一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统

摘要

本发明公开了一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统，首先对隧道的煤或岩层进行沿隧道走向60M范围内的区域预测，将预测结果分为无危险区、威胁区及危险区；针对危险区和威胁区分别进行处理：将所述威胁区及危险区中通过工作面预测所得出的危险面采取防突措施消除或减少危险；检验防突措施的效果，当防突措施的效果检验结果没有达到预期效果或无效时再次进行防突措施；当防突措施的效果检验结果在控制范围内时则在采取安全措施的前提下进行开挖工作。本发明提出全面综合突出防治技术执行系统，包括突出的预测、预报、防突技术措施、措施效果检查以及安全措施等方面的综合配套应用，实现了全面有效的防治瓦斯突出问题。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，尤其是一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统。

背景技术

隧道煤与瓦斯突出是指在掘进过程中煤与瓦斯的突然喷出。这种喷出在短时间内(数分钟甚至数秒钟)产生很大的冲击力量，破坏工作面，从煤层深处排出大量的煤、岩流和瓦斯，能摧毁巷道设施，造成窒息、燃烧和爆炸及煤、岩流埋入等事故。

据不完全统计，目前世界各国发生煤与瓦斯突出已达三万余次，其中突出强度最大的一次是1969年在前苏联顿巴斯矿区加加林矿发生的煤与瓦斯突出，突出的煤量达14200吨，突出瓦斯为25万立方米。我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，截止1995年底，国有重点煤矿中先后138个矿井发生了10815次煤与瓦斯突出，死亡1266人。最大的一次突出于1975年发生在四川天府矿务局的三汇一矿，突出煤量达12780吨，突出瓦斯达140万立方米，居世界第二位。显然，我国煤与瓦斯突出无论从数量还是从规模上均居世界之首。

随着我国交通、铁路建设的发展，穿越煤系地层的隧道越来越多，遇到有突出风险和威胁的高瓦斯隧道也越来越多，如南昆线上的家竹箐隧道，广渝高速公路上的华蓥山隧道等。相比较而言，煤炭系统多年以来积累了一套行之有效的生产管理规章制度，有专门的防爆防突设备，有长期与煤和瓦斯打交道的专业队伍，而交通基建系统则由于上个世纪瓦斯隧道数量较少，缺乏经验，缺乏设备，更缺乏专门的针对煤与瓦斯的规章制度。此外，隧道断面大，工期紧，线路位置一旦确定，隧道的方向和位置就不能随意更改，常常发生斜交揭煤的困难情况，增加了防突的困难。因此，瓦斯隧道比煤矿发生突出的风险更大，更具有危险性。原适用于煤矿巷道的指标对于隧道施工不一定合适，必须参照煤规范防突细则的标准，进行深入的地质分析并综合类似工程经验，认真解析，才能制定合理科学的防突体系，安全通过有突出风险的洞段。

新近开工建设的紫坪铺隧道是都汶高速公路的咽喉工程，区域地质构造复杂，断裂褶皱发育。洞身全段穿越须家河组，穿越多层炭质泥岩及薄煤层；此外在砂岩段中零星分布冲刷煤屑或煤包体。初勘CK2号孔和详勘SZK8钻孔分别对煤层及炭质泥岩进行了瓦斯压力测试，瓦斯压力0.172～0.67Mpa间，炭质泥岩也具有一定的瓦斯压力。

2007年4月18日左线隧道掘进至LK14+878，掌子面左下方出现约10cm²的小洞有“嘶嘶”声响，向外急剧喷射瓦斯，分别用便携式瓦检仪和光干涉式瓦检仪对孔口以及裂隙进行检测，瓦斯浓度已达10％以上。19日凌晨，该小洞内喷出黑色液体，并夹杂有细小煤屑和炭质泥岩细块，喷出距离约3.0m左右。现场分析，可能存在较大的突出风险。如果不建立一套实用有效的突出分析体系并确定相应的防突工程措施，难免发生煤与瓦斯突出安全事故。

针对这种工程背景，安全施工必须紧密结合地质分析工作，在掘进区域进行深入系统的突出危险性分析研究，并在危险区域采取相应防治措施，这对工程安全施工具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种较完善的并能有效防治瓦斯突出的一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统

本发明的技术方案如下：

一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统，采用如下步骤：

步骤1，首先对隧道的煤或岩层进行沿隧道走向60M范围内的区域预测，将预测结果分为无危险区、威胁区及危险区；

步骤2，针对危险区和威胁区分别进行处理：

(1)、针对危险区进行工作面预测，将预测结果分为无危险面和危险面，所述无危险面在采取安全措施的前提下进行开挖工作；

(2)、针对威胁区采取安全措施，在做好安全措施的前提下向前推进挖掘40M，然后进行工作面预测，将预测结果分为威胁面和危险面；

在整个隧道的开挖中，当上述预测结果为威胁面时在做好安全措施的前提下继续挖掘推进40M后再次进行工作面预测，当预测结果为危险面时进入下述步骤3；

步骤3，将所述威胁区及危险区中通过工作面预测所得出的危险面采取防突措施消除或减少危险；

步骤4，检验防突措施的效果，当防突措施的效果检验结果没有达到预期效果或无效时再次进行防突措施；当防突措施的效果检验结果在控制范围内时则在采取安全措施的前提下进行开挖工作；

根据隧道的地质和瓦斯条件采用钻孔排放或深孔控制卸压爆破两种防突措施。

所述安全措施包括：远距离放炮、横通道设反向风门后作为避难硐室、施工人员配备自救器、加强超前支护与结构支护。

有益效果：本发明提出全面综合突出防治技术执行系统，其中包括突出的预测、预报、防突技术措施、措施效果检查以及安全措施等方面的综合配套应用，实现了全面有效的防治瓦斯突出问题。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示：一种瓦斯隧道防突综合措施执行系统，采用如下步骤：

步骤1，首先对隧道的煤或岩层进行沿隧道走向60M范围内的区域预测，将预测结果分为无危险区、威胁区及危险区；

步骤2，针对危险区和威胁区分别进行处理：

(1)、针对危险区进行工作面预测，将预测结果分为无危险面和危险面，所述无危险面在采取安全措施的前提下进行开挖工作；

(2)、针对威胁区采取安全措施，在做好安全措施的前提下向前推进挖掘40M，然后进行工作面预测，将预测结果分为威胁面和危险面；

在整个隧道的开挖中当预测结果为威胁面时则在做好安全措施的前提下继续挖掘推进40M后再次进行工作面预测，当预测结果为危险面时进入下述步骤3；

步骤3，将所述威胁区及危险区中通过工作面预测所得出的危险面采取防突措施消除或减少危险；

步骤4，检验防突措施的效果，当防突措施的效果检验结果没有达到预期效果或无效时再次进行防突措施；当防突措施的效果检验结果在控制范围内时则在采取安全措施的前提下进行开挖工作；

根据隧道的地质和瓦斯条件采用钻孔排放或深孔控制卸压爆破两种防突措施。

所述安全措施包括：远距离放炮、横通道设反向风门后作为避难硐室、施工人员配备自救器、加强超前支护与结构支护。

在每一步骤中具体做法如下：

1、突出危险性预测

针对隧道围岩破碎，节理裂隙发育，且瓦斯以裂隙瓦斯为主，本发明在HSP和TSP预报的基础上，采用超前钻孔结合如下表预测工作面突出危险性。

根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出实施细则》规定，石门揭煤应在端面上打不少于5个钻孔。在已判定有突出危险工作面超前钻孔中，考虑公路隧道开挖面远远大于煤矿巷道，且需准确把握煤层的走向和分布，保证隧道开挖安全，钻孔终孔点控制隧道开挖线外5m，结合隧道开挖方法，纵、横向排距为4m，全断面钻孔数量为30个，钻孔每循环深度为60～80m，开孔直径Φ75mm，终孔直径Φ65mm。

根据本隧道实际地质(围岩破碎、节理裂隙发育)、瓦斯(总体瓦斯小，以裂隙瓦斯为主)特点，结合隧道开挖采用保留核心土环形掏槽开挖施工，首先对上台阶瓦斯情况进行预测，对上半断面面积计算，其预测孔为18个；按隧道开挖步骤，重点对第1步开挖范围内(开挖面积控制在16m²内)瓦斯情况进行预测，按开挖面积计算，预测孔可为6个就可对开挖面的上、中、下及左、右区域范围内进行控制；如上台阶瓦斯预测无突出危险，则可取消下台阶瓦斯预测孔。隧道在工作面保持10m的钻孔超前距为安全距离，严禁超掘。

如全部钻孔预测均无突出危险且各项指标比较均匀，在结合附表1分析的基础上，可视为该工作面无突出危险，否则应视为该工作面有突出危险，实施防治突出措施。

由于瓦斯突出会造成极其严重的安全事故，应同时进行钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法或“R”指标法判定。突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。其预测时的临界指标参照下表所列突出临界值。

2、煤与瓦斯突出防治

煤与瓦斯突出的防治主要是对具有突出危险的煤层采取专门的技术措施，使之在一定范围内先行释放煤与瓦斯突出的能量，从而达到消除或减少突出的危险性。隧道中煤与瓦斯突出防治措施包括震动性放炮、钻孔排放、管棚支撑、水力冲孔等。根据本隧道的地质和瓦斯条件，针对钻孔排放瓦斯和深孔卸压两种瓦斯突出防治方案进行比选。

1)钻孔排放

铁路瓦斯隧道针对煤与瓦斯突出建议采用钻孔排放方案，如参照规范钻孔排放参数为终孔控制隧道周边5m以上，排放半径为0.3～1.0m，一般排放时间为15～30d。

结合本隧道地质情况，该段总体煤层厚度小(为煤线)、岩休构造作用强烈，贯通性好，主要以裂隙瓦斯为主，加上该段围岩地质条件本身已经很差，故在瓦斯排放措施主要以控制隧道各个方位为主，当在6个预测孔中有瓦斯超标时，就在该孔周边进行补孔排放，原则上1个预测孔补充4个钻孔(其中有1个可作为效果检验钻孔)作为瓦斯排放措施。

2)深孔控制卸压爆破

在突出危险工作面上，利用15～25m超前钻孔(钻孔布置与超前预测孔一致)，其中部分钻孔内装药爆破，部分钻孔内不装药，起控制爆破裂缝方向作用。该措施的特点与松动爆破相比一是增大了孔深和孔径，二是增加了破裂导向控制也，从而增大爆破的松动卸压和瓦斯排放效果。爆破后的松动效果可通过增打观测孔测量爆破前后钻孔瓦斯涌出量的变化测得。控制卸压爆破钻孔布置与超前预测孔布置一致(钻孔数量减少1个)。

3)工程施工

针对瓦斯以裂隙瓦斯为主时，另外受地质构造影响，地质条件差，围岩稳定性差，在瓦斯排放安全的条件下，综合考虑现有瓦斯防突的经验、隧道特点、隧道工期、工程成本的要求，本隧道采用钻孔瓦斯排放方案，充分利用探测煤层分布、走向的超前探孔进行瓦斯排放。经过两个月的瓦斯排放，隧道掌子面瓦斯浓度有效降低到1％以下。

3、防治突出措施的效果检验

由于钻孔排放瓦斯在实施过程中，可能由于某些原因而使措施未能达到预期的效果和作用范围，因此，有必要在措施实施后进行措施效果的检查，当检查确认防突措施没有达到预期效果或无效时，必须采取补救措施，以保证揭煤过程中的安全。

防突措施效果检验按下表方法进行。

检验结果其中有任何一项指标，或在打检验孔时发生顶钻、卡钻及喷孔等动力现象时，应认为防突措施无效，必须采取补充防突措施(如采用抽放或水力冲孔等)。

如经效果检验测量瓦斯情况在指标控制范围内，则在安全防护措施条件下进行隧道工程其它工序作业。

4、安全防护措施

为有效降低瓦斯突出风险，保障施工安全，本隧道采取了多项安全防护措施，包括：远距离放炮(洞外放炮)、横通道设反向风门后作为避难硐室、施工人员配备自救器、加强超前支护与结构支护等。

1)爆破措施

经分析有突出危险工作面，采取防突措施并经效果检验有效后，隧道放炮作业除必须按照高瓦斯隧道爆破安全的有关规定外，还必须采用远距离放炮作业，开挖工序中任何一步放炮时，隧道内所有施工人员必须全部撤离隧道或在避难硐室内，避难硐室按要求设置反向风门和配备必要的自救器。

2)隧道开挖

根据防突隧道要求，结合现场地质情况，设计制定了两种施工工序施工方法，方案一为侧壁导坑开挖方法，方案二为保留核心土环形掏槽开挖方法(4台阶法)，结合工程实施难易程度、工程造价、通风控制等多方面比较，最终采用保留核心土环形掏槽开挖方法施工。

3)施工安全距离

按煤矿《防治煤与瓦斯突出实施细则》的要求，应预留足够的安全距离作为下阶段预测距离，根据煤矿防突工作面(一般为8m²、高度在2m左右)预留安全距离为5m经验，结合本隧道拟定开挖方法和地质条件(围岩破碎、节理裂隙发育)的现场实际情况，暂定工作面保持10m的钻孔超前距为安全距离，严禁超掘。

4)隧道结构加强措施

由于本地段地质构造影响强烈，围岩地质条件差，加上在防突措施的采用对围岩结构进一步产生破坏，为保证施工安全与隧道永久结构安全，需要对隧道结构进行加强处理，在瓦斯突出地段增强衬砌结构：

①超前支护采用双层自式进锚杆并进行注浆，一方面增加超前支护结构钢度，另一方面对未开挖围岩进行预加固处理；

②初期支护采用I22钢架(全封闭)，喷砼厚度为28cm；

③二次衬砌结构采用50cm厚钢筋砼结构；

④对下台阶增设围岩加固措施，采用4m长φ27自进式注浆锚杆径向加固围岩，使支护结构更加可靠；

⑤为减少瓦斯溢出量，初期支护喷砼和二次衬砌砼均采用气密性砼。

本发明建立了防突综合措施执行系统，包括：突出危险性预测；防治突出措施；防治突出措施的效果检验；安全防护措施。在钻孔排放和深孔卸压爆破方案比选的基础上，结合本隧道地质和瓦斯条件，采用钻孔排放作为隧道瓦斯防治措施，经工程实践证明合理有效。为降低瓦斯突出风险，保障施工安全，本隧道采取了多项安全防护措施，包括：远距离放炮(洞外放炮)、横通道设反向风门后作为避难硐室、施工人员配备自救器、加强超前支护与结构支护等，有效保障了隧道掘进安全通过瓦斯突出风险区域。