四川某隧洞工程地质问题及超前地质预报方法

四川某隧洞工程地质问题及超前地质预报方法

曾威  麦高飞  邬建华

（四川水发勘测设计研究有限公司 四川 成都）

摘要：四川某隧洞穿越三叠系上统须家河组（T3xj），该地层为区内煤系地层，瓦斯等有毒有害气体主要赋存在煤层和大套砂岩（岩性圈闭）地层中，烃源岩为煤层以及碳质泥（页））岩，为自生自储模式。本文对该隧洞是否存在有毒有害气体进行专题勘察介绍，为后期安全施工提供依据。

关键词：煤系地层；有毒有害气体；超前地质预报；

四川红层水利工程多穿越中石油的油、气勘查区，隧洞开挖将面临瓦斯等有毒有害气体安全问题，导致工程建设费用增加，工期延误，因此，隧洞有毒有害气体的调查评价工作是隧洞勘察设计的重点工作之一。

1工程概况

某隧洞位于四川某大型水利工程某干渠上，全长3704m。隧洞区属深丘地貌，高程340～500m，洞身段近垂直于山脊走向布置，隧洞穿越三叠系须家河组和嘉陵江组地层，其中桩号3+400～4+875和6+256～7+104，隧洞围岩岩性为三叠系上统须家河组（T3xj），该组共分6段，奇数段为以泥页岩为主，含煤层，偶数段为砂岩。隧洞洞身段（桩号4+424～4+589）发育一压性逆断层，断层产状N40°E/NW∠60°，断层带宽5～10m，与洞轴线近于垂直相交，主要切断须家河组地层，断距100～280m，断层破碎带物质组成为泥夹岩屑型；桩号3+400～5+647段隧洞位于青山岭背斜的北西翼，岩层产状N20°～50°E/NW∠6°～50°；桩号5+647～7+104段隧洞位于青山岭背斜的南东翼，岩层产状N10°～60°E/NW∠3°～65°。

2含煤地层特征

三叠系须家河组属陆相含煤地层，可划分为六个段，其中T3xj1、T3xj3、T3xj5为含煤段。

须家河组第五段（T3xj5）：厚度30～70m，由砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩组成，夹煤线，为富水性弱的相对隔水层。

须家河组第三段（T3xj3）：厚度30～65m，由深灰色、灰色粘土岩、粉砂质泥岩、砂岩、粉砂岩组成，含“龙枯炭”煤层及“内双连”煤线，为富水性弱的相对隔水层。龙枯炭为须三段可采煤层，平均厚度0.83m，煤层倾角25～38°，属较稳定煤层。

须家河组第一段（T3xj1）为区域内主要含煤地层，厚122.66～191.10m，平均140.15m。五页炭赋存于该段下部，总厚度0.56～2.87m，可采厚度0.54～2.45m，一般0.5～1.0m。

3 隧洞有毒有害气体评价

三叠系上统须家河组（T3xj）为区内煤系地层，瓦斯主要赋存在煤层和大套砂岩（岩性圈闭）地层中，烃源岩为煤层以及碳质泥（页））岩，为自生自储模式。

3.1瓦斯涌出量计算结果及划分依据

3.1.1计算方法

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》，勘察期绝对瓦斯涌出量Q绝为开挖工作面爆落煤块瓦斯涌出量Q1、新暴露煤壁瓦斯涌出量Q2与喷射混凝土地段洞壁瓦斯逸出量Q3之和。相关参数可采用测试数据或收集线路周边煤矿数据，计算方式如下：

（1）独头隧道瓦斯涌出量Q

Q=Q1+Q2+Q3         (m3/min)

（2）开挖工作面爆落煤块瓦斯涌出量Q1

Q1=Vaρw/1440　   (m3/min)

Va—每日开挖各循环爆落煤块总体积 (m3)；

ρ—煤的密度；

W—每吨煤块瓦斯逸出量 (m3/t)。

W=W0-W0′

W0—每吨煤瓦斯含量(m3/t)；

W0′—煤块中残存瓦斯量 (m3/t)。

式中 Wf—煤中水分(%),应根据试验测试得到；

Af—煤中灰分(%),应根据试验测试得到；

Wk′—折合为可燃物的残留瓦斯含量(m³/t)，与煤的挥发分Vr有关，可按表1取。

表1                                   煤块中残存瓦斯量计算参数

（3）新暴露煤壁瓦斯涌出量Q2

Q2=A Q0 f(t)    (m3/min)

A—每天新暴露未支护煤壁面积(m2)，当洞壁上岩壁与煤壁有相同瓦斯逸出时，可按A=A0+SV计算；

A0—巷道断面面积(m2)；

S—巷道断面周长(m)；

V—每日开挖进尺；

Q0—单位时间单位坑壁面积瓦斯逸出初始速度(m3/m2.min)。

Q0=0.026W0〔0.0004(Vr)2+0.16〕

Vr—煤层挥发分(％)；

f(t)—时间衰减函数。

f(t)= e-αt

α—衰减系数。

α=0.0047λ+0.0026(d-1)

λ—煤的透气性系数；

t—煤壁暴露计算时间(d)，取t=0.5d。

（4）喷射混凝土地段洞壁瓦斯逸出量Q3

Q3=（m3/min）

K—喷射气密性混凝土层的瓦斯渗透系数，取6×10-11m/min，普通混凝土取6×10-10m/min；

P2—洞内气压，取0.1Mpa；

pa—瓦斯气体密度，取0.716kg/m3；

△－喷射混凝土支护厚度(m)；

P0—瓦斯初始压力(MPa)；

α1—喷射混凝土支护地段瓦斯压力衰减系数，取α1=0.5α；

n—隧道煤层出露长度L除以每日进尺V，即：n=L/V。

3.1.2计算结果

三叠系上统须家河组（T3xj）地层，根据本次工作煤层样化验结果结合收集资料，各煤层计算采用基础参数见下表2。

表2                                       煤层瓦斯基础参数一览表

隧洞尺寸、施工方式、每日开挖进尺、喷射混凝土类型、喷射混凝土厚度、围岩类型见下表3。

表3                                      隧洞施工参数一览表

表4                                      煤层绝对瓦斯涌出量计算结果

3.2隧洞评价及划分结论

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》，隧道瓦斯区段分为非瓦斯区段、微瓦斯区段、低瓦斯区段、高瓦斯区段、煤与瓦斯突出区段五类。而瓦斯隧道类别按照瓦斯区段最高类别确定。划分标准如表4所示。

根据《铁路工程不良地质勘察规程》TB 10027-2022附录F，该隧洞跨度5.0～7.0m，属于小跨度隧洞。

表5         瓦斯地层或瓦斯区段绝对瓦斯涌出量判定指标

来源：《铁路瓦斯隧道技术规范》表3.1.3

该隧洞（桩号3+400～7+104），全长3704m，最大埋深150m。验证钻孔新隧气ZK1。按照《铁路瓦斯隧道技术规范》表3.1.5判定瓦斯突出标准，煤层瓦斯突出危险性指标必须同时满足4个判定指标，根据相邻矿井资料和钻孔新隧气ZK1瓦斯压力测试、钻孔煤样检测结果可知，上述段落不是瓦斯突出区段（详见下表4）。

表4                               该隧洞煤层瓦斯突出危险性指标表

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》，瓦斯隧道类别按照瓦斯区段最高类别确定，因此该隧洞为低瓦斯隧洞（表5、插图4-1）。

表5                                     隧洞瓦斯隧洞类别划分表

插图1                                       隧洞剖面示意图

4 施工时隧洞超前地质预报

瓦斯隧道应按先探后掘的原则组织施工，根据预报成果动态调整设计、施工方案。有害气体超前地质预报应探明煤层及瓦斯赋存参数，评价隧道瓦斯严重程度及对工程的影响，提出技术措施建议等。

①采用超前水平钻孔勘探进行超前地质预报

初拟每循环钻孔长度50m，前后两循环钻孔搭接长度10m，每一洞挖循环作业布置4个长度为5m的加深炮孔进行瓦斯超前地质预报。

②采用物探进行超前地质预报

根据《SLT 291.1-2021 水利水电工程勘探规程 第1部分：物探》规范规定，物探预报方法不宜少于2种。

瓦斯地层超前预报的物探方法主要有地质雷达法、弹性波反射法和瞬变电磁法等。其中弹性波反射法，如TSP的有效预报距离为100～200m（长距离物探），地质雷达法有效预报距离在30m以内（短距离物探）。

采用弹性波反射法（如TSP），预报距离宜100m～2200m，前后两次重叠长度不宜小于10m。

采用地质雷达法，预报距离宜为30m以内，前后两次重叠长度不应小于5m。

5 结束语

对于煤系地层有毒有害气体前期勘察主要以地质测绘、分析及钻探为主，后期施工需要加以超前勘探进行地质预报，减少对工程的影响。

主要参考文献

GB.水利水电工程地质勘察规范: GB 50487-2008[S].2022

《铁路瓦斯隧道技术规范》TB 10120-2019.

《铁路工程不良地质勘察规程》TB 10027-2022.

《隧道施工超前地质预报技术规程》T/CECS 616-2019.

作者简介：

曾威，1986年9月生，男，四川成都人，高级工程师，本科，工程硕士，四川水发勘测设计研究有限公司，从事水利水电工程地质勘察工作。

麦高飞，1984年6月生，男，河南洛阳，高级工程师，本科，四川水发勘测设计研究有限公司，从事水利水电工程地质勘察工作。

邬建华，1978年10月生，男，山西河曲人，高级工程师，本科，四川水发勘测设计研究有限公司，从事水利水电工程地质勘察工作。