摘要：公路隧道穿越富含瓦斯的煤系地层及岩系地层时，如何快速有效的控制瓦斯异常涌出是确保隧道安全施工的前提，而准确掌握瓦斯异常涌出的来源是有效控制瓦斯异常涌出的关键因素。本文以宝鼎2号隧道出口端为工程实例，采用现场测试、取芯分析及综合研究分析方式，确定了隧道出口端右洞K22+077工作面瓦斯气体大量异常涌出的来源，为下一步隧道瓦斯防治及安全施工提供理论指导。
关键词：隧道；瓦斯；异常涌出；取芯；来源
1前言
公路隧道在施工过程中时常会穿越煤系地层或富含瓦斯的岩系地层，导致隧道在施工过程中会面临瓦斯异常涌出、瓦斯聚集，甚至燃烧、爆炸等危险情况。不仅给隧道施工增加难度，而且会造成安全事故。因此，快速有效的控制瓦斯异常涌出是确保隧道安全施工的前提，而准确掌握瓦斯异常涌出的来源是有效控制瓦斯异常涌出的关键因素。本文以攀大高速宝鼎2号隧道出口端为工程实例，对瓦斯异常涌出进行研究分析，掌握了异常涌出的瓦斯气体来源。
2工程概况
宝鼎2号隧道位于四川省攀枝花市仁和区境内，隧道分为两个标段双向掘进，即进口端和出口端。隧道出口端起止桩号为左洞：ZK18+920～ZK23+310、右洞：K18+940~K23+322，其中出口端的K18+940~K20+240（ZK18+920～ZK20+260）段落设计为高瓦斯工区，K20+240~K23+322（ZK20+260～ZK23+310）段落设计为低瓦斯区段。隧道出口端全长约为4390m，属特长瓦斯隧道。隧道开挖宽度约为13m，开挖高度约为10m，开挖面积约为110m2。隧道出口端地质构造较发育，围岩较破碎。隧道现采用爆破开挖，在Ⅳ级围岩地段处采用一般台阶法开挖，在Ⅴ级围岩地段处采用台阶法开挖。
3瓦斯异常涌出情况
隧道出口端右线开挖至K22+081里程处时，工作面揭露出煤矸石夹层，围岩整体较破碎，且工作面有裂隙水和少量裂隙瓦斯涌出。但当右线继续开挖至K22+077里程处时，工作面瓦斯突然大量涌出，导致工作面拱顶瓦斯浓度高达1.65%左右，二衬台车顶回风瓦斯浓度高达1.58%左右，且持续时间较长。施工方立即停止掘进，撤出洞内所有人员，并且加大风量，防止瓦斯聚集。
根据《施工图设计》，此两里程处均位于设计中的低瓦斯区段，但在实际掘进中瓦斯大量异常涌出。考虑到隧道地质构造复杂，裂隙发育且围岩破碎，瓦斯气体可能沿裂隙运移到隧道施工工作面位置，为了避免盲目施工造成安全事故，暂时停止了隧道掘进。
4现场测试
4.1工作面瓦斯测定
由于在K22+077里程处施工时，工作面瓦斯突然大量涌出，且持续时间较长。为安全考虑，在隧道右洞停止施工的情况下，进行现工作面和回风流中的瓦斯浓度测定。技术人员严格按照《煤矿安全规程》规定的技术方法进行了工作面及回风流瓦斯浓度测定，测定结果如表1所示。
表1 瓦斯测定结果表
根据表1测定结果表明：（1）右洞瓦斯涌出量较大；（2）K22+077工作面测定的瓦斯浓度高于二衬台车处的瓦斯浓度；（3）施工工作面停止掘进后，瓦斯浓度逐渐降低。
4.2超前取芯钻孔施工
右线K22+077工作面较湿润，且工作面主要由灰色~灰黑色粉砂质泥岩及炭质页岩组成，整体围岩较破碎。K22+077工作面后方隧道围岩均进行了喷浆和永久衬砌，表面无裂隙及空洞。为研究其瓦斯气体主要来源，在K22+077工作面施工了3个超前取芯钻孔（每个单孔长度为30m），进行前方岩层分析及瓦斯浓度测定。每个超前钻孔施工完成后，测定其孔口瓦斯浓度。钻孔布置如图1所示，钻孔竣工参数和孔口瓦斯测定结果如表2所示。
表2 钻孔竣工参数及孔口瓦斯测定结果表
注：以隧道掘进方向中心线为0°方位角。
根据表2测定结果表明：（1）K22+077工作面施工后瓦斯浓度比施工前瓦斯浓度高；（2）测得各孔口瓦斯涌出量较大。说明现K22+077工作面前方有瓦斯通过裂隙及钻孔向工作面涌出，且涌出量较大。
5瓦斯气体来源分析
根据地勘资料及《施工图设计》，隧道出口端K22+077工作面前方未掘进段位于三叠系上统大荞地组。三叠系大荞地组地层主要为砾岩、砂岩及粉砂质泥岩互层，偶夹炭质页岩及煤线。因此，现K22+077工作面前方可能赋存有炭质页岩或煤线。
在K22+077工作面施工了3个取芯钻孔，3个取芯钻孔分别控制了隧道上部及左右两侧。根据3个取芯钻孔揭露出的岩层分析，0~1.5m之间钻孔岩样主要以灰色粉砂质泥岩为主；1.5~8.5m之间钻孔岩样主要以青灰色~灰色砂岩为主，但含2层厚度约为0.2m的煤线；8.5~20.0m之间钻孔岩样主要以灰色砾岩为主；20.0~28.0m之间钻孔岩样主要以青灰色~灰色砂岩为主；28.0~30.0m之间钻孔岩样主要以灰色砾岩为主。
根据取芯钻孔揭露情况可知，在K22+077工作面前方5.2m及6.8m处各揭露出一层厚度约为0.2m的煤线，其余段主要为砂岩和砾岩。由于煤层对瓦斯气体具有很强的亲和力，大量的瓦斯气体吸附在煤层表面及煤层孔隙里。因此，煤层富含大量的瓦斯气体以及煤层附近聚集了大量的瓦斯气体。加之，工作面距离煤线之间的岩层主要为砂岩，砂岩所处段地质构造较复杂，岩层节理较发育且围岩较破碎，渗透条件较好。煤层内的瓦斯气体沿裂隙大量运移到施工工作面位置，另一方面，随着隧道掘进工作面的放炮作业，放炮震动加大岩层裂隙发育，使得煤层内的瓦斯气体能够沿着裂隙大量涌向工作面。
因此，可以确定隧道出口端K22+077工作面大量异常涌出的瓦斯气体来源于三叠系上统大荞地组K22+077工作面前方5.2m及6.8m处赋存的煤线。
6结语
宝鼎2号隧道出口端在K22+077工作面开挖时，发现瓦斯大量异常涌出。经过现场瓦斯测定、钻孔取芯及综合研究分析后，可以确定隧道出口端K22+077工作面大量异常涌出的瓦斯气体来源于三叠系上统大荞地组K22+077工作面前方5.2m及6.8m处赋存的煤线。瓦斯气体异常涌出来源的确定可为下一步隧道瓦斯防治及安全施工提供理论指导。
鉴于目前工作面里程处于低瓦斯工区段，但瓦斯大量异常涌出，为确保隧道安全施工，建议宝鼎2号隧道出口端在施工掘进过程中做好如下工作：
（1）虽然目前里程阶段为低瓦斯工区段，但隧道施工单位应严格按照高瓦斯工区进行管理和施工，加强超前地质探测工作，边探边掘，提前掌握工作面前方围岩地质构造及瓦斯赋存情况，以便在掘进过程中提前采取相应的安全技术措施，同时委托资质单位开展隧道瓦斯等级鉴定工作。
（2）鉴于现K22+077工作面前方赋存有2层煤线，瓦斯大量聚集。为保证安全施工，隧道内应加强通风和瓦斯监测工作，确保风量符合设计要求，防止因有毒有害气体积聚导致安全事故发生。若出现有毒有害气体涌出异常、或人工巡查、监控探头显示的有害气体浓度超标时，应立即停止作业，撤出隧道内作业人员，查明原因并采取安全技术措施后，方可进行掘进。随着工作面的掘进，风筒应及时续接，确保风筒出口距离工作面的距离不大于5m，风筒安装必须平顺，接口严密。
（3）隧道施工掘进速度对瓦斯涌出量影响较大，掘进速度快，围岩暴露表面积大，瓦斯涌出量相对大。因此，在实际施工过程中施工单位应严格按照施工工艺和工序，严格遵守“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、强通风”的原则进行施工，同时委托资质单位开展施工期瓦斯监测技术服务工作。
参考文献：
[1]张雪金,方勇,彭佩,赵子成.隧道施工开挖面瓦斯涌出及扩散规律研究[J].公路交通科技,2015,32(02):119-126.
[2]熊建明. 公路瓦斯隧道施工期安全管理与预警技术研究[D].中国矿业大学(北京),2016.
论文作者:李鳌
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/8
标签：瓦斯论文; 工作面论文; 隧道论文; 钻孔论文; 围岩论文; 气体论文; 异常论文; 《防护工程》2019年第2期论文;