柱壓力對測試結果的影響，使測試井段壓力值降至壓力零值時打開測壓裝置，開始測壓。封孔結構：主要作用在于隔離測試井段與鉆孔其他井段，隔斷鉆孔其他井段井液水柱壓力及其他非測量介質壓力對測試層位的影響，取得一個相對封閉的瓦斯壓力測試空間。測試機構：主要為井下壓力計。煤層瓦斯壓力通過壓力計進氣孔傳遞給壓力計記錄裝置，記錄壓力測試結果。壓力計是CAN2000－MZ型電子井下壓力計，每一秒記錄一次煤層瓦斯壓力值，測試完成后將數據傳入電腦讀取壓力值。3．1．2測試結果此次工作共完成了1層次鉆孔瓦斯壓力測試，取得了有效的瓦斯壓力成果資料，測試結果見圖2。

3．2室內瓦斯參數測定

煤樣瓦斯參數試驗室測定包括煤體堅固性系數、瓦斯放散初速度、煤的真密度、視密度、孔隙度以及瓦斯吸附試驗等。3．2．1煤樣采取因C1煤層厚度較小，故取1組，C5煤層厚度較大，沿其上、下部各采取煤樣2塊，共采取5塊，煤樣采出后應及時裝入瓦斯罐中，以免風化。煤樣附有標簽，注明采樣地點、層位、采樣時間等。在煤樣攜帶、運送過程中應注意不得碰撞。3．2．2煤體堅固性系數f值的測定煤的堅固性系數間接地反映了煤體強度，煤體強度越大，堅固性系數亦越大，煤層發生煤與瓦斯突出的潛在可能性就越小。按國家標準GB／T23561．12—2010《煤的堅固性系數測定方法》，測定煤層的平均堅固性系數f，結果見表1。3．2．3瓦斯放散初速度ΔP測定發生煤與瓦斯突出的瓦斯放散初速度臨界值為10mgHg。只有當ΔP≥10mgHg時，煤層才具有發生突出的潛在危險性。ΔP越大，突出危險性就越大，測試結果見表2。3．2．4煤的真密度、視密度、孔隙度測定利用孔裂隙的壓汞試驗，測定煤樣的孔隙度，利用煤層煤樣微孔結構分析試驗所測得的煤的真密度和視密度值，其測試結果見表3。3．2．5瓦斯吸附試驗煤的高壓等溫吸附試驗是指將達到平衡水分的一定粒度的煤樣樣品置于密閉容器中，測定其在相同溫度、不同壓力條件下達到吸附平衡時所吸附甲烷等試驗氣體的體積。按GB／T19560—2008《煤的高壓等溫吸附試驗方法》，對采集的扎西隧道鉆孔的C1、C5煤層煤樣進行了測試。測試結果見表4。

4瓦斯突出危險性評估

根據DB51／T2243—2016《公路瓦斯隧道技術規程》，其絕對瓦斯涌出量Q絕可按下式確定：Q絕＝Q1＋Q2＋Q3（1）式中：Q1為隧道開挖掌子面爆落煤塊瓦斯涌出量（m3／min）；Q2為隧道新暴露工作面瓦斯涌出量（m3／min）；Q3為隧道施作噴混凝土地段洞壁瓦斯逸出量（m3／min）。經初步預測，扎西隧道絕對瓦斯涌出量Q絕＝0．20＋2．24＋0．07＝2．51m3／min。煤層瓦斯壓力是煤層中瓦斯潛能的重要指標，煤層瓦斯壓力大，煤體中的瓦斯含量就高。煤中瓦斯是破壞煤體、發動煤與瓦斯突出的主要能源，瓦斯壓力就是這種能源大小的直接標志，因此，也是判斷煤層突出危險性的最重要指標。煤的堅固性系數表征局部煤體的強度特征，反映了煤體抵抗地應力和瓦斯壓力破壞的能力。堅固性系數愈小的煤，愈難以阻止突出的發生。煤的瓦斯放散初速度指標（ΔP）是煤的含瓦斯結構重要特征，是煤吸附瓦斯能力和吸附平衡狀態破壞（卸壓）后解吸瓦斯速度的綜合反映。ΔP大的煤其吸附瓦斯的能力較大，解吸瓦斯的速度亦較大，能在短時間內釋放出較大的瓦斯潛能，是發動煤與瓦斯突出的重要條件。根據此次對扎西隧道WSZK1號鉆孔C1、C5煤層各個單項預測指標的測定和計算結果，結合玉京山井田勘探資料，扎西隧道開挖預計會遇到C1～C10共10層煤，對危險性評估如下：①煤樣的瓦斯放散初速度ΔP為6～12mgHg，平均為9．3mgHg；②煤樣的堅固性系數為0．31～0．71，平均為0．47，小于0．5；③煤的結構破壞類型一般為Ⅱ～Ⅲ類，煤層較松軟；④煤層瓦斯壓力較高，收集的玉京山井田勘探資料3501孔等溫吸附試驗結果瓦斯平均壓力為1．72MPa，此次WSZK1中的瓦斯壓力為1．28MPa。根據以上測試結果，依據TB10120—2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》，扎西隧道煤與瓦斯突出。因此，C5煤層應劃為突出煤層，扎西隧道左線樁號ZK22＋960～ZK23＋440、右線樁號K22＋960～K23＋440為瓦斯突出工區。

5瓦斯突出防治措施

（1）防治煤與瓦斯突出工程措施包括排放鉆孔、預抽瓦斯、超前管棚、煤體注漿加固等，結合該地區煤礦開采的成功經驗，該隧道施工防治煤與瓦斯突出措施宜優先采用鉆孔排放措施。（2）防止瓦斯災害最有效的措施就是通風，加強通風能夠在很大程度上規避風險。（3）通過瓦斯的預測和檢測，及時掌握瓦斯濃度，嚴格火源管理，規范施工，便可將隧道瓦斯的安全隱患降到最低，從而保障隧道建設安全。（4）進行動態施工，重視物探、鉆探、超前導洞等技術手段相結合的超前地質預報方法，規避隧道地質災害風險。6結語瓦斯隧道安全風險極高，為減少爆炸事故的發生，確保施工安全，地質勘察工作應在調查、收集礦井、氣田既有資料的基礎上，在隧道洞身進行一定數量的深孔鉆探，并在深孔內進行氣體收集分析和現場測試孔內瓦斯壓力、含量、煤的堅固性系數、煤的瓦斯放散初速度等指標，進行瓦斯隧道的瓦斯工區、含瓦斯地段的等級劃分，這樣才能詳細地提供瓦斯隧道設計需要的指標，并有針對性地提出施工措施建議。

參考文獻：

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［2］DB51／T2243—2016公路瓦斯隧道技術規程［S］．

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［5］劉石磊．紅石巖隧道出口工區瓦斯監測技術［J］．隧道建設，2007（S1）．

作者：王貫國 魏東旭 林志軍 劉虎 單位：山東省交通規劃設計院集團有限公司