戎有龍

（中交路橋南方工程有限公司，北京 101149）

0 引言

我國西南地區(qū)多為山區(qū)丘陵，且煤礦資源豐富，當隧道穿越煤系地層時，遇到含瓦斯煤層的情況不在少數(shù)［1］。在遭遇上述不良地質(zhì)條件時，需要做出針對性的安全施工技術，以保障施工人員的生命安全及財產(chǎn)安全。如處理不慎，容易釀成瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等重大災害事故［2］。文獻［3 －5］表明，瓦斯爆炸事故導致的后果嚴重性與爆炸事故的頻發(fā)性在瓦斯隧道施工事故中均居于首位。因此，隧道穿越煤層的安全施工技術是當前瓦斯隧道施工的主要研究方向之一。

近年來，針對公路隧道穿越煤層的安全施工技術，國內(nèi)外學者開展了大量研究。蔣登學［6］以貴昆鐵路六沾線為例，提出了微臺階法施工。姜德義［7］通過突出危險性研究，區(qū)分出突出危險區(qū)、突出威脅區(qū)、無突出威脅區(qū)，針對不同危險性作針對措施。徐文平［8］以發(fā)耳隧道為例，提出將揭煤防突措施分為區(qū)域綜合防突措施和區(qū)域防突措施。梁衛(wèi)國［9］針對公路隧道穿越煤層群、采空區(qū)的施工安全問題進行研究，闡明了高速公路隧道穿越煤層群和采空區(qū)時的瓦斯涌出規(guī)律。黃長國［10］提出將公路隧道揭煤工藝流程分為三個階段：區(qū)域綜合防突措施階段、局部綜合防突措施階段和過煤門階段。李棟［11］針對西南地區(qū)的瓦斯賦存特征和瓦斯隧道揭煤的特點，提出了包括超前地質(zhì)綜合預報、突出危險性預測、區(qū)域防突措施、局部防突措施和分部揭煤等的大斷面瓦斯隧道揭煤防突體系。李文樹［12］在前述研究基礎上，在區(qū)域防突過程中加入了對煤層群分組水力壓裂的增透方法，在預抽之前對煤層進行水力壓裂增透技術，增加了煤層透氣性，提高了瓦斯抽采效率。李棟［13］提出了多孔割縫定向水力壓裂增透方法，研究出射流割縫導向系統(tǒng)裝置，優(yōu)化了割縫定向水力壓裂技術中的射孔導向、鉆孔布置、封孔及水力壓裂等關鍵工藝參數(shù)。于海平［14］以天城壩隧道為例，分多輪次對煤層群進行瓦斯抽采治理，根據(jù)隧道大斷面開挖的特點，指定了多臺階開挖方式。

由上述各學者研究可以看出，我國在瓦斯隧道穿越煤系地層的施工技術水平已經(jīng)達到了一定的高度，但在高瓦斯公路穿越薄煤層群安全施工技術研究方面卻鮮有成果。鑒于此，本文以蘭海高速重慶至遵義段某高瓦斯公路隧道為工程依托，對高瓦斯公路穿越薄煤層群安全施工技術進行綜合研究，為類似隧道穿越薄煤層群的安全施工技術提供參考。

1 工程概況

1．1 隧道情況

黃家溝隧道進口位于遵義市桐梓縣松坎鎮(zhèn)楠木村桷樹組，出口位于遵義市桐梓縣新站鎮(zhèn)群英村。隧道施工總體為兩端對向開挖掘進，隧道劃定施工分界點（左洞ZK15+700、右洞YK15+675）。其中：出口端（左洞ZK15+335） ，出口端左洞長為2 635 m。右洞起訖樁號（YK15 +675 ～YK18 +315） ，出口端右洞長為2 640 m。設計出口端左洞2 635 m=2 235 m（非煤系地層） +220 m（煤系地層） +180 m（非煤系地層） 。目前，出口端左洞已開挖掘進2 264 m，已進入設計煤系地層為29 m。該隧道地質(zhì)概況圖如圖1 所示。

圖1 工程地質(zhì)概況圖

1．2 煤層群分布特征

依據(jù)地質(zhì)超前探測鉆孔設計圖，施工單位在黃家溝隧道出口左幅掌子面（樁號ZK16 +071） 進行超前探測，共完成超前探測鉆孔5 個，實際鉆孔總進尺517．56 m（其中：1 號孔107．16 m、2 號孔102．6 m、3 號孔102．6 m、4 號孔102．6 m、5 號孔102．6 m） 。煤層群分布圖如圖2所示。

圖2 煤層群分布圖

根據(jù)超前鉆孔結果推斷，5 個超前探測鉆孔，除了4 號探測鉆孔（仰孔） 僅探測到2 層煤（含煤線） 外，其余的1 號，2 號，3 號，5 號鉆均已探測到5 層煤（含煤線） 。通過鉆孔和掌子面實際揭露的圍巖，推測當前掌子面前方100 m（里程樁號ZK16 +075 ～ZK15 +975） 以泥質(zhì)灰?guī)r和碳質(zhì)、泥巖為主，共含煤層6 層。其中M1 煤層真厚0．15 m，M2 煤層真厚0．19 m，M3 煤層真厚0．25 m，M4煤層真厚0． 1 m，M5 煤層真厚0． 26 m； M1 煤層視厚0．36 m，M2 煤層視厚0．30 m，M3 煤層視厚0．28 m，M4煤層視厚0．39 m，M5 煤層視厚0．45 m。該段巖層傾角20°左右，巖層與隧道軸線的夾角70°，初步判定煤層產(chǎn)狀258°∠20°，為薄煤層群。煤層的視厚度、真厚度、層間距、推進平距離、預見煤樁號見表1。

表1 M1 ～M5 煤層參數(shù)特征

根據(jù)GB/T 23250—2009 煤層瓦斯含量井下直接測定方法，于掌子面處鉆孔取樣，現(xiàn)場測定瓦斯解吸量； 解吸完畢后，將該煤樣送至具有相關資質(zhì)機構測量瓦斯的殘存量，檢測結果表明，煤層群含最大瓦斯的量達到12 m3/t，大于瓦斯突出的臨界值8 m3/t，有瓦斯突出風險。

2 穿越薄煤層群施工方案

2．1 施工準備

鑒于該隧道的地質(zhì)情況及特征，根據(jù)《貴州省高速公路瓦斯隧道施工技術指南》及《瓦斯隧道設計與施工技術規(guī)范》，施工前需做好相關準備工作：

1） 施工前，對防水板鋪設后及時施作二次襯砌并跟進仰拱。

2） 雙抗雙風管吊掛跟進至掌子面，距掌子面不宜大于10 m，保證24 h 持續(xù)正常供風。

3） 完善電氣設備防爆改裝、安裝工作，使用非防爆型作業(yè)機械時應設置便攜式甲烷報警儀，當瓦斯體積濃度超過0．5%時，應停止作業(yè)機械運行。

4） 橫洞施工封閉，保證隧道左右洞獨立通風，不發(fā)生污風串聯(lián)。

5） 各道工序、各種作業(yè)施工前，必須對作業(yè)人員進行安全技術交底和培訓。進洞人員必須隨身攜帶隔絕式自救器，嚴禁穿化纖衣服，自覺接受檢身登記。

2．2 揭煤施工

1） 揭過M1 ～M5 煤層段落，按照兩臺階法開挖工藝組織施工。揭過煤層期間每循環(huán)開挖應加深炮眼孔探測瓦斯，加深長度不應小于2 m，加深鉆孔數(shù)量拱部不應少于5 個、下部不應少于3 個。

2） 揭過M1 ～M5 煤層分兩個階段施工，第一階段，先揭過已取煤芯的M1 煤線、M2 煤線； 允許掌子面開挖推進樁號至ZK16 +030。第二個階段取M3 ～M5 煤層煤芯樣，與之前探測煤層真厚度對比。

3） 距離M3 煤層法向5 m 時，停止開挖，針對性的對M3 ～M5 煤層補充施工精探取芯鉆孔，探明前方情況，取芯鉆孔另行布置，在未施工補充精探鉆孔前，不得超距離開挖。實施超前探測鉆孔取M3，M4 煤芯樣，確認煤層真厚小于0．3 m，方可安排繼續(xù)開挖掘進。

4） 隧道在施工ZK16 +071 ～ZK16 +030 段落過程中，應采取加深炮眼和地質(zhì)素描手段，對已探測的煤層進行對比分析。若煤層真厚度、見煤里程與設計煤層不一致或瓦斯異常涌出時，應停止掘進。

5） 揭過M1 ～M5 煤層期間，必須堅持采取停電、撤人、遠距離（洞外） 爆破的安全防護措施。在施工掘進過程中，加強對隧道作業(yè)人員開展瓦斯防治安全知識培訓，提高全體作業(yè)人員的安全意識。

3 安全技術保障措施

安全技術保障措施見圖3。

圖3 安全技術保障措施圖

3．1 通風安全技術

1） 風機必須安設在距隧洞口30 m 以外無揚塵、無污染的安全地點，風機必須上架，風機底板距地面高度不得小于2 m。

2） 確保有一套同等性能的備用通風機，一趟備用風管，并經(jīng)常保持良好的使用狀態(tài)； 風機開關能自動切換。

3） 必須安設專人管理通風系統(tǒng)，嚴禁無計劃停風。

4） 風機突然停運且未及時恢復，必須及時將人員撤出地面并設置警戒，嚴禁無風、微風或瓦斯超限作業(yè)。

5） 嚴格執(zhí)行“一炮三檢”，杜絕瓦斯超限放炮。

3．2 監(jiān)測監(jiān)控措施

1） 機房配備監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)接口、電源避雷器、UPS電源，并設置信號避雷器一臺，值班室安排值班人員。

2） 建立隧道施工瓦斯監(jiān)測預警機制，在監(jiān)測到瓦斯異常變化情況時，及時通報相關領導和部門責任人，以采取有效措施。

3） 根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的瓦斯實時數(shù)據(jù)，當瓦斯體積濃度大于1%報警并且斷電，停止隧道內(nèi)的一切用電作業(yè)，立即撤出全部作業(yè)人員。當瓦斯體積濃度小于1%時，恢復送電。

4） 每天觀察隧道瓦斯?jié)舛龋L制瓦斯?jié)舛茸兓€，以判斷瓦斯涌出量變化。

3．3 人工瓦檢措施

1） 配備專職瓦檢員檢查瓦斯，定時定點對隧道進行檢查。每班至少配備一名專職瓦斯檢查員，配備高低濃度光干涉式甲烷檢定器，對可能出現(xiàn)局部瓦斯積聚的地點分別進行檢查。

2） 微瓦斯工區(qū)不應少于1 次/4 h，低瓦斯工區(qū)、高瓦斯工區(qū)不應少于1 次/2 h。高瓦斯工區(qū)和煤與瓦斯突出工區(qū)的開挖工作面及瓦斯涌出量較大、變化異常區(qū)域，應提高瓦斯?jié)舛葯z測頻率。

3） 由于隧道開挖斷面大，所以開挖工作面的檢測位置包括拱頂、兩側(cè)拱腳和兩側(cè)墻幫各距隧道周邊20 cm處共5 點，檢查后要填寫瓦斯記錄手冊、臺賬和洞內(nèi)瓦檢牌板。瓦斯體積濃度大于0．5%時，停止作業(yè)并向當班領導匯報。

4） 人工檢測必須實行24 h 跟班連續(xù)檢測制度和“一炮三檢”制度，即裝藥前、放炮前、放炮后要認真檢查放炮地點附近的瓦斯?jié)舛龋咚贵w積濃度超過0．5%，不準放炮。杜絕空班、漏檢、假檢。

3．4 安全防護措施

1） 在揭過M1 ～M5 煤層期間，應提高洞內(nèi)風速和風量，洞內(nèi)應停電、撤人。

2） 穿越M1 ～M5 煤層時，開挖工作面應全程檢測瓦斯?jié)舛?，當有煤與瓦斯突出預兆時，應停止工作面作業(yè)。

3） 揭煤爆破通風30 min 后，應檢測開挖工作面、二襯臺車、移動變電站、洞口回風段等位置的瓦斯?jié)舛?，確認安全后方可允許施工人員進洞。

4） 揭煤過程中，應保持主風機正常運轉(zhuǎn)、備用主風機及二路電源待啟動狀態(tài)。

3．5 洞外斷電起爆

1） 揭過煤層期間爆破工作的應全過程檢測瓦斯，爆破前應檢查爆破連線、組織設置警戒、撤出人員、清點人數(shù)、檢查瓦斯、煤塵濃度等工作并確認安全后方可啟爆。

2） 發(fā)生瓦斯噴出等異常狀況或其他煤與瓦斯突出預兆時，應立即報警、切斷電源、停止工作、撤出人員，并啟動應急預案。

3） 揭過煤線作業(yè)段放炮時，放炮地點設在洞口不小于20 m 范圍以外新鮮風流中，在放炮前切斷全部非本安型電器設備電源，執(zhí)行遠距離撤人斷電放炮。

4） 搜索路線：掌子面→下導→仰拱→二襯臺車→洞身→洞外。

3．6 防突技術措施

1） 防治煤與瓦斯突出措施應在距突出煤層最小法向距離10 m 前的位置進行，地質(zhì)構造復雜、圍巖破碎的區(qū)域應適當增加最小法向距離。

2） 防治煤與瓦斯突出可采用鉆孔抽放煤層瓦斯、鉆孔排放瓦斯、超前管棚、注漿加固、水力沖孔或其他經(jīng)試驗證明有效的措施。

3） 防治煤與瓦斯突出措施宜優(yōu)先采用鉆孔排放瓦斯，也可采用鉆孔抽放瓦斯。若采用鉆孔抽放瓦斯時，應另行編制瓦斯抽放專項設計。

4） 揭煤工作面超前支護應在隧道拱頂和兩側(cè)一定范圍內(nèi)布置，并進行注漿加固。

5） 煤與瓦斯突出工區(qū)鉆孔排放瓦斯過程中，應加強工作面風流及回風道風流中瓦斯?jié)舛葯z測。

3．7 煤層自燃處置

1） 具有煤層自燃傾向性和煤塵爆炸性的煤層施工，應采取濕式鉆眼、水炮泥封孔、熱源明火控制等措施。

2） 具有煤層自燃傾向性和煤塵爆炸性的煤層施工，應在工作面安設溫度傳感器、一氧化碳傳感器、粉塵傳感器進行監(jiān)測監(jiān)控。

3） 具有煤層自燃傾向性和煤塵爆炸性的煤層爆破前后、挖掘、裝載、運輸?shù)犬a(chǎn)塵環(huán)節(jié)，應加強通風和灑水等綜合防塵、降塵措施。

4） 通過具有煤層自燃傾向性的地層，應對暴露面及時封閉，空洞采用不燃性材料回填密實。

5） 具有煤層自燃傾向性的煤或煤矸石應堆放至指定渣場處理，不得作為路基填料。其處理措施主要有打孔灌漿、分層碾壓堆積、分層覆土等。

3．8 防火安全措施

1） 應在洞外設置消防水池和配備消防用砂，其中水池儲水量不得小于200 m3。

2） 瓦斯隧道洞口值班房、通風機房等洞口附近20 m范圍內(nèi)不得有火源。

3） 設置有效且足夠的消防器材，放在易取的位置并且設立明顯標志。各種器材做到定期檢查補充和更換，不得挪用，對滅火設備或設施，時常保持良好狀態(tài)。

4） 隧道內(nèi)嚴禁明火作業(yè)。

5） 瓦斯工區(qū)應避免電焊、氣焊、噴燈焊接、切割等動火作業(yè)，當不得不進行動火作業(yè)時，應符合相關規(guī)定。

4 結語

1） 采用地質(zhì)超前探測鉆孔進行超前探測，探明在掌子面前方100 m 的煤層情況共有5 層煤層，其中M1 ～M5煤層為薄煤層群，據(jù)此指定針對性的施工方案。

2） 根據(jù)隧道實際工程情況，形成了一套完整的高瓦斯公路隧道穿越薄煤層安全技術，隧道施工過程中也驗證了該技術的可行性，可為類似穿越薄煤層群的隧道工程提供參考。