摘要：基于渝黔铁路天坪隧道瓦斯区段的设计、施工实例，针对瓦斯隧道煤与瓦斯突出危险，结合“超前综合防突措施先行、工作面综合防突措施补充”的原则，系统阐述了隧道在煤系地层掘进中的超前地质预报、揭煤防突、硫化氢气体处理等瓦斯防治措施，以供同行参考与借鉴。
关键词：瓦斯工区;煤系地层;揭煤;
作者简介：李乐（1982—），男，高级工程师，从事隧道、地铁设计相关工作。;
天坪隧道位于贵州省桐梓县北部，隧道全长13867m，单洞双线，设计速度为200km/h，隧道内净空面积为98m2。隧道设置为：贯通平导+1座斜井+横洞（主副井）。全隧共设置4个工区，其中横洞工区为瓦斯突出工区。
该隧道在正洞DK127+710—DK127+850、平导PDK127+685—PDK127+825段穿越龙潭组煤系地层，共有3～22层煤，其中19层煤稳定性较差，煤层厚度均小于30cm，对隧道影响较大的可采煤共有3层，为C3,C5,C6煤层，平均层厚分别为1.8m,3.3m,3.5m，压力分别为1.036MPa,1.112MPa,1.342MPa，走向为N42°E，倾向南，倾角为70°。煤层走向与隧道交角为54°，穿越F12断层，岩体较破碎，易引发煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、坍塌可能，施工风险大，为本隧道的重点防控区段。
根据DZ-7钻孔C3实测煤与瓦斯参数对比，煤层参数均大于瓦斯突出临界值，本隧道的横洞工区为瓦斯突出工区，应按照瓦斯突出相关要求进行设计施工管理。
2揭煤防突措施2.1揭煤防突综合方案揭煤防突严格按照“超前区域综合防突措施先行、工作面综合防突措施补充”的原则开展设计与施工，以“超前地质综合预报→超前综合防突（瓦斯突出危险性检测及验证，打设抽放孔抽排）→工作面防突（超前支护→揭煤前三次钻探与突出危险性预测）→揭煤开挖→初期支护→水气排放系统→二次衬砌”程序进行施工。平导采用两台阶分断面揭煤方案，正洞采用三台阶分断面揭煤方案。
利用地质调查、地质素描分析、TSP超前地质预报、超前探孔等多重手段进行超前综合预报，以预测煤层位置、产状（走向、倾向、倾角）、煤层厚度等[1]。
(1）第一次超前钻孔（初步煤层定位）横洞（副井）进入平导后，平导施工至PDK127+850（距C6煤层70m）进行第一次超前地质钻孔，掌子面布置3个探孔进行煤层位置及断层初探。超前钻孔直径为φ108，一次性穿透C6,C5,C3煤层，各钻孔均取芯初步测定煤层瓦斯含量、瓦斯压力、煤层硬度系数、煤层瓦斯放散初速度。
(2）第二次超前钻孔（超前预测孔、确定煤层实际参数）在第一次钻探的基础上，平导施工至PDK127+810里程处（距C6煤层30m），实施第二次地质钻探。施作φ89超前钻孔，共打设探孔16个，一次性穿透C6,C5,C3煤层，鉴于区内地质构造复杂，整个地质钻孔均采用钻孔取岩芯。依据钻孔见煤、出煤点及岩心试验数据，验证各煤层的走向、位置、倾向、倾角、厚度及瓦斯赋存情况，为抽排瓦斯设计提供具体参数，同时对煤层内瓦斯突出危险性进行判断。超前钻孔施工过程中观察记录瓦斯动力情况，当出现顶钻、喷孔等瓦斯动力现象时按突出危险性煤层管理。
2.3超前综合防突措施在隧道接近初探突出煤层10m前，应开展超前综合防突工作。由于天坪隧道揭煤区域受F12断层破坏，导致揭煤断面大，为防止断层破碎带瓦斯突出，在PDK127+800（距C6煤层20m）处打设抽放孔，采用穿层网格预抽煤层瓦斯施工技术，实施瓦斯抽排，一次性穿透C6,C5,C3煤层，抽排平导与正洞的瓦斯。将隧道煤系地层瓦斯吨煤含量降至8m3/t以下作为控制指标进行测算。
抽放范围：开挖顶面以上部分为轮廓线外16m、底板面以下8m；抽放孔直径为79mm；终孔间距小于4m。
当瓦斯压力（小于等于0.74MPa）和吨煤含量（小于等于8m3/t）均低于突出限值后，按流程进行下一步施工和验证，如果仍具有突出危险时应延长抽放时间，直至检验效果达到超前综合防突要求，方可进行下一步施工。
2.4工作面防突措施应针对平导、正洞中的各煤层分别采取工作面防突措施。采用渐进式揭煤技术分步验证，以平导C6煤层为例对揭煤步骤进行分解：开挖至距C6煤层7m→C6煤层7m防突效果检验→隧道开挖距C6煤层5m→C6煤层5m防突效果检验→隧道开挖距C6煤层2m→C6煤层2m防突效果检验→施工采用金属骨架加固→煤体注浆固化→揭开C6煤层。C5,C3煤层突出危险性验证参照C6煤层进行。
2.5石门揭煤揭煤距C6煤层2m验证孔施工过程中无异常现象，全部指标均在突出临界值以下，防突措施有效；揭煤工程可以进行下一步揭煤前局部防突措施的施工和C6煤层的揭煤工作。平导过煤系地层采用上下台阶法开挖施工，正洞过煤系地层采用三台阶法施工。
(1）石门揭煤超前加固措施。根据已打设的超前地质孔、预测孔及瓦斯抽排孔，已探明瓦斯段落发育有F12断层，围岩较破碎。为防止施工期间出现坍塌、围岩变形，引起周边其他范围的瓦斯气体汇集到掌子面严重危及施工安全，对C6,C5,C3煤层区域进行超前全断面帷幕注浆加固。平导加固圈为3m，并全环设置φ89超前中管棚；正洞加固圈为5m，并全环设置φ108超前大管棚。
(2）上台阶先行揭开石门。石门爆破的炮眼长度为2～2.7m，一次性揭穿石门，加强通风。石门揭开后立即进行锚喷支护，架立拱架并打设系统锚杆支护。
(3）煤层掘进。揭开石门并进入煤层1m后，立即沿顺层方向施工预测钻孔，每个煤层施工顺层预测钻孔3～9个。预测钻孔采用煤电钻施工，钻孔孔径为φ60mm。每打1m煤孔，收集全部钻屑，验证有无突出危险性。若指标合格则继续掘进；若指标不合格则钻孔排放瓦斯并加大通风，直至指标合格后方可掘进。
2.6煤系地层段隧道二衬设计(1）正洞采用C40防渗等级为P12的混凝土。喷射混凝土厚度均大于等于15cm，二衬厚度均大于等于40cm。
(2）初期支护及二次衬均采用气密性混凝土，掺入气密剂；初支和二次衬砌之间铺设全环瓦斯隔离板+闭孔型PE泡沫垫层。
(3）瓦斯设防段的二次衬砌施工时应先埋设φ32压浆孔，衬砌施工完毕及时注浆，充填二衬与初支之间的空隙，防止瓦斯进入。
(4）施工缝气密性处理：环向施工缝设置中埋橡胶止水带+背贴止水带；纵向施工缝设置中埋式止水带+橡胶止水条，并在混凝土施工缝界面处掺入接缝界面剂，混凝土拆模后在其内表面的接缝涂刷防渗涂料。
(5）封闭瓦斯结构措施应向瓦斯等级较低地段延长100m。设置水气分离装置。
3硫化氢气体处理施工过程中，平导PDK127+905—PDK127+800段内有硫化氢气体，浓度时大时小，硫化氢浓度最大达到50ppm，超出安全临界浓度20ppm的2.5倍。
处理措施为：①加强通风稀释硫化氢浓度；②每次爆破后对掌子面后50m范围内采用喷雾除尘设备喷淋碱性溶液（1%碳酸钠溶液）；③在距掌子面40m处设置沉淀池，50m处设置处理池，掌子面流出的水汇集沉淀池后，通过水沟流入处理池，处理池内放置熟石灰，对水中硫化氢进行中和处理，达标后排放；④完成初期支护后先采用5%碳酸钠碱性溶液进行注浆，再用水泥浆进行封堵；⑤对硫化氢溢出段落的平导施作模筑衬砌进行封闭。
4瓦斯突出工区施工配套要求(1）电气设备与作业机械。瓦斯工区的电气设备和作业机械均采用防爆型，其防爆设备的安全性能须取得相关部门认证，进场须经专职人员检查，瓦斯工区应采用两路电源和两条回线路。采用备用电源时，其能力应满足通风和照明系统正常运转的要求[2]。
(2）施工通风。在施工过程中通过加强通风来防止瓦斯积聚，平导采用1台SDF(C)-(110×2）轴流风机（备用1台），正洞采用1台SDF(C)-NO13(135×2）轴流风机（备用1台），瓦斯钻孔、抽排及揭煤期间24h不间断通风，另外在砌台车、附属洞室及异型段设置局部风扇通风或空气引射器保证通风顺畅，在加强通风的同时加强了瓦斯通风自动监测和人工检测工作，保证通风效果。瓦斯工区施工期间建立了通风管理制度，并设置专职管理员测定气象参数、瓦斯浓度、风速、风量等参数[3]。
瓦斯工区洞内允许最低风速大于等于0.25m/s，为防止瓦斯在隧道内产生局部聚集，通风风速大于等于1m/s，且通风后隧道内的瓦斯浓度小于等于0.5%。
(3）瓦斯监测和检测。瓦斯工区必须建立瓦斯、二氧化碳和其他有害气体的检查管理体系，建立瓦斯自动实时监测与人工检测相结合的监测系统。当地层富含H2S,CO,N2等有害气体时，配备相应的气体测定器。
5结语通过对天坪隧道瓦斯工区揭煤防突技术进行设计，并结合现场施工情况采取针对性措施，最终保证了施工过程的安全，可为今后类似项目提供参考。
参考文献[1]王应魁.高速公路低瓦斯隧道施工技术及控制要点[J].工程建设与设计，2020(4):184-186.
[2]韦祝军.含煤地层隧道工程瓦斯突出危害及防突施工分析[J].安阳工学院学报，2020,19(6):97-100.
[3]刘玉贤，谢忠球.隧道穿越煤系地层的施工风险[J].湖南城市学院学报（自然科学版），2020,29(4):11-14.
