贵州省水利投资（集团）有限责任公司 贵州贵阳 550081
摘要：王家坝输水隧洞为夹岩水利枢纽及黔西北供水工程中较为典型的穿煤系地层隧洞，现场施工时通过对施工过程中的瓦斯监控和地质超前探孔等综合超前地质预报方法，掌握开挖作业面的地质情况，实时测定瓦斯浓度和压力，选取相适宜的施工方法，在保证安全施工的同时顺利贯通。文章简要阐述了穿煤系地层水工隧洞的施工技术要点，可为今后类似的施工提供借鉴。
关键词：输水隧洞；施工技术；煤系地层；水利工程
1.工程概况
夹岩水利枢纽及黔西北供水工程王家坝输水隧洞开挖断面为2.7m×4m，衬砌断面为圆洞洞内直径为3m，坡降为1/2500。施工支洞开挖衬砌完断面为5m×4m，1#施工支洞坡度为2.6%，为仰洞；2#施工支洞坡度为14.7%。
根据《王家坝隧洞1#施工支洞开挖及结构设计图》、《王家坝隧洞2#施工支洞开挖及结构设计图》（由贵州省水利水电勘测设计研究院设计、审批），1#施工支洞：0+000-0+336、2#施工支洞：0+00-0+251段隧洞岩体为P3I中厚层细砂岩、粉砂岩，泥岩含煤30~50层。细砂岩、粉砂岩属硬质岩类，泥岩为软质岩类。本区含煤地层为龙潭组。
根据毕节市地方煤矿勘测设计队出具的《贵州省夹岩水利枢纽毕大供水1标王家坝隧洞2#施工支洞揭煤防突设计》中对于区域地质的推测，煤层资料主要参考附近岔河镇白岩脚煤矿的相关资料。据取得的勘查资料，龙潭组厚233.80～250.94m，平均厚度243.08m，由灰、深灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及泥岩、煤层组成的一套海陆交互相岩层，含煤总厚18～27m，平均22m，含煤系数9.05%，可采煤层7层，其中：10、16煤层为大部可采煤层，6-1、6-2、6-3、7、33煤层为全区可采煤层。可采煤层平均总厚11.39m，可采含煤系数4.69%。
经现场踏勘进行推理，按煤层走向59°，倾角40°进行设计。结合隧洞的已有资料和施工现场揭煤的实际情况，推断隧洞的含煤情况：隧洞穿过的可采煤层有10煤、7煤、6-3煤、6-2煤、6-1煤五层煤，现隧洞已过10煤、7煤、6-3煤三层可采煤层，还需穿过6-2煤、6-1煤两层煤。该洞段施工属煤系地层施工。
2.隧道瓦斯检测与监控
2.1瓦斯自动检测监控系统
根据现场实地调查及开挖处出露的地质情况，毕大1标王家坝隧洞1#、2#施工支洞均开挖出煤，此种地层内富含瓦斯等多种有害气体。这些气体构成复杂，储存状态不明确，且危害性极大。结合工程的实际特点，选用某公司生产的瓦斯监控设备。该系统由工业主机、监控分站、打印机、数据通讯接口、通讯电缆、传感器组成。1#、2#施工支洞各配一套瓦斯监控系统。
图1-1 瓦斯监控系统面布设图
根据《煤矿安全规程》，参考其他隧道的瓦斯监控系统设置，报警瓦斯浓度为1%；断电瓦斯浓度设置为1.5%；复电瓦斯浓度设置为1.0%。
2.2人工检测瓦斯
人工巡检，目前还是煤矿瓦斯检测中的一种主要方式。它具有测定数据准确、可靠、检测方式灵活等优点。因此，每个掘进工作面均应配备专职瓦斯检查员。利用光学瓦斯检定器进行定时、定点巡检。
每个瓦斯隧道工作面成立瓦斯检测班，设专职瓦检员4人，分2班，每班2人，对隧道进行全天候交叉巡查。由洞外到洞内，重点选择电器设备集中的地点、二次衬砌作业面、开挖工作面作为检测端面。隧道每个断面应检查5个点，即拱顶、两侧拱腰、拱脚、各距坑道周边20cm处，每次均应测定风流中的瓦斯和二氧化碳。在有硫化氢涌出的地点，还需用比长式检知管测定硫化氢。并填写瓦斯日报表。对爆破作业采取装药前，放炮前、放炮后“一炮三检制”进行检测，爆破必须坚持“三人连锁放炮制”。专职瓦检员配备斯达光学瓦斯检定仪。为确保施工安全，所有进洞人员应配备便携式瓦斯报警仪及积压缩氧自救器。
3.超前地质预报及瓦斯预防的施工方法及技术措施
3.1超前地质预报及瓦斯预防的施工方法
隧道穿煤层地段为V级围岩段，所有施工均应按照煤层瓦斯防治措施，进行超前探测，标定各煤层准确位置,掌握其赋存情况及瓦斯状况，以勘察有无煤层及有无瓦斯，如勘察有煤层，进行煤与瓦斯突出检验，在无突出可能的情况下，可按照石门揭煤。作业程序：煤层超前探测→煤与瓦斯突出危险性预测→钻孔排放→瓦斯防突效果检验→石门揭煤→过石门坎→煤层掘进。
3.2防治突出技术措施
防治突出技术措施采用多排钻孔排放或抽放。由于隧道开挖断面大，为防止煤层突然揭开时大量涌出瓦斯，需实施多排钻孔预排瓦斯。从防治突出的角度来看，多排钻孔预排瓦斯是一种防治突出措施。结合突出预测情况，如煤层确实存在较大的突出危险，可将钻孔封孔、接抽，以达到加速和有效地消除突出危险的目的。
本隧道为通过煤系地层的瓦斯隧道，为保障隧道的施工安全、质量，采取以下技术措施：
（1）采用超前钻孔手段进行前方岩层界面预报定位，采用3个Ф75超前钻孔探测进行验证，验证孔大于60m/循环，搭接长度不低于20m。开挖过程中若揭示采空区不得随意处理，及时上报监理、业主，以便妥善处理。
当超前物探及钻探验证确认有煤时：
1)、增加至7个以上Ф75超前钻孔，大于60m/孔，进一步确认煤层厚度、位置、岩体破碎程度。
2)、开挖面掘进至已定位煤层顶板垂距5m时，施作一组瓦斯预测孔(不小于3孔)，顶拱必须至少打2个穿透煤层全厚的瓦斯预测钻孔；底板开挖至距煤层顶板垂距5m时，至少打1个预测孔，对煤层与瓦斯赋存条件、突出可能性进行预测。按《防治煤与瓦斯突出规定》进行煤与瓦斯突出危险性预测，如具有煤与瓦斯突出危险性应及时提出，以修正设计和调整施工方法。钻孔控制范围：隧道轮廓线外上方7m，左、右两帮6m，底部3m。排(抽)放钻孔孔径90～110mm，排(抽)放半径取1.0m。
（2）加强施工通风和瓦斯的监测，并利用喷雾洒水等防尘措施。
施工期间建立瓦斯监测、报警和施工通风系统，稀释和排除洞内瓦斯，防止瓦斯积聚，施工中洞内瓦斯浓度保证在0.5%以下。瓦斯检测地点及范围应符合以下要求：开挖工作面风流、回风流中，爆破地点附近20m内风流中及局部塌方冒顶处；隧道总回风的风流中；各种作业台车和机械附近20m内风流中；电动机及其开关附近20m内风流中等瓦斯易积聚处，煤线或接近地质破碎带处，每个检测地点应设置明显的瓦斯记录牌，每次检测结果及时填写在瓦斯记录本和记录牌上，并逐级上报，瓦斯检测人员必须执行瓦斯巡回检查制度。在瓦斯有害气体涌出孔附近施作直径Ф75排放孔，排放孔设置根据瓦斯涌出部位、涌出量、涌出压力等确定，实施排放后必须进行排放效果检验。
（3）采用钻屑指标法及瓦斯压力法进行判别，预测孔见煤后改用湿式（钻头直径Ф42）打穿煤层，每打1m煤孔收集全部钻屑，按《防治煤与瓦斯突出规定》规定检测有关指标，判定其突出危险性。根据施工中各煤层突出危险性预测结果，当煤层有突出危险时，采取钻孔排放、金属骨架支护等防护措施；对于采用钻孔排放瓦斯的煤层，在排放一定时间（15-30天）后，从隧道顶拱作业面打检验孔，检验孔底应位于排放瓦斯范围内，在排放钻孔之间（最少打2个）采用与预测孔相同方法测定；如在判定煤层突出危险临界值以下，认为措施有效，否则延长排放瓦斯时间，增加排放孔数量或其它补救措施。煤层厚度小于0.3m且瓦斯压力较小时，可不采取防突措施，配合安全防护措施，直接以震动放炮揭煤。
（4）石门揭煤工作面20m范围内安设一台防爆通讯电话。距离工作面25m~40m范围内设置满足现场管理及施工人员的压风自救系统，数量为5~8个压风自救面罩，且每人不少于0.1m3/min的新鲜风量。
4.瓦斯抽放设计
根据施钻的瓦斯检测记录，孔内瓦斯浓度达到80%以上。在施工中有必要对确定煤层突出危险性的其他三个指标进行测定。如果有突出危险，则须进行瓦斯排放或抽放，而抽放可以大大加快瓦斯排放速度。
4.1施工期间的瓦斯抽放
考虑到在施工期间瓦斯涌出量可能较大，为保障施工安全，穿煤点具有突出危险时和探测有裂隙瓦斯异常涌出的地点实施瓦斯预先抽放措施。
a、抽放管网直径计算
管径大小按下式计算：
Φ=1000?K√(Q?N)/(60?VX?C)
式中：
Φ──管道直径，mm；
Q──工作面正常施工时的瓦斯涌出量，m3/min；
VX──管道内允许的瓦斯流速，一般取VX=5～15m/s；
K──抽放瓦斯综合系数，一般取K=1.2；
N──瓦斯抽放率，一般对于煤层取N=30％，对于围岩裂隙瓦斯取N=70％
C──瓦斯抽放浓度，一般取C=50％
根据可能出现瓦斯突出的地段，测定瓦斯突出流量计算管径。
考虑到在施工期间可能会同时出现两个以上的瓦斯涌出点需要抽放。因此，在施工期间，至少应具备2趟Φ150mm的瓦斯抽放管。为了配合营运期间的瓦斯抽放和排水问题，设计采用预埋两趟Φ150mm的瓦斯抽放管满足瓦斯抽放点的抽放需要。
在施工期间选用YWB－15型智能式瓦斯抽放移动泵。其具体参数如下：
型号：YWB－15
极限真空度：－94KPa
最大抽气量：15m3/min
耗水量：75L/min
电机功率：30KW
供电电压：380V/AC
b、瓦斯抽放布置
如果煤层具有突出危险时，可考虑采用预抽瓦斯措施来加快煤层瓦斯排放速度。其具体的钻孔布置方式和钻孔参数见隧道揭煤防突措施部分。在隧道其它瓦斯设防地段，可根据裂隙瓦斯探测的情况确定是否采用钻孔抽放措施。为了结合营运期间的瓦斯抽放，在施工期间的瓦斯抽放管道可利用隧道两侧预埋的Φ150mm管道实施抽放。因此，在施工期间不单独敷设瓦斯抽放管道。在施工期间，考虑采用瓦斯抽放移动泵。
4.2营运期间抽放瓦斯
在隧道营运期间，由于瓦斯涌出衰竭和采用了堵防措施等，其瓦斯涌出量会相对减小。同时考虑到营运期间通风量很大，达1250m3/min，足以将可能渗漏到隧道中的瓦斯稀释至安全浓度以下，因此，瓦斯抽放的必要性有待进一步专项论证。万一仍有一定的瓦斯量需要抽放时，可利用预埋管道、移动泵作固定泵用。
4.3施工通风监测
施工期间必须建立通风检测的组织系统，测定气象参数、风速、风量等参数。管道通风监测：用1.3m比托管、U型压力计以五环10点法测试管道全压和静压，用1.3m比托管、DGM-9型补偿式微压计测试通风管内风的动压。
通风量监测：与管道通风测点相同截面用电子风速仪以9点法测试风速、风量。
气象条件测试：用数字式温度计测试管道内、外气温，用空盒气压表、干湿球温度计测试巷道内各点气压的湿度值。隧道内炮烟及有害气体扩散规律测试：用P-5型数字粉尘计自动记录各测点烟尘每分钟浓度动态变化，远红外线CO测试仪记录每个测点炮烟中一氧化碳浓度动态变化。对不同施工阶段的施工通风进行监测，根据测试结果进行系统改进。
5.煤系地层段的施工
5.1设计原则
根据地质条件，开挖断面、开挖进尺，爆破器材等编制光面爆破设计。
（1)根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20cm。
（2)严格控制周边眼装药量，间隔装药，使药量沿炮眼全长均匀分布。
（3)周边眼选用低密度低爆速、低猛度的炸药，采用乳化炸药。塑料导爆管非电毫秒雷管起爆。对于有瓦斯地段采用煤矿专用炸药和专用毫秒电雷管起爆。对于周边眼要求与辅助眼雷管段别延时不小于50ms，给周边眼爆破足够临空面以保证光爆效果。
（4)采用毫秒微差有序起爆，以减小起爆时差。
5.2钻爆参数的选择
通过爆破试验确定爆破参数，试验时参照下表“光面爆破参数表”。
5.3掏槽方式
采用中空直眼或斜眼掏槽。直眼掏槽操作较简单，钻孔方向易掌握；当石质较硬，采用斜眼掏槽，以便减少钻眼数量。
5.4装药结构及堵塞方式
（1)装药结构
周边眼：用小直径药卷间隔装药。
（2)堵塞方式
所有装药炮眼用炮泥堵塞，周边眼堵塞长度不小于25cm。
5.5爆破效果监测及爆破设计优化
（1)爆破效果检查
检查项目主要有：断面周边超欠挖检查；开挖轮廓圆顺，开挖面平整检查；爆破进尺是否达到爆破设计要求；爆出石碴块是否适合装碴要求；炮眼痕迹保存率，硬岩≥80％，中硬岩≥60％并在开挖轮廓面上均匀分布,软岩炮眼痕迹保存率不做要求,但要求轮廓线平顺,超挖不允许大于10cm,欠挖按要求不大于10cm；两次爆破衔接台阶不大于10cm。
（2)爆破设计优化
每次爆破后检查爆破效果，分析原因及时修正爆破参数，提高爆破效果，改善技术经济指标。
根据岩层节理裂隙发育、岩性软硬情况，修正眼距，用药量，特别是周边眼。
根据爆破后石碴的块度修正参数。如石碴块度小，说明辅助眼布置偏密；块度大说明炮眼偏疏，用药量过大。
根据爆破振速监测，调整单段起爆炸药量及雷管段数。
根据开挖面凹凸情况修正钻眼深度，使爆破眼眼底基本落在同一断面上。
6.总结
1、穿煤系地层施工前，应通过对施工过程中的瓦斯监控和地质超前探孔等综合超前地质预报方法，掌握开挖作业面的地质情况，以便优化施工组织设计，指导现场施工，确保隧道施工安全与质量，预防重大安全事故。
2、施工方法应根据现场实测瓦斯及煤的数据，测定的实时瓦斯浓度和压力进行优化调整。
3、水工隧道过煤层的施工工艺与煤矿生产矿井的巷道掘进有相同之处，但由于其工程目的不同，在煤与瓦斯突出的防治技术上侧重点也不同，应针对水工瓦斯隧道的特点，选择预测耗时短、效率高、预测准确性高的煤与瓦斯突出预测手段，以保证现场施工安全。
4、王家坝穿煤系地层隧洞的顺利贯通为水利工程中类似隧洞的施工提供了实际参考案例。
参考文献
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[2]唐巨鹏,陈帅,于宁.基于平均有效应力煤与瓦斯突出钻屑量指标研究[J].地球物理学进展,2017,32(01)：395-400.
作者简介
张平俊(1965—)，男，汉族，高级工程师，贵州省水利投资（集团）有限责任公司副总经理，主要从事水利水电项目管理方面的研究工作，E－mail：zpj0526@163.com。
论文作者:张平俊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年13期
论文发表时间:2019/10/8
标签：瓦斯论文; 煤层论文; 隧洞论文; 钻孔论文; 隧道论文; 炮眼论文; 地层论文; 《建筑学研究前沿》2019年13期论文;