简议公路隧道煤层施工及瓦斯的防治

摘要: 文章对公路隧道过煤层的施工要点及瓦斯防治措施进行了分析。在煤层瓦斯段施工作业中,只要把握好煤层瓦斯段的减压和通风措施,密切监视瓦斯浓度,就能保障施工的安全。本文总结了过煤层瓦斯段的施工工艺,相信对从事相关工作的同行有一定的参考作用。

关键词: 公路隧道施工；瓦斯防治；

1 当前隧道施工方法

施工方法的选择应以地质条件为主要依据,结合工期、建筑物长度、断面尺寸、结构类型及施工技术力量等综合考虑。其指导思想可概括为:

1)不论何种施工方案都应确保施工的安全,并需制定相应的安全技术措施,以适应隧道施工环境差、不安全因素多的状况。

2)选择施工方法应根据设计文件、施工调查情况、地质、围岩类别、隧道长度、断面、衬砌、工期要求以及施工队伍的技术水平等因素综合考虑。

3)优先选用全断面或少分部的开挖方法,以减少施工工序,便于机械化作业,改善作业环境,利于施工安全。

4)对地质变化较大的隧道施工环境,选择施工方法时要考虑地质变化的适应性,尽量避免变更施工方法打乱工序,影响进度和安全。

5)尽量采用成熟的新技术、新工艺、新设备,积极开拓创新,提高综合施工水平。

2 过煤层隧道施工要点

高速公路工程特点、重要性和国家对公路保护的强制性法律规定,高速公路及其隧道工程的保护等级和禁采标准可参照国家一级铁路的标准确定为一级保护。煤矿矿井、水平、采区的设计应圈定禁采区域,禁采区域的回采、试采及禁采区域外开采方式也按一级保护要求进行控制从力学角度看,在岩体中进行高速公路隧道开挖后,将破坏原始地应力场,岩体将产生新的应力场及应变,衬砌结构的施作使应力逐渐产生新的平衡,变形趋于稳定。

3 采空区处理及其上覆岩体变形规律

处理采空区的方法主要有以下几种:

1)全部垮落法,即采用垮落采空区的直接顶以充填采空区。

2)充填采空法,即由地面或井下采集充填料把采空区充填满。全部充填满的方法称为全部充填法,局部充填采空区的方法称为局部充填法。

3)刀柱管理法,即采空区留煤柱支撑顶板。这种方法在直接顶是坚硬岩层时使用。

4)缓慢下沉法,即由于顶板自身的挠曲下沉而把采空区闭合。煤矿采空区上覆岩体变形的资料分析,采空区上覆岩体变形有如下基本规律:

1)水平及缓倾斜煤层(0～250)采空区上覆岩体变形范围较大,在煤层倾向方向及走向变形区呈鞍状,等值变形线平缓。当上覆岩体为软、硬质岩相间时,在岩层面多存在离层裂隙,岩体变形在离层裂隙上下有较剧烈的变化。 使用长壁式全部冒落采煤方法开采时,采空区上覆岩层的稳定后,一般形成由上而下的冒落带、裂隙带及整体移动带。这三带并无明显界限,且覆岩体越弱,其冒落带、裂缝带范围越小。

2)倾斜煤层(250～500)岩层移动情况与水平和缓倾斜煤层一样,也会出现冒落带、裂缝带和整体移动带。只是由于倾角增大,产生了沿层面的向下移动,使岩层各点的移动偏向下山方向。

3)急倾斜煤层(>450)岩体变形影响范围较小,变形区在煤层倾向方向呈抛物线形,在走向方向亦呈鞍形。上覆岩石多以整体沿层面滑移为主,在软弱岩体及受构造影响带,可能出现抽冒现象。

4 穿煤隧道瓦斯防治及施工通风技术

钻孔释放瓦斯,保证了隧道掘进安全,是一种经济、可行的方法,是防治瓦斯的重要手段,而合理的通风系统既能稀释和防治瓦斯,又能满足其它施工工序的需要。

4 . 1 瓦斯释放

穿煤隧道施工中,瓦斯容许浓度如表1所示。

表1 穿煤隧道施工瓦斯容许浓度

不按防爆方案施工的隧道,以0.5％ 作为瓦斯自动报警断电的控制浓度。随水平超前探孔的钻进,瓦斯也随之涌出或喷出,瓦斯逐步释放,使隧道开挖时瓦斯涌出量减少至安全量,确保了施工安全。水平超前探孔起钻点应保证有足够的岩盘,又能尽快钻出瓦斯,达到安全排放瓦斯的目的。

4 . 2 施工通风系统

按一般经验和要求,大断面隧道施工,洞内最低风速可为0.15m/s。瓦斯隧道中通风防治瓦斯的关键是尽快排出瓦斯和降低瓦斯浓度,防止出现空气静止区,产生瓦斯积聚。采用直径为2.5m风管,双机并联的压入式方案,能解决2500m独头隧道通风问题。混合式通风有利于向洞内压入新鲜风流,稀释瓦斯浓度,加快瓦斯排放,是比较安全的。混合式通风对于小断面单线隧道因受风量的限制难以作到,但对于大断面高速公路隧道则是可行的。在平行双孔隧道施工中,经常设有联络横通道,利用横向通道可以实现射流通风,以达到控制风流方向和增大风流的目的。

5 过煤层瓦斯段的步骤与方法

5. 1 加强地质监测工作, 严格掌握岩层层位

第一步,根据地质变化分析,煤层将提前100m左右出现,为确保不出现意外,我们在设计煤层位置提前150m用地质钻进行钻孔进行煤层预报,每次超前钻孔预报20m。第二步,在确定煤层准确位置后,在距煤层10m(垂距)之前,在断面四周布置一定数量的前探钻孔,以保证确切掌握煤层的厚度、倾角变化、地质构造和瓦斯情况等,以免误穿煤层。钻孔进入煤层底板不少于O.5m,并详细记录岩芯资料。第三步,在距石门工作面5m(垂距) ,测定煤层瓦斯压力。第四步,当开挖面与煤层面垂距不足5m大于2m时,为防止误穿突出煤层,必须确定突出煤层层位,保证岩柱厚度不小于2m。

5 . 2 测定煤层瓦斯压力步骤

①在测压钻孔内插入带有压力表接头的紫铜管,管径为6～8mm,长度不小于7m;

②将特制的柱状粘土(含自然水份经炮泥机挤压成型的炮泥)送入孔内,柱状粘土末端距紫铜管末端0.2～ 0.5m,每次送入0.3～ 0.5m,用堵棍捣实;

③ 每堵lm粘土柱打入一个木塞,木塞直径小于钻孔直径10～15mm,打入木塞时应保护好紫铜管,以防折断;在孔口(0.5～1.0m)用水泥砂浆封堵。经24h凝固后,安上压力表测压,并详细记录压力上升与时间的关系,直到压力稳定时为止,稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。

5 . 3 揭穿突出煤层的方法

第一种情况,当突出煤层厚度小于0.3m时,直接用震动放炮揭穿煤层。第二种情况,当突出煤层厚度大于0.3m时,则根据煤层厚度,煤层硬度及瓦斯压力等情况,采用抽放瓦斯、水力冲孔、排放钻孔孔等措施,将瓦斯压力降到0.74MPa以下,然后在开挖断面周围打金属骨架。内排采用∮50长4m钢花管,倾角外倾20°,间距50cm,注水泥砂浆,外排距内排位置50cm,打4m∮32中空锚杆,注浆液为水泥-水玻璃双浆液。

5 . 4 震动揭煤

震动放炮要求一次全断面揭穿或揭开煤层。对急倾斜和倾斜的薄煤层,都必须一次全断面揭穿煤层全厚,对急倾斜和倾斜的中厚、厚煤层,一次全断面揭入煤层深度应不少于1.3m;对缓倾斜煤层,应一次全断面揭开岩柱。如果震动放炮未能按要求揭穿煤层或未崩开石门全断面岩柱,在掘进剩余部分时(包括掘进煤层和进入底、顶板2m范围内) ,必须按照震动放炮的安全要求,进行放炮作业。

6 结语

本文基于笔者多年从事隧道施工的相关工作经验,以隧道过煤层施工为研究对象,探讨了过煤层隧道的施工方法和瓦斯防治技术,简要概述了现代隧道施工的方法,而后指出过煤层隧道施工的研究要点,进而分析了过煤层瓦斯段的施工工艺。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。