苗 军
（中铁十五局集团第五工程有限公司，洛阳，470002）
【摘 要】瓦斯突出是困扰高速铁路以及隧道发展的一大难题，本文将以一个实际的工程为例，为广大读者阐述一下现在比较先进的瓦斯突出危险性预测以及揭煤的具体实施办法。我们将提供地质概况，瓦斯参数等基本情况，然后详细的阐述瓦斯突出危险性预测，最后提出一个比较先进的揭煤方案，并提供防突效果检验办法。
【关键词】隧道；瓦斯突出；揭煤实施方案
引言：
近年来，随着科学技术的进步和社会的发展，我国的高铁实现了跨越式发展。随之而来的，我们需要建设跟多的高速铁路来适应高铁的发展。那么高速铁路的发展也需要相应的技术支持，我们在这里就主要研究高速铁路建设的一大难题---隧道瓦斯突出问题。为了解决这个难题，我们在这里提出最核心的两点，一是在隧道瓦斯突出危险性预测方面做出改进，另一个方面是我们提出更加稳妥的安全保护措施和揭煤实施的具体工序设计。本文将以七扇岩隧道工程为例，详细阐述一下我们的解决办法。
一、工程概况
（一）工程概况
简单来说，七扇岩隧道工程就是要在一个比较棘手的地段打通一条高速铁路的隧道。七扇岩隧道位于贵州省大方县境内，起讫起止里程D3K406+027～D3K408+575,全长2548m。隧道按旅客列车设计行车速度250km/h，客运专线双线隧道设计，线间距为4.6m。洞内采用双块式无砟轨道，铺设60kg/m钢轨，轨道结构高度515mm。隧道最大埋深约300m，大部分埋深100～220m左右，纵坡设计为人字坡，坡度分界点桩号为D3K407+250，进口段坡度为20‰的上坡，出口段坡度为10.5‰的下坡。
隧道在D3K406+045～D3K406+710段穿越泥岩、泥质粉砂岩、页岩夹煤层地层，据钻探揭示隧道通过煤层7层，单层煤厚度0.2～2.0m不等，为高瓦斯地段。为解决高瓦斯隧道施工通风，结合地形、地质条件，本隧道于PDK406+044～PDK406+694段线路前进方向左侧30m设置平导一座，长650m，平导内共设3个横通道与主洞相连接。这就是七扇岩隧道工程的全部内容。
（二）地质及瓦斯参数概况
上面给大家介绍了七扇岩隧道工程的整体工程概述，下面简单介绍一下七扇岩隧道工程的基本情况。这里的基本情况包括含煤地层岩性特征、地质构造、水文地质特征和瓦斯参数这几个方面。
1．含煤地层岩性特征：七扇岩隧道穿越地层岩性复杂， 隧区上覆第四系全新统坡残积（Q4dl+el）粘土。下伏基岩为三叠系下统永宁组一段（T1yn1）灰岩，夜郎组三段（T1y3）泥岩、砂质泥岩，二段（T1y2)灰岩、一段（T1y1)泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，二叠系上统长兴大隆组（P2c+d)燧石灰岩、硅质岩夹页岩、龙潭组（P2l)泥岩、泥质粉砂岩、页岩夹煤层。D3K406+045～D3K406+710段665米洞身穿越泥岩、泥质粉砂岩、页岩夹煤层地层，据钻探揭示隧道通过煤层7层，单层煤厚度0.2～2.0m，为高瓦斯段落。
2．地质构造：隧道穿越区属于单斜结构，无褶皱、断裂构造，岩层扭曲严重，产状变化大，进口端岩层产状为N10°E/13°SE，以后产状为N30～80°/E20～55°SE。进口段主要的节理产状为：N40°E/90°和N60°W/90°，节理间距0.5～2.0m，微张至张开型，节理面多较平整，多充填粘土。出口段的主要的节理产状为NE60°/30°SE，NE60°/60°SE和NE35°/23°SE。
3．水文地质特征：
1）地表水
地表水主要为进口坡脚沟水，进口坡脚和常年性流水，其余斜坡沟槽内有季节性流水，受季节变化影响大，以蒸发、下渗和径流等形式排泄。
2）地下水
地下水主要为岩溶水和基岩裂隙水，岩溶水发育于灰岩地层中，基岩裂隙水主要发育于泥岩、粉砂质泥岩夹页岩地层中。
隧道进口端D3K406+045～D3K406+710段，出口端D3K408+330～D3K408+570段为泥岩、粉砂质泥岩夹页岩、煤层等非可溶岩，岩体透水性差，为隔水岩体，其基岩裂隙水靠大气降水补给，补给受降雨限制，地表为斜坡，降雨后易流走，补给量少，浅层风化裂隙中有少量基岩裂隙水，以渗出形式排泄于地表，无统一排泄基准面，基岩裂隙水不甚发育。
隧道洞身D3K407+020～D3K408+330（1310m）为中厚层灰岩、泥质灰岩，溶蚀强烈，地表D3K406+930～D3K407+180段为一宽缓的大型溶蚀洼地，周围地表水汇集于洼地内，并有一条长年流水沟在隧道顶D3K407+000左190m的洼地内由落水洞进入地下暗河，沟水和地表雨水进入地下暗河后成为主要的岩溶水，其他的岩溶裂隙水、岩溶管道水、溶洞水也会汇入地下暗河由北向南排泄，暗河由隧道左侧流向隧道右侧，据钻探资料推测暗河与线路相交位置在D3K407+140～D3K407+170附近，暗河标高为1570m，位于隧道顶以上10～30m。经调查推测隧道范围暗河发育于灰岩与泥质灰岩分界面附近，在隧顶10～30m附近通过。另据物探资料D3K406+870～+900洞身附近为物探异常（极破碎、极软弱、岩溶强烈发育或富水岩体），据地层出露和钻探揭示，异常范围为灰岩、泥岩。雨洪期地表沟内流水和洼地周边汇水较大，从而地下暗河水也较大。
隧道通过的可溶岩段由于地下水受前后泥岩的隔阻，岩溶水只能沿岩层走向径流，出露点距隧道较远（2.5km），雨洪期地下水位高于暗河附近，所以该隧道位于岩溶水的水平循环内。
3）水化学特性
对隧道进口沟水做水质分析，水质类型为质SO42-、HCO3- 、Ca2+、Mg2+型水。根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010），在环境作用类别为化学侵蚀环境及氯盐环境时，水中SO42-、Mg2+、Cl-对混凝土结构无侵蚀性，PH值对混凝土结构侵蚀等级为H1级。由于进口端D3K406+045～D3K406+710段为含煤地层，在环境作用类别为化学侵蚀环境时，水中SO42-对混凝土结构有侵蚀性，作用等级为H2。建议D3K406+045～D3K406+710段按H2等级考虑设计，其余按无侵蚀设计。
4）隧道涌水量
经对隧道区域水文地质条件的调查，结合区域水文地质资料的综合分析，大气降水面状入渗是地下水的主要地下水位来源。隧道穿越诸多不同性质的含水层，渗透性也存在差异。岩溶地段岩溶发育，张性节理发育，地表洼地见落水洞，入渗系数取0.8。由于D3K406+630～D3K407+700段地表发育溶蚀洼地，且有落水洞发育，降雨渗透性较好，隧道正常涌水量约6880m3/d，最大涌水量22875m3/d。
4．瓦斯参数：
1）地质勘探钻孔瓦斯参数
隧道在D3K406+045～D3K406+710段穿越泥岩、泥质粉砂岩、页岩夹煤层地层，据钻探揭示隧道通过煤层7层，单层煤厚度0.2～2.0m不等，瓦斯压力单层最大1.37MPa 。
2）现场开挖瓦斯参数
平导掌子面供风量约1500m?/min，实测掌子面、回风风流中瓦斯浓度均小于0.1%，前探钻孔已经穿透第三煤层，钻孔中瓦斯浓度小于1%，钻孔孔口浓度小于0.1%。
（三）揭煤工序的设计
这里的揭煤工序我们提供一个流程图，具体流程不再用文字阐述。
二、瓦斯危险性预测实施
（一）瓦斯参数测定
瓦斯参数的测定我们这里用两个步骤来完成：
1）预测参数的选择：1、区域预测：煤层瓦斯含量
2、区域措施效果检验：煤层瓦斯含量
3、区域验证（工作面预测）：瓦斯解吸指标K1值
4、工作面措施效果检验：瓦斯解吸指标K1值
5、最后验证：瓦斯解吸指标K1值
2）瓦斯参数测定种类及方法：
一、现场测定煤层瓦斯含量、瓦斯放散初速度、瓦斯解吸指标K1值；
二、实验室测定煤的坚固性系数，瓦斯吸附常数a、b值，孔隙率，真密度，视密度，水份，灰分，挥发份等参数。
三、瓦斯含量测定步骤：
（1）采样及瓦斯解吸速度测定。
（2）损失瓦斯量的计算。
（3）残存瓦斯含量测定：
① 煤样粉碎前脱气及气体分析。
② 煤样粉碎后脱气及气体分析。
③ 煤的工业分析。
（4）结果计算。
（二）瓦斯突出危险性预测
根据现场和实验室测定的煤层瓦斯含量进行判定：
（1）隧道距待揭煤层最小法向距离≥7 m前停止掘进，进行实测瓦斯压力和瓦斯含量，符合以下条件之一，即为突出危险区。
① 瓦斯含量W≥8m3/t；
② 前探，预测等各类钻孔施工过程中有喷孔、顶钻、吸钻等动力现象。
（2）如果实测煤层瓦斯含量W＜8m3/t，且钻孔施工中无喷孔、顶钻、吸钻等动力现象，即该区域为无突出危险区。
（三）防止瓦斯突出措施
在这个方面我们要分成两种情况来考虑：
1）当区域预测为无突出危险区域措施
隧道自掌子面位置施工至距煤层法向距离5m前，进行区域验证，经验证为无突出危险工作面时，可施工至距煤层法向距离2m前，再次对煤层进行最后验证，若经验证仍为无突出危险工作面时，则在采取安全防护措施的条件下，实施远距离爆破揭穿煤层措施，否则必须采取工作面防突补充措施。
2）当区域预测为有突出危险区域措施
1、区域预测为有突出危险时
隧道自掌子面位置施工至距待解煤层最小法向距离7m前，实施区域防突措施。
2、区域防突措施钻孔控制范围
揭煤处巷道轮廓线外左右各12m，巷道轮廓线见煤点顶部沿煤层斜长12m，底部沿煤层斜长12m，保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线（包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线）的最小距离不小于5m。
3、钻孔布置参数、图，自然排放或水环式真空泵抽放，抽放管道、泵的选型根据实测各项瓦斯参数另行专门设计。
（四）防止瓦斯突出效果验证
1）措施效果检验孔布置
根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，措施效果检验孔设计布置4个检验测试点，分别位于预抽区域内的上部、中部和两侧，并至少有一个检验测试点位于预抽区域内距边缘不大于2m范围内。
2）措施效果检验方法和指标
区域措施实施后，揭煤区域3煤层瓦斯预抽率达到30%，预抽时间满足要求，方可进行区域措施效果检验。
效果检验方法为：实测预抽区域煤层残余瓦斯压力Pc和残余瓦斯含量Wc法。
效果检验指标为：全部指标符合以下条件时，判断措施有效，否则措施无效。
（1）预抽区域内煤层瓦斯抽排率η≥30%；
（2）残余瓦斯压力临界值Pc<0.74Mpa；
（3）残余瓦斯含量临界值Wc<8m3/t；
（4）检验钻孔施工过程中无喷孔、顶钻及其它突出预兆。
3）措施效果检验结果处理
（1）措施效果检验有效时，允许石门工作面继续施工至距待揭煤层顶板（或底板）最小法距5m前停止掘进，进行区域验证。
（2）措施效果检验无效时，必须采取补充措施或延长抽采时间，并再次进行措施效果检验，直到措施有效。
三、安全保障的具体措施
（一）安全组织管理
1、揭煤领导小组、成员及要求
（1）成立以分部经理为首、有关部门领导组成的揭煤领导小组，负责揭煤全面工作。
组 长：郑玉华
副组长：詹鹏飞 许志强 汪玉红
组 员：苗军 李纯国 匡宗文 文斌 王增录 陈荣涛 陈荣喜
（2）揭煤前，组长因事外出，由总工程师或通风副总担任揭煤领导小组组长，负责揭煤全面工作；
（3）揭煤前，组长组织有关部门人员对现场进行全面检查，落实各项工作准备。
（4）揭煤期间配置专职瓦检员、放炮员、通风机司机、专职电工及警戒人员，并要求人员相对稳定，瓦检员、放炮员、通风机司机、专职电工要实行现场交接班制度。
（5）警戒位置、放炮位置悬挂固定的警戒位置牌和放炮位置牌。
（6）每次揭煤远距离爆破的带队领导为当次放炮第一责任者，负责安排落实通风、警戒、撤人、停电等安全工作。
（二）安全保障系统
1、通风系统
（1）严格按照批准的通风方案执行。采用双风机、双风管、双电源。
（2）巷道距揭煤煤层距离10m前，必须建立揭煤安全防护系统和独立的、可靠的通风系统，通风设施应牢固可靠，保证系统稳定，风量符合批准的通风方案，并对设施进行检查、维修。
2、抽采系统
如根据勘探资料、设计预计必须采用抽采方式，抽采泵、管路、汇流器、封孔材料等必须准备安装到位。
3、供电系统
（1）风机、抽采泵分别单独供电，有专门的备用发电机。
（2）洞内必须保证所有供电设备、电缆完好，无失爆现象。
4、监控系统
（1）监控中心应完善监测系统，在掌子面、防水台车、二衬台车、掌子面回风分别安装高低浓度甲烷传感器，任何一个传感器且浓度≥0.5%时能自动切断掘进巷道内及回风流中全部非本质安全型电气设备电源。
（2）复电方式：甲烷浓度<0.5%以下时方可人工复电。
（3）工作面迎头必须悬挂瓦斯便携仪，并要做到灵敏可靠。
（4）每小班设1名专职瓦检员，对巷中瓦斯情况进行测定并负责检查各瓦斯探头和开关附近瓦斯情况，恢复送电前对开关附近瓦斯情况进行检测。若有异常情况，及时汇报。
5、通讯系统
（1）联系方式：井下揭煤施工的组织协调工作采用调度电话联系的方式。
（2）在工作面安装与调度室直通的电话；在揭煤爆破地点安设与调度室直通的电话；在各警戒地点安设与调度室直通的电话，在避难硐室安设与调度直通的电话。
（3）负责电话管理的人员每天要对通讯系统进行检查维护，确保通讯的畅通。
6、避难所、压风自救系统
（1）揭煤前，在隧道距离揭煤点100米处建造一个避难所，避难所容纳人员至少能满足揭煤工作面所有当班出勤人数的1.5倍，避难所内放置足量的饮用水。 避难所内应根据设计的最多避难人数配备足够数量的隔离式自救器。
（2）安装压风自救系统，应当达到下列要求：
（一）压风自救装置安装压缩空气管道上；
（二）距工作面25～40m的巷道内至少设置一组压风自救装置；避难所至少安装三组压风自救装置。
（三）每组压风自救装置应可供5～8个人使用，平均每人的压缩空气供给量不得少于0.1m3/min。
7、避灾路线
遇煤与瓦斯突出，第一选择是佩戴压缩氧自救器，及时撤除洞外；如遇道路封堵，无法撤离，及时撤离至避难所，使用避难所的水、压风等装置，等待救援。
四、综述
这是一个实际成功实施的方案，经过实际工程的检测，证明是可行的。本文两个核心内容就是瓦斯突出危险性预测和防止瓦斯突出的具体实施办法，本文中揭煤工序的设计也是比较合理和容易实施的。通过本文的阐述，希望能对以后同行的发展能起到积极作用。
参考文献：
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[2]翟进营;杨会军;王莉莉;“新意法”在国外隧道工程中的应用[J];隧道建设;2008年04期
[3]苏丽娟;高速铁路隧道围岩支护参数优化设计[D];北京交通大学;2011年
作者简介：
苗军，男汉族，籍贯：陕西合阳人，1978年4月出生，毕业于石家庄铁道学院，工程师
论文作者:苗军
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/14
标签：瓦斯论文; 隧道论文; 煤层论文; 泥岩论文; 措施论文; 工作面论文; 岩溶论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;