瓦斯隧道工程地质勘察探讨

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摘要：近年来，随着国家道路建设的不断发展，公路隧道修建的数量也越来越多，该文结合中国西南某高速公路工程中某隧道项目，重点阐述了隧道瓦斯基础参数的测定方法，对瓦斯涌出量进行估算，并提出防治措施及建议。

关键词：高速公路；隧道；瓦斯

1工程概况

某高速公路隧道位于中国西南某省，其洞身段自北向南穿越后山，总体走向呈由北向南直线形。隧道采用分离式，左线起讫桩号ZK22＋180～ZK27＋435，总长5255m；右线起讫桩号K22＋181～K27＋440，总长5259m；隧道最大埋深约474m，属特长隧道。该隧道位于玉京山井田的南东部，区内含煤地层为上二叠统长兴组与龙潭组，煤层编号从上至下有：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10共10层，其中C5、C92层为全区可采煤层。此次钻孔内揭露煤层为C1煤层和C5煤层。

2隧道瓦斯灾害分析

根据TB10120—2019《铁路瓦斯隧道技术规范》，瓦斯是主要由煤（岩）层中逸出以甲烷（CH4）为主的有害气体总称，比重0．554，仅为空气比重的一半，密度0．716g／m3，分布不均匀，常常赋存于开挖隧洞的顶部。瓦斯具有5种基本特性：即不稳定性、快速扩散性、窒息性、可燃性、爆炸性。2．1不稳定性瓦斯在煤体和围岩中是以游离状态和吸着状态存在，两种状态的瓦斯是随温度、压力等外界条件的变化而不断转化，压力升高温度降低时，部分瓦斯将由游离状态转化为吸着状态；反之，又会有部分瓦斯由吸着状态转化为游离状态。2．2快速扩散性瓦斯主要赋存于煤层、裂隙、覆盖层较厚的断裂带和松散的岩层中，其扩散速度快，约为空气的1．6倍。2．3窒息性在气压不变的情况下，空气中瓦斯浓度升高，氧气浓度就会相对降低，当甲烷浓度大于43％时，氧气浓度就会被冲淡到12％，人就会呼吸困难；当甲烷浓度大于57％时，氧气浓度就会下降到9％，人就会缺氧窒息、甚至死亡。2．4可燃性能燃烧是瓦斯最主要的特性之一，瓦斯与火接触待吸收相当热量后就开始燃烧；瓦斯浓度低时，火焰为蓝色，随着浓度的增大，火焰颜色逐渐变浅，当浓度达到5％时呈淡青色。2．5爆炸性瓦斯爆炸是一种链锁反应，当爆炸混合物吸收一定能量后，反应分子的链即行断裂成两个或两个以上的游离基。这类游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基，这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为爆炸式的氧化反应。爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。

3瓦斯基础参数测定

3．1野外瓦斯压力测试

煤层瓦斯参数测试工作是掌握煤层瓦斯状况的基本途径，为了在生产中做到有效、可靠地对揭穿煤层进行超前预测，此次对C5煤层瓦斯参数进行了测试。3．1．1测试原理测试仪总体结构主要包括卸压机构、封孔机构及261中外公路第41卷增刊22021年10月测试机构3个部分，如图1所示。卸压机构：用于解除隔离测试井段承压井液水柱压力对测试结果的影响，使测试井段压力值降至压力零值时打开测压装置，开始测压。封孔结构：主要作用在于隔离测试井段与钻孔其他井段，隔断钻孔其他井段井液水柱压力及其他非测量介质压力对测试层位的影响，取得一个相对封闭的瓦斯压力测试空间。测试机构：主要为井下压力计。煤层瓦斯压力通过压力计进气孔传递给压力计记录装置，记录压力测试结果。压力计是CAN2000－MZ型电子井下压力计，每一秒记录一次煤层瓦斯压力值，测试完成后将数据传入电脑读取压力值。3．1．2测试结果此次工作共完成了1层次钻孔瓦斯压力测试，取得了有效的瓦斯压力成果资料，测试结果见图2。

3．2室内瓦斯参数测定

煤样瓦斯参数试验室测定包括煤体坚固性系数、瓦斯放散初速度、煤的真密度、视密度、孔隙度以及瓦斯吸附试验等。3．2．1煤样采取因C1煤层厚度较小，故取1组，C5煤层厚度较大，沿其上、下部各采取煤样2块，共采取5块，煤样采出后应及时装入瓦斯罐中，以免风化。煤样附有标签，注明采样地点、层位、采样时间等。在煤样携带、运送过程中应注意不得碰撞。3．2．2煤体坚固性系数f值的测定煤的坚固性系数间接地反映了煤体强度，煤体强度越大，坚固性系数亦越大，煤层发生煤与瓦斯突出的潜在可能性就越小。按国家标准GB／T23561．12—2010《煤的坚固性系数测定方法》，测定煤层的平均坚固性系数f，结果见表1。3．2．3瓦斯放散初速度ΔP测定发生煤与瓦斯突出的瓦斯放散初速度临界值为10mgHg。只有当ΔP≥10mgHg时，煤层才具有发生突出的潜在危险性。ΔP越大，突出危险性就越大，测试结果见表2。3．2．4煤的真密度、视密度、孔隙度测定利用孔裂隙的压汞试验，测定煤样的孔隙度，利用煤层煤样微孔结构分析试验所测得的煤的真密度和视密度值，其测试结果见表3。3．2．5瓦斯吸附试验煤的高压等温吸附试验是指将达到平衡水分的一定粒度的煤样样品置于密闭容器中，测定其在相同温度、不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附甲烷等试验气体的体积。按GB／T19560—2008《煤的高压等温吸附试验方法》，对采集的扎西隧道钻孔的C1、C5煤层煤样进行了测试。测试结果见表4。

4瓦斯突出危险性评估

根据DB51／T2243—2016《公路瓦斯隧道技术规程》，其绝对瓦斯涌出量Q绝可按下式确定：Q绝＝Q1＋Q2＋Q3（1）式中：Q1为隧道开挖掌子面爆落煤块瓦斯涌出量（m3／min）；Q2为隧道新暴露工作面瓦斯涌出量（m3／min）；Q3为隧道施作喷混凝土地段洞壁瓦斯逸出量（m3／min）。经初步预测，扎西隧道绝对瓦斯涌出量Q绝＝0．20＋2．24＋0．07＝2．51m3／min。煤层瓦斯压力是煤层中瓦斯潜能的重要指标，煤层瓦斯压力大，煤体中的瓦斯含量就高。煤中瓦斯是破坏煤体、发动煤与瓦斯突出的主要能源，瓦斯压力就是这种能源大小的直接标志，因此，也是判断煤层突出危险性的最重要指标。煤的坚固性系数表征局部煤体的强度特征，反映了煤体抵抗地应力和瓦斯压力破坏的能力。坚固性系数愈小的煤，愈难以阻止突出的发生。煤的瓦斯放散初速度指标（ΔP）是煤的含瓦斯结构重要特征，是煤吸附瓦斯能力和吸附平衡状态破坏（卸压）后解吸瓦斯速度的综合反映。ΔP大的煤其吸附瓦斯的能力较大，解吸瓦斯的速度亦较大，能在短时间内释放出较大的瓦斯潜能，是发动煤与瓦斯突出的重要条件。根据此次对扎西隧道WSZK1号钻孔C1、C5煤层各个单项预测指标的测定和计算结果，结合玉京山井田勘探资料，扎西隧道开挖预计会遇到C1～C10共10层煤，对危险性评估如下：①煤样的瓦斯放散初速度ΔP为6～12mgHg，平均为9．3mgHg；②煤样的坚固性系数为0．31～0．71，平均为0．47，小于0．5；③煤的结构破坏类型一般为Ⅱ～Ⅲ类，煤层较松软；④煤层瓦斯压力较高，收集的玉京山井田勘探资料3501孔等温吸附试验结果瓦斯平均压力为1．72MPa，此次WSZK1中的瓦斯压力为1．28MPa。根据以上测试结果，依据TB10120—2019《铁路瓦斯隧道技术规范》，扎西隧道煤与瓦斯突出。因此，C5煤层应划为突出煤层，扎西隧道左线桩号ZK22＋960～ZK23＋440、右线桩号K22＋960～K23＋440为瓦斯突出工区。

5瓦斯突出防治措施

（1）防治煤与瓦斯突出工程措施包括排放钻孔、预抽瓦斯、超前管棚、煤体注浆加固等，结合该地区煤矿开采的成功经验，该隧道施工防治煤与瓦斯突出措施宜优先采用钻孔排放措施。（2）防止瓦斯灾害最有效的措施就是通风，加强通风能够在很大程度上规避风险。（3）通过瓦斯的预测和检测，及时掌握瓦斯浓度，严格火源管理，规范施工，便可将隧道瓦斯的安全隐患降到最低，从而保障隧道建设安全。（4）进行动态施工，重视物探、钻探、超前导洞等技术手段相结合的超前地质预报方法，规避隧道地质灾害风险。6结语瓦斯隧道安全风险极高，为减少爆炸事故的发生，确保施工安全，地质勘察工作应在调查、收集矿井、气田既有资料的基础上，在隧道洞身进行一定数量的深孔钻探，并在深孔内进行气体收集分析和现场测试孔内瓦斯压力、含量、煤的坚固性系数、煤的瓦斯放散初速度等指标，进行瓦斯隧道的瓦斯工区、含瓦斯地段的等级划分，这样才能详细地提供瓦斯隧道设计需要的指标，并有针对性地提出施工措施建议。

参考文献：

［1］TB10120—2019铁路瓦斯隧道技术规范［S］．

［2］DB51／T2243—2016公路瓦斯隧道技术规程［S］．

［3］熊灵阳．瓦斯隧道的地质勘察问题探讨［J］．铁道工程学报，2013（4）．

［4］赵钰．特大断面长大高瓦斯隧道通风技术研究［J］．铁道建筑，2007（12）．

［5］刘石磊．红石岩隧道出口工区瓦斯监测技术［J］．隧道建设，2007（S1）．

作者：王贯国 魏东旭 林志军 刘虎 单位：山东省交通规划设计院集团有限公司