鹞子岩瓦斯突出隧道揭煤工程防突设计

旷文涛 田卫东 吴 伟 曹林卫 于茂春

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司， 重庆 400023; 2.重庆工程职业技术学院， 重庆 402260)

瓦斯突出隧道具有极高的安全风险，铁路工程选线时一般予以绕避，故上世纪90年代以前，铁路瓦斯突出隧道基本未见。随着我国经济的高速发展，从南昆铁路家竹箐隧道开始，瓦斯突出隧道越来越多，如沪昆高速铁路大茶山隧道、叙大铁路中坝隧道、渝贵铁路新凉风垭及天坪隧道、成贵客运专线玉京山隧道等均为瓦斯突出隧道。

瓦斯突出隧道发生煤与瓦斯突出的风险极高，其修建成败的关键在于对突出煤层的处理。早期的瓦斯突出隧道(如家竹箐隧道、中坝隧道、大茶山隧道)，基本采用短兵相接的局部防突措施，一旦局部防突措施失效，易发生瓦斯突出事故，甚至是群死群伤的重大事故。近年来，结合煤炭系统揭煤防突技术的发展，铁路隧道揭煤防突技术及相关规范亦逐渐趋于成熟。《煤矿安全规程》(2016版)、《防治煤与瓦斯突出细则》(2019版)、TB 10120-2019《铁路瓦斯隧道技术规范》等规范相继颁布，“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的揭煤防突理念已成为工程界的普遍共识。近年修建的天坪隧道[1]、新凉风垭隧道[2]及玉京山隧道[3]均采用了区域及局部综合防突措施。

虽然目前已有不少瓦斯突出隧道的成功案例，但像鹞子岩隧道这样同时于背斜核部、大断层附近连续6次穿过突出煤层的情况还前所未见。且鹞子岩隧道为穿越中梁山脉的第一座瓦斯突出隧道， 相关设计施工经验欠缺。鉴于此，本文以鹞子岩隧道极复杂地质构造突出煤层揭煤防突设计为工程背景，以“区域防突措施为主、局部防突措施补充”[4]为指导思想，在充分探明煤层、瓦斯及构造等地质特征的基础上，系统制定了极复杂地质突出煤层揭煤防突的流程体系和工程措施，指导鹞子岩隧道的揭煤防突施工。

1 工程背景

1.1 工程概况

重庆铁路枢纽东环线鹞子岩隧道位于重庆市北碚区，为时速160 km的双线隧道；隧道正穿重庆中梁山脉，最大埋深330 m，全长 4 782 m。洞身中部分布约 2 800 m可溶岩，同时受环境保护区边界及线路接线高程控制，洞身于观音峡背斜核部、白庙子逆断层附近穿越二叠系龙潭组突出煤层，连续6次揭煤，地质条件十分复杂[5]。根据勘察成果资料，K8煤层测试数据中，仅有放散初速度未达到突出指标，其他3个参数均达到突出指标。隧道附近煤矿K2.K6-2煤层的勘测资料显示，煤层测试数据的放散初速度都未达到突出指标，但在开采过程中仍发生多次突出事故；邻近含相同煤层的磨心坡煤矿资料显示，该煤矿在1960～1998年期间共发生多达27次瓦斯突出事故，突出最大瓦斯涌出量达10万方，为煤与瓦斯突出矿井。因此，综合判定鹞子岩隧道穿越龙潭组煤系地层段具煤与瓦斯突出危险，为瓦斯突出隧道，按I级风险隧道进行管理。同时结合工期、排水、通风需要，隧道出口段线路右侧 35 m位置设置无轨运输平导，突出煤层段平导为单车道。

施工过程中，根据综合超前地质预报及煤层参数补充测试成果，对突出煤层段地质特征进行修正，煤层段地质纵断面如图1所示。煤层相关参数如表1所示。

图1 突出煤层段地质纵断面示意图

表1 突出煤层特征参数表

1.2 地质特征

根据探明的地质资料，突出煤层段具有以下区域地质特征。

(1)构造复杂

隧道及平导分别在DK 153+290、PDK 153+310处与观音峡背斜核部正交，地表核部为飞仙关组一段灰岩、白云岩地层，隧道穿越范围核部为二叠系龙潭组页岩夹煤层。背斜轴部受构造作用，岩体较破碎。

隧道正穿白庙子逆断层，下覆F1断层。白庙子逆断层与隧道及平导大角度交于DK 153+400和PDK 153+420附近，夹角约75°。白庙子逆断层切断观音峡背斜北西翼，使背斜东翼及其核部地层整体抬升，导致地表飞仙关组第二段紫红色泥岩直接覆于飞仙关第三段灰岩地层之上，且飞仙关三段灰岩地层的出露厚度急剧减小。钻探揭示断层破碎带宽约32 m。下覆F1断层使煤层区域地质特征更为复杂，超前地质预报揭示，煤层段岩层破碎，完整性较差。

(2)地下水发育

煤层上部为厚层灰岩，背斜范围构造作用下，岩体较破碎，同时因断层切割地层，地下水发育，隧道施工受地下水影响较大。

(3)瓦斯突出风险极高

瓦斯含量高，压力大，实测最大瓦斯压力为1.6 MPa，最大瓦斯含量达30.7 m3/t。煤层透气系数低，各层煤均较难抽采。超前地质预报过程中，瓦斯连续数月喷气、喷水，瓦斯动力现象十分明显，瓦斯突出风险极高。

(4)煤层相互影响大

隧道连续6次揭煤，其中K8煤层厚度达3.5 m，各煤层间最大间距13.5 m，最小间距8.2 m，煤层之间相互影响极大，防突处理难度大。

1.3 工程地质条件评价

鹞子岩隧道煤层特征工程类比如表2所示。

表2 突出煤层特征工程类比表

鹞子岩隧道同时于背斜核部、大断层附近连续6次穿过突出煤层的情况前所未见，煤层范围地质构造极其复杂，同时瓦斯压力大，小间距连续煤层分布段落长达65 m。鉴于鹞子岩隧道的地质特征，为确保工程安全，应对其揭煤工程防突进行系统研究。

2 防突流程体系

2.1 编制原则

(1)揭煤防突实施前，应建立并实施多方位的瓦斯突出安全保障体系；

(2)突出煤层段地质条件复杂，为避免瓦斯沿构造，尤其是断层带逸出引起瓦斯喷出，同时也为避免误揭煤层，隧道施工至断层及煤层50 m位置时，应提前实施超长距离综合超前地质预报，基本探明煤层、瓦斯及构造特征。

(3)鉴于煤层间距小，构造复杂，为确保施工安全，将背斜核部范围煤层视为整体煤层考虑。

(4)贯彻“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突原则，工作面防突措施设计为预案措施，在区域验证防突措施无效的情况下，启动工作面防突措施预案。

(5)针对鹞子岩隧道极复杂地质条件下近距离连续多次穿越突出煤层的实际情况，根据区域综合防突理念，首先以突出煤层段作为整体，一次性实施超前地质预报、区域突出危险性预测、区域防突措施及效果检验，然后分煤层循环进行区域验证和局部综合防突。

2.2 流程体系

鹞子岩隧道揭煤防突体系如图2所示。

施工图阶段基于该流程体系对各流程进行了针对性设计。在施工过程中，结合瓦斯规范变化及现场施工情况，增大了瓦斯区域抽放控制范围,启动了水力压力增透预案。

3 防突措施

3.1 安全保障体系

根据瓦斯突出工区安全要求，建立可靠的安全保障体系，包括通风系统、供电系统、防爆运输、安全监测、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通讯联络系统。

3.2 长距离综合超前地质预报

隧道施工至断层及煤层50 m位置时，提前实施长距离综合超前地质预报，基本探明煤层、瓦斯及构造特征，相关技术要求如下：

(1)分别于距离断层50 m、20 m以及距离煤层 50 m位置，分3次实施长距离综合超前地质预报，实施里程分别为DK 153+480、DK 153+460和DK 153+385，每次搭接长度不小于10 m，如图3所示。

(2)前两环穿越断层段钻孔与煤层底板交点应控制在开挖轮廓线外5 m范围内；最后一环应穿透所有煤层，穿越煤层段钻孔与煤层底板交点应控制在开挖轮廓线外10 m范围内，并确保能在开挖面距煤层前20 m以上位置时基本查明煤层特征。

图2 鹞子岩隧道揭煤防突流程体系图

图3 长距离超前地质预报示意图

(3)超前钻孔直径为φ89，平导布置5孔，正洞布置7孔，其中均不少于1孔取芯。

3.3 区域综合防突措施

(1)区域突出危险性预测

在距离煤层(法线距离)20 m时，一次性穿透所有煤层实施区域预测，采用φ89钻孔。考虑到地质复杂，煤层较多，预测孔在规范不少于3孔基础上有所增加，平导上台阶布置4孔，下台阶1孔，正洞上台阶布置4孔，下台阶2孔。预测孔需取芯，进入煤层底(顶)板岩层不小于0.5 m。

采用瓦斯压力P及吨煤瓦斯含量W作为瓦斯突出危险性预测指标，瓦斯压力小于0.74 MPa且瓦斯含量小于6 m3/t时无突出危险，否则具有突出危险。超前地质预报显示瓦斯动力现象十分明显，K8、K9上、K9下煤均具有瓦斯突出危险。

(2)区域防突措施

区域各层煤均较难抽放，为缩短抽放时间、提高瓦斯抽放效果。首先于区域预测断面位置对K8、K9煤层采用水力压裂增透处理。

煤层增透处理后，继续施工至距煤层法向距离 10 m处，实施区域瓦斯抽放钻孔施工，一次性穿过所有煤层实施区域瓦斯抽放。该段煤层处于背斜核部，地质条件复杂：一是拱顶若发生掉块、局部坍塌或片帮等，易造成瓦斯突出，危险性较大；二是隧底2个预测孔喷孔严重，截止瓦斯抽放前，喷孔时间已超过40 d，煤层瓦斯喷孔情况严重。结合现场实际情况及瓦规相关规范规定，为保证施工安全，将瓦斯区域抽放范围在施工图基础上适当加大，确定为隧道开挖轮廓线外顺煤层层理方向上下各20 m、左右各15 m，各抽放孔在煤层1/2厚度处的孔距不应大于4 m，抽放孔进入煤层底(顶)板岩层不小于0.5 m。水力压裂及区域抽放均采用φ89钻孔。

(3)区域措施效果检验

瓦斯抽放措施实施后，一次性穿透所有煤层实施区域效果检验，以确认煤层瓦斯抽放效果。当残余吨煤瓦斯含量小于6 m3/t时，认为防突措施有效，否则认为无效，采取延长排放时间、增加抽放孔数量、继续瓦斯抽放等补救措施，直至判定区域防突措施有效为止。考虑到地质复杂，煤层较多，检验孔较规范4孔有所增加，平导布置12孔，正洞布置17孔，距预抽区域边缘不大于2 m处不少于1孔。检验孔也采用φ89钻孔。

(4)区域验证

区域防突措施效果检验有效后，继续施工至距煤层底(顶)板5 m和2 m垂距时，分煤层循环进行区域验证。

区域验证采用钻屑瓦斯解吸指标法，采用φ89钻孔，钻孔数在规范3孔基础上有所增加，平导布置4孔，其中下台阶布置1孔。正洞布置6孔，其中下台阶布置2孔。

3.4 局部综合防突措施

工作面防突措施分煤层循环进行，包括工作面预测、工作面防突措施、工作面措施效果检验及实施安全防护措施。根据“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突工作原则，在区域防突措施失效的情况下，启动工作面防突措施。

揭煤前应实施安全保护措施，包括再次核查相关安全保障体系实施到位、已开挖段落实施完成系统支护及钢架、提前实施大管棚或小导管超前支护、针对揭煤作业风险编制相应的预案措施等。

3.5 防突措施实施效果

(1)长距离超前地质预报预测表明，断层范围无瓦斯突出危险，背斜范围煤层均具瓦斯突出危险。

(2)平导、正洞共设置钻孔约750孔，总长约40 000 m，瓦斯抽采方量共约20万方，抽放时间约3个月。

(3)抽放后吨煤瓦斯含量均小于6 m3/t，区域防突措施效果明显。

(4)揭煤施工过程中，分煤层区域验证均无瓦斯突出危险，未启动工作面防突措施。

(5)平导于2020年4月揭煤完成。截止2020年7月底，正洞揭煤已基本完成。

鹞子岩隧道揭煤工程的顺利实施，表明鹞子岩隧道揭煤防突流程体系及工程措施可用于指导极复杂地质的突出煤层施工。

4 结论及建议

4.1 结论

鹞子岩隧道于背斜核部、大断层附近连续6次穿过突出煤层，同时煤层厚度大、间距小，瓦斯压力大，兼有地下水影响，工程地质条件极其复杂。且该隧道为穿越中梁山脉的第一座瓦斯突出隧道，相关设计施工经验欠缺。为确保施工安全，制定了系统的安全保障体系，采用了长距离综合超前地质预报，区域瓦斯抽放前提前实施水力压裂增透，制定了“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突体系，首先以背斜核部小净距突出煤层作为整体，一次性穿透所有煤层实施区域突出危险性预测、区域防突措施及效果检验，然后分煤层循环进行区域验证、局部综合防突措施及揭煤作业。

本文以穿越中梁山脉的首座瓦斯突出隧道揭煤防突为工程背景，本着“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的指导思想，在充分探明煤层地质特征的基础上，系统制定复杂地质突出煤层揭煤防突流程体系及工程措施，成功指导了鹞子岩隧道的揭煤防突作业，可为类似地质条件的隧道揭煤防突作业提供指导，同时有助于拓展和完善瓦斯突出隧道揭煤防突设计的理念和方法，具有重要的工程实际意义。

4.2 建议

(1)鹞子岩隧道突出煤层施工过程中，瓦斯动力现象十分明显，喷孔十分严重，突出风险极高。鉴于瓦斯突出隧道的极高风险，工程选线应尽量绕避。

(2)为确保施工安全，瓦斯突出隧道应严格执行“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突工作原则。

(3)应将间距较小、构造复杂的多层煤视为整体，纳入一次性超前地质预报及区域防突措施控制范围，这对提高施工效率、确保施工安全效果明显。

(4)水力压裂增透可有效提高瓦斯抽放效果，大大缩短抽放时间，应结合工程实际合理选用。