安六城際鐵路巖腳隧道

煤與瓦斯突出防治技術方案貴州省礦山安全科學研究院二0一六年九月一、項目概況安六（安順至六盤水）城際鐵路全長約99km，由安順西站引出，經安順開發區、普定、六枝、鐘山和水城5個區（縣），引入六盤水鐵路樞紐，設有黃桶北、六枝南、長箐站、冷壩和六盤水東5個新建車站，設計時速250km。巖腳隧道位于六枝特區大用鎮，貫穿六枝工礦（集團）六枝特區大用鎮化處煤礦岱港井田（北一采區），位置在F126斷層至北4-1勘探線之間，基本與株六復線平行穿過。根據設計資料，巖腳隧道施工過程中將在DK30+840、DK30+920、DK31+030、DK31+190處遇到4層煤，煤層編號分別為9#、7#、3#、1#。巖腳隧道所處的區域位于國家劃定的煤與瓦斯突出礦區—六枝礦區范圍內，與六枝工礦集團化處煤礦、竹林煤礦屬同一含煤構造單元，從化處煤礦多年的生產實際情況來看，該礦主采7#煤層,經測試,7#煤層的瓦斯含量為18.78m3/t?22.4m3/t,最大瓦斯壓力1.97MPa，為突出煤層，曾發生過82次突出。因此，巖腳隧道所穿過的4層煤層均直接按突出煤層考慮。二、煤層及瓦斯情況（1）煤層特征巖腳隧道穿煤層段含煤地層為二疊系上統龍潭組（P2l），一般含煤4層，分別為9#、7#、3#、1#。根據鉆探資料，9#煤層厚度0.45m，煤層傾角為26°，與7#煤層間距36.13m；7#煤層厚度10.86m，煤層傾角為16°，與3#煤層間距28.70m；3#煤層厚度0.45m，煤層傾角為30°，與1#煤層間距46.32m；1#煤層厚度0.28m，煤層傾角為24°。（2）地質構造貴州由于受成煤環境和大地構造的雙重影響，含煤地層的地質構造一般較為發育，雖巖腳隧道的勘探資料未揭示地質構造，但從六枝礦區范圍內的各煤礦生產實際情況來看，地質構造一般較多，特別是小的斷層較為發育，斷層附近瓦斯含量高、壓力大，對煤與瓦斯突出防治極為不利。（3）瓦斯巖腳隧道地質資料較為缺乏，沒有鉆孔瓦斯資料，瓦斯資料參照鄰近的化處煤礦、竹林煤礦。經測試，化處煤礦7#煤層瓦斯壓力0.84?1.97MPa,瓦斯含量18.78m3/t?22.4m3/t，透氣性系數0.32?0.76m2/MPa2?d，鉆孔流量衰減系數0.056?0.816d-1，煤的堅固性系數0.11；竹林煤礦7#煤層的瓦斯含量15.03m3/t,—水平7#煤層瓦斯壓力為1.89MPa，透氣性系數為50X10-4m2/MPa2?d。（4）隧道瓦斯突出危險性評價根據化處煤礦實測的煤層瓦斯壓力：Pmax=1.97MPa>0.74Mpa,巖腳隧道過煤系地層段有煤與瓦斯突出危險性。三、防突技術方案（一）防突專項設計巖腳隧道由煤系地層的底板進入施工,依次穿過9#、7#、3#、1#煤層,由于各煤層瓦斯參數及賦存特征不詳,加之鐵路隧道開挖斷面較大,對周圍巖體及煤層擾動大,在煤層傾角較大的地段,支護不及時極易發生傾出或突出事故。因此,在隧道施工的過程中,必須嚴格按照《防治煤與瓦斯突出規定》、《煤礦安全規程》（2016版）等有關規程規范執行,制定切實可行的安全技術措施,編制揭煤防突專項設計。1、 超前地質預報及超前地質鉆探（1）現場調查：我院工程技術人員收集周邊煤礦的地質資料,確定超前地質預報點的位置,并指導施工單位布置超前鉆探鉆孔的數量及參數,地質條件較好時,布置3個超前鉆孔探明工作面前方的地質構造、煤層及瓦斯賦存情況（地質條件復雜時,布置5個超前鉆孔）。（2）物探措施：我院使用瑞利波探測儀探明工作面前方50m以內的地質構造變化情況,并提出相應的應對措施。2、 區域綜合防突措施由于巖腳隧道所揭煤層按具有突出危險性設計,所以均必須采取“四位一體”的區域綜合防突措施和局部綜合防突措施,并在揭煤過程中堅持區域防突措施先行、局部防突措施補充的原則。（1）區域突出危險性預測超前地質預報工作探明工作面前方煤層具體層數、厚度、產狀等參數及與隧道的關系后，隧道掘進至距煤層最小法向距離10m時（地質條件復雜時最小法向距離15m）,對揭穿煤層進行區域突出危險性預測。區域預測指標和臨界值根據《防治煤與瓦斯突出規定》的要求，可采用煤層瓦斯壓力和煤層瓦斯含量指標進行預測。預測指標的臨界值一般應根據試驗考察確定，目前由于無實測數據，參照表1的臨界值進行區域突出危險性預測。表1巖腳隧道區域突出危險性預測參考臨界值煤層瓦斯參數突出危險性瓦斯壓力（Ma）瓦斯含量（m3t）>0.74MPa>8有突出危險V0.74MPa<8無突出危險由于所揭煤層部分厚度較薄（9#、3#、1#），實際施工時可能無法滿足測定煤層瓦斯含量的條件，區域突出危險性預測指標以瓦斯壓力測定為主。現場如果具備測定瓦斯含量條件，則同時測定瓦斯壓力和瓦斯含量；若不具備測定瓦斯含量條件，則在測定瓦斯壓力的同時，采用K1值或血2作為輔助指標。區域預測方法根據探煤結果，隧道掘進至距煤層最小垂距10m時（地質條件復雜時最小法向距離15m）,施工3個測壓鉆孔（地質條件復雜時，布置5個測壓鉆孔），直接測定煤層瓦斯壓力。為準確得到煤層原始瓦斯壓力值，測壓孔應布置在巖層比較完整的地方，并采用水泥砂漿封孔，封孔長度8?12m。若測定的隧道揭煤工作面煤層瓦斯壓力或瓦斯含量超過臨界值，則工作面具有突出危險。若測定的隧道揭煤工作面煤層瓦斯壓力和瓦斯含量小于臨界值，當隧道掘進至煤層最小法距5m時，還須再施工鉆孔對隧道揭煤工作面進行突出危險性驗證。鉆孔施工過程中出現頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現象時，該掘進工作面視為有煤與瓦斯突出危險性。（2）區域防突措施根據化處煤礦多年的生產實際情況，預計該隧道揭煤區域圍巖較差，特別是7#煤層，煤層厚度較大，且煤質較松軟，化處煤礦發生多次突出事故，所以區域防突措施設計采用預抽煤層瓦斯。根據《防治煤與瓦斯突出規定》，區域防突措施的采取在揭煤工作面距煤層的最小法向距離7m以前實施（在構造破壞帶按10m）。考慮鐵路隧道開挖斷面大，9#、3#、1#煤層為傾斜煤層，預抽的控制范圍為巷道輪廓線外上幫25m，下幫15m；7#煤層為緩傾斜煤層，預抽的控制范圍為巷道輪廓線外20m。當鉆孔不能一次穿透煤層全厚時，應保持最小超前距15m。施工完一個抽采鉆孔，應立即聯管抽采，封孔段長度不得小于10m。施工過程中注意觀察瓦斯動力現象，當某孔施工過程中出現瓦斯動力現象（頂鉆、夾鉆、噴孔等），應馬上停止施工，并上報。瓦斯抽采鉆孔終孔間距應根據實際測定的煤層瓦斯抽采半徑來確定，目前隧道無實測數據，參照化處煤礦的預抽瓦斯經驗，設計瓦斯抽采鉆孔終孔間距5m。隧道實際施工過程中，應對瓦斯抽放效果進行考察，若抽放效果不理想，則再考慮加密鉆孔或增加抽放時間，若抽放效果較好，在下一區段施工抽放鉆孔時還可增大終孔間距。根據鐵路隧道斷面情況、目前的煤層厚度及瓦斯參數，設計暫采用移動瓦斯泵預抽揭煤區域的瓦斯。（3） 區域措施效果檢驗采取區域防突措施后，在工作面迎頭打5個鉆孔（上下左右和中部各一個），測定煤層殘余瓦斯壓力或殘余瓦斯含量。為了掌握控制范圍邊緣的抽采效果，5個檢驗測試點必須有1個位于鉆孔控制范圍靠邊緣部位，即位于邊緣線內側0~2m的范圍。當測定的煤層殘余瓦斯壓力小于0.74MPa或殘余瓦斯含量小于8m3/t時，區域防突措施有效；若測定的殘余煤層瓦斯壓力大于0.74MPa或殘余瓦斯含量大于8m3/t，則繼續對所揭煤層進行抽采，直到煤層瓦斯壓力降到0.74MPa或瓦斯含量降到8m3/t以下。（4） 區域驗證當隧道揭煤區域經區域突出危險性預測為無突出危險區，或區域防突措施經效果檢驗有效的無突出危險區，在掘進過程還須進行區域驗證。區域驗證均采用鉆屑瓦斯解吸指標法進行。區域驗證時按照下列要求進行：隧道揭煤前最后進行區域驗證的位置，距煤層最小法向距離不得小于2m；在工作面進入無突出危險區域時，立即連續進行至少兩次區域驗證；工作面每推進10m至少進行兩次區域驗證；在構造破壞帶連續進行區域驗證；隧道在揭露首層煤層后,至少打1個超前距不小于10m的超前鉆孔或者采取超前物探措施，探測地質構造和觀察突出預兆。當驗證為無突出危險時，采取安全防護措施后進行掘進。驗證的過程中，只要有一次區域驗證為有突出危險或超前鉆孔等發現了突出預兆，則該區域以后的采掘作業均應當執行局部綜合防突措施。3、局部綜合防突措施技術方案（1）工作面突出危險性預測經區域驗證無突出危險后，掘進至距煤層法向距離2m時，應進行局部突出危險性預測，預測指標采用鉆屑瓦斯解吸指標法。鉆孔鉆進煤層時，采集鉆孔煤樣，利用1?3mm的篩子篩分鉆屑，用MD-2鉆屑瓦斯解析儀或WTC鉆屑瓦斯突出參數儀測定其瓦斯解吸指標Ah2和K1值，填寫局部預測記錄表，按照表2中的臨界值預測突出危險性。表2隧道揭煤工作面突出危險性預測臨界指標值Ah血）K1(mL/(g?mmi/2))突出危險性干煤＞200濕煤＞160干煤＞0.50濕煤＞0.40有突出危險工作面干煤V200濕煤＜160干煤V0.50濕煤V0.40無突出危險工作面當任一指標超過臨界值時，則為具有煤與瓦斯突出危險性。當預測為無突出危險時，可以采取遠距離放炮等安全防護措施揭開煤層；當預測為有突出危險時，則應及時采取工作面防突措施。鉆孔施工過程中出現頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現象時，該掘進工作面視為有煤與瓦斯突出危險。（2） 工作面防突措施當工作面預測有突出危險性時，在揭煤前制定包括技術、組織、安全、通風、搶險、救護等措施。工作面防突措施主要為瓦斯排放，根據化處煤礦的經驗，鉆孔的最小控制范圍為輪廓線外至少5m,下部至少3m,前方控制水平投影長度不小于10m，排放鉆孔間距為2m。（3） 工作面措施效果檢驗排放鉆孔施工完畢后，排放時間不小于16小時，之后采用鉆屑瓦斯解吸指標法進行防突效果檢驗。檢驗指標及臨界值與工作面突出危險性預測相同。檢驗鉆孔不少于5個，分別位于巷道上中下部和兩側，并布置于排放孔之間，其終孔位置應位于排放孔控制邊緣線上。若檢驗結果的各項指標都在臨界值以下，且未發現其他異常情況，則措施有效。在經工作面預測或措施效果檢驗為無突出危險工作面時，可掘進至遠距離爆破揭穿煤層前的工作面位置，采用工作面預測的方法進行最后驗證。若經驗證仍為無突出危險工作面時，則在采取安全防護措施的條件下采用遠距離爆破揭穿煤層（最小法向距離是：急傾斜煤層2m，其他煤層1.5m。如果巖石松軟、破碎，還應適當增加法向距離）。否則，必須補充工作面防突措施。當工作面措施效果檢驗為突出危險工作面時，必須補充工作面防突措施，直到經措施效果檢驗為無突出危險工作面。（4）安全防護措施在采取區域和局部綜合防突措施后，為防止出現因預測失誤或防突措施失效發生煤與瓦斯突出事故，在隧道掘工作面作業前，還必須采取安全防護措施。根據巖腳隧道的實際情況，安全防護措施主要采取以下三種。遠距離爆破經工作面措施效果檢驗有效后，采用遠距離放炮揭穿煤層。遠距離放炮措施應符合以下要求：a、 放炮前必須制定專項措施，包括停電、撤人和警戒范圍等內容。b、 爆破作業必須使用安全等級三級或三級以上的煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管，嚴禁使用秒或半秒級電雷管；c、 放炮地點應在隧道外，隧道內必須停電、撤人，人員撤至隧道口50m外；d、 爆破通風30min后，由瓦檢人員檢測開挖工作面、回風道瓦斯濃度，當開挖工作面瓦斯濃度小于1.0%，二氧化碳濃度小于1.5％時，方可通知工地負責人允許施工人員進隧道；e、 揭煤工作應由揭煤領導小組統一協調指揮，礦山救護隊值班；f、 揭煤時，主風機正常運轉，備用風機應保持待啟動狀態。壓風自救系統a、在隧道內的壓縮空氣管道上設置壓風自救裝置安裝，安裝見圖1；圖1壓風自救系統安裝示意圖b、 壓風自救系統安設距隧道工作面40m范圍內及隧道內每隔50m設置一組；c、 每組壓風自救系統可供5人使用，壓縮空氣供給量，每人不得少于4m3/min；d、 壓風自救系統必須派專人維護，確保設備完好、風量足夠，且要求24小時隨時可以使用。個體防護進入該掘進工作面的所有人員必須戴安全帽、隨身攜帶自救器和礦燈，嚴禁攜帶煙草和點火用品，嚴禁穿化纖衣服，入井前嚴禁喝酒。施工單位必須建立入井檢身制度和出入井人員清點制度。4、通風能力驗證及設備防爆改裝我院根據現場瓦斯涌出量，對隧道通風能力進行驗證，提出通風機的型號、參數及安裝地點。同時，我院提出現場需要進行改裝和添設的防爆機電設備清冊。若需進行改裝，則提出需要增加的費用。（二）現場技術服務我院將長期派出1名高級工程師進行現場跟蹤技術服務，特殊情況下可派出2?3名人員進行現場瓦斯測試測試工作。現場擬開展的技術服務工作內容如下：收集地質資料，并結合現場實際情況，指導施工單位落實兩個“四位一體”的綜合防突措施。進行地面調查，收集鄰近生產煤礦的瓦斯地質資料，并與該隧道的地質資料進行對比分析。使用瑞利波探測工作面前方50m內的地質構造變化情況，并提出區域突出危險性預測的地點和方案。取樣測試各煤層的瓦斯賦存參數，并進行區域和局部突出危險預測工作。根據現場測試的瓦斯參數，編制施工防突專項設計。當煤層透氣性較差，預抽煤層瓦斯效果不好時，耽誤項目工期時，協助施工單位制定煤層增透方案（特別是7#煤層）。對施工單位的人員進行煤與瓦斯突出防治知識培訓，讓其掌握突出預兆。協助施工單位做好隧道揭煤期間的“一通三防”管理工作及對機電設備的防爆改裝工作。四、重點及難點1、 現場方案的指導性不強雖施工單位編制有《巖腳隧道進口高瓦斯隧道工區專項施工方案》，但由于未從事過煤礦井下巷道施工，對煤與瓦斯突出防治認識程度不夠，導致方案的指導性不強。2、 很難準確預測、預報由于施工單位長期從事沒有瓦斯的隧道施工或露天施工作業，因此，煤與瓦斯突出預測、預報的裝備滿足不了現場施工需要（或者沒有配備裝備），短時間很