浅谈水工隧洞煤与瓦斯突出防治方法

【摘要】水工隧洞煤与瓦斯突出的防治方法，应根据具体的工程特点合理安排施工，满足工程实体质量的需要，文中以具体的工程实例为基础，论述了防止方法的可行性和实用性。

【关键词】隧洞；煤；瓦斯；突出；防治方法

通过在重庆市忠县白石水库扩建工程总干渠4#隧洞工程的具体施工管理，对水工隧洞煤与瓦斯突出有了一定的了解，根据本工程的施工特点并结合水利工程的相关理论知识，就水工隧洞如何防治煤与瓦斯突出谈一点体会。

1.工程概况

此隧洞地处重庆市忠县巴营山脉，进口位于白石镇华富村陈家沟骑龙嘴，出口位于忠州镇松柏村下韩家沟，全长7238米，只有进、出口两个施工作业面，无施工支洞。设计隧洞断面为城门型（直墙半园拱），开挖断面尺寸为：洞宽3.4米，洞高3.45米，直墙高1.75米，半园拱半径1.7米，设计断面面积10.49平方米，4#隧洞经对总干渠4#隧洞就按照瓦斯隧洞施工要求，重庆煤炭科学研究院瓦斯专家现场勘察确定4#隧洞为高瓦斯隧洞。

2.瓦斯概述

瓦斯的成份比较复杂，其主要成份是甲烷（CH4，俗称沼气），占80%～90%以上，另外还含有其它烃类及CO2和稀有气体。沼气无色、无味、无毒，比空气轻，难溶于水，遇火即燃烧或爆炸。瓦斯主要是以游离状态和吸附状态存在于煤、岩体中。瓦斯的游离状态和吸附状态是在一定温度和压力条件下的动平衡，当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯将由游离状态转化为吸附状态，即吸附；反之，如果压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，即解吸。而当隧洞施工揭穿吸附有瓦斯的岩层时，岩层中的吸附瓦斯就会大量解吸为游离瓦斯。

3.煤与瓦斯突出的原因和特征

3.1突出原因和后果

煤与瓦斯突出是施工过程中发生的一种煤与瓦斯的突然运动现象。饱含瓦斯的煤层或地质构造，在地质构造力、地层静压力的综合作用下，积蓄了一定的弹性潜能，处于弹性变形状态，然而，由于隧洞施工，必然引起平衡状态的煤与瓦斯压力体系遭到破坏，弹性潜能和游离瓦斯突然释放，煤、岩层内裂隙迅速增加，吸附瓦斯在瞬间大量解吸，煤、岩体进一步破坏，瓦斯压力迅速上升，瓦斯将大量涌向隧洞空间，当瓦斯压力大于煤（岩）壁的强度，高压瓦斯就能冲破煤（岩）壁，携带着破碎了的煤、岩以极快的速度喷向隧洞空间，在气流运动过程中，煤、岩进一步粉碎形成大量粉状煤、岩，含有细粒煤、岩的气流产生的动力冲击作用，能破坏隧洞内的设备和设施，喷出的瓦斯能充满隧洞，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。危机施工安全，增大施工难度，且严重影响施工工期。

3.2煤与瓦斯突出的基本特征

煤与瓦斯突出按动力现象分为突出、压出和倾出三种，突出的动力现象明显，突出的煤向外抛出的距离较远，且破碎程度较好，破坏性尤为严重，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，压出的动力现象较明显，压出的煤位移和距离较小，且呈块状，瓦斯涌出量增大；倾出无明显动力现象，倾出的煤就地按自然安息角堆积，瓦斯涌出量明显增加。

4.隧洞穿越有突出危险瓦斯岩层的防治措施

4.1钻屑瓦斯解吸指标法预测煤层突出危险性

当隧洞施工接近突出危险吸附瓦斯岩层10m（垂距）以前，打两个穿透煤层全厚且进入煤层顶（底）板≥0.5m的前探钻孔，进一步探明煤层的赋存状态（煤层倾角、厚度）和瓦斯情况，同时起到加速排放瓦斯的作用，在距煤层5m（垂距）时，至少打两个直径50～70mm的预测钻孔。在预测钻孔进煤层时，用孔径1mm和3mm的筛子筛分钻屑，用MD-2型解吸仪测定解吸指标△h2（Pa），用ATY型突出预测仪测定瓦斯解吸指标K1，当实测任一解吸指标大于表1中的突出危险临界值时，则预测为突出危险煤层，反之无突出危险。

4.2隧洞穿越有突出危险煤层的施工

在隧洞施工中，当隧洞穿越有突出危险煤层时，常采用抽放瓦斯或排放瓦斯的防治措施，但执行这些措施的时间均较长（>3个月），而水工隧洞施工往往工期较紧，因此，结合水工隧洞的施工手段及工期需要，采取超前管棚与震动放炮的方法穿越有突出危险的煤层。

4.2.1超前管棚的架设

当隧洞岩石工作面距煤层2m（垂距）时，沿隧洞顶部和两侧边墙布置超前管棚，管棚间距0.2～0.4m（围岩破碎时取小值），使泥浆对井壁及裂隙的影响尽量减小，以提高渗透力，增大出水量。

4.2.2震动放炮

震动放炮的炮眼布置按光面爆破要求，炮眼数量为通常放炮的2～3倍，煤眼、岩眼交错布置，也就是煤眼穿透煤层，岩眼不得打入煤层。如果岩眼打入煤层，必须在岩眼底部充填0.2m炮泥，打穿煤层的炮眼都在炸药与封泥间装1～2个水炮泥，封泥密实地装至孔口。震动放炮的单位耗药量为正常施工时的1.5～2倍。采用电毫秒雷管，一次性全断面揭穿或揭开煤层，若煤层倾角较缓，采用台阶法施工，但必须保证隧洞工作面距煤层的岩柱厚度≥2m，然后采用震动放炮一次性全断面揭穿或揭开煤层。

4.2.3适用条件和特点

超前管棚的架设可有效地控制动压对围岩的破坏，震动放炮一次性揭穿或揭开煤层，避免了大量瓦斯突然涌出造成的安全危害，并极大地缩短了隧洞穿越煤层的施工时间。这种方法适用于具有压出特征的煤层。对于具有突出特征的煤层，要与抽放瓦斯或排放瓦斯的措施相结合。管棚穿透煤层进入顶（底）板0.5m，管棚直径≥50mm，并通过管棚向煤层和围岩注浆，超前管棚与钢拱架配套施工，超前管棚架设在钢拱架上。

4.2.4施工中的要点

（1）超前管棚起支撑、稳固围岩的作用，架设必须牢固。

（2）震动炮眼的布置要严格按设计要求施工，装药结构要合理，达到一次性揭穿或揭开煤层的目的。

（3）施工中要加强瓦斯的检查，发现异常，必须采取措施，严禁超限作业。

（4）必须打前探钻孔，避免施工中误穿煤层，超前探钻孔超前距≥2m。

5.隧洞穿越无突出危险煤层的施工

隧洞穿越无突出危险煤层时，由于煤层中吸附瓦斯大量解吸，涌向隧洞空间，所以，当隧洞施工至煤层2m（垂距）时，仍然采用震动放炮一次性揭穿或揭开煤层，以免施工中瓦斯涌出量突然增大而造成安全危害。

6.瓦斯防范

6.1按隧洞的最大瓦斯突出量供给足够的风量，根据隧洞施工的最大长度选择风机和风筒，保证足够的风量达到工作面。

6.2在隧洞施工过程中，要加强瓦斯监测，建立瓦斯监测制度，必须进行日常的瓦斯检查工作，回风流中瓦斯浓度必须≤1%。若发现异常，应及时采取措施。

6.3隧洞内的电气设备（包括电机车、装岩机、电线电缆、开关、照明、接线盒、放炮器等所有施工用机电设备）全部使用防爆型设备且安设风电闭锁（停风停电）和瓦斯电闭锁（瓦斯超限停电）装置。工人照明用灯也要使用煤矿专用矿灯

6.4风流中安设瓦斯自动报警检测断电装置，断回风流中的电器设备。

6.5工作面掘进必须要先探后掘，超前探孔应不小于30-50米，以探明前方的瓦斯，硫化氢、地下水和地质构造等情况。

7.结论

煤与瓦斯突出是地压、瓦斯、煤、岩体的物理机械性和重力综合作用的结果，是十分复杂的动力现象。水工隧洞施工中，如何安全、有效地防治煤与瓦斯突出是值得研究的课题。超前管棚与震动放炮施工穿越动力现象不十分明显的有突出危险煤层，效果是比较好的（依照矿山石门穿煤层的施工经验和方法）。同时，对施工工期十分有利，而且避免了瓦斯涌出量突然变化给隧洞施工带来的安全危害。

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