高速公路瓦斯段隧道施工关键技术

摘 要：现代隧道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,结构类型以及施工技术力量等综合考-虑.本文基于笔者多年从事公路隧道施工的相关工作经验,以隧道过煤层施工为研究对象,研究探讨了过煤层隧道的施工方法和瓦斯防治技术,总结了一套过煤层瓦斯段的施工工艺流程,论文首先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流程,在此基础上,笔者探讨了瓦斯释放和具体的瓦斯段施工方法,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义.

关 键 词：瓦斯　隧道　煤层　施工　防治

中图分类号：TB21　文献标识码：A　文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0030-02

1　现代隧道施工方法

现代隧道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、结构类型以及施工技术力量等综合考虑.同时,要考虑在地质条件变化的情况下,变换施工方法的可能性.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　过煤层隧道隧道施工研究要点

考虑高速公路工程特点、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.采煤活动致使岩体再次受到扰动,应力场将再次改变,采空区附近岩体经短暂稳定后,也将产生变形及应力重分布,使衬砌结构的受力条件、环境产生较大的变化.

因此,为保证隧道结构和营运安全,需要对煤层采动后围岩受其影响的应力、应变场进行分析、研究,以确定衬砌结构的作用环境,据此确定煤层的禁采区域范围、结构加强和保护措施、合理的采煤方法等.

3　采空区处理及其上覆岩体变形规律

煤层采动后,将在相当范围内改变岩体应力场的变化,这种变化在局部将导致岩体应力超过其屈服强度而产生流变,同时,岩体内软弱的层理面、节理面将产生显著的破坏变形.因此,隧道下卧煤层的开采后,采空区上覆岩层势必产生岩体位移场的变化,这种变化反应到隧道基础将导致隧道基础产生强制位移(下沉)并可能引起结构的破坏,尤其是在隧道纵向,若产生不均匀沉降而无防御措施,对隧道结构的影响将更大.

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　煤层瓦斯段施工工艺流程

5　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.

5.1　瓦斯释放

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.钻孔安全释放瓦斯必须具备下列条件.

(1)钻孔掌子面至瓦斯涌出点的岩盘稳固并具有一定的厚度,在布置钻孔前要对掌子面及附近围岩进行必要的加强支护；(2)钻孔直径不宜大干130mm；(3)从钻孔释放出的瓦斯在进人工作面空间时,必须有足够的新鲜风使瓦斯释放至安全浓度；(4)应使释放的瓦斯在进入全断面后不至于造成局部聚集.

5.2　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.根据施工经验,洞内最低风速为0.5m／s.

瓦斯隧道的施工通风与煤矿通风有所区别.设计应合理划分无瓦斯含量工区和含瓦斯工区.全线设防投资过大,一般不应考虑全线设防.通风系统应具备足够的抗瓦斯灾害的能力,既能满足过煤段防爆施工要求,又能适应后部大型非防爆机械的施工.只要搞好施工通风,坚持瓦斯监测,将瓦斯浓度控制在不大于0.3％以下,也可以采用内燃机械进行隧道揭煤和穿煤施工.

6　过煤层瓦斯段的步骤与方法

6.1　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0.5m,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.为准确得到煤层原始瓦斯压力值,测压孔应布置在岩层较完整的地方,测压孔与前探孔不能共用时,两者见煤点之间距离不得小于5m,并详细记录瓦斯压力变化情况.在对瓦斯压力大于0.74MPa时要采钻孔进行瓦斯释放、瓦斯抽放或水力冲孔释放瓦斯.释放瓦斯后要进行瓦斯压力效果进行检验.如果达不到释放效果则重复上述步骤,直到达到降压效果.第四步,当开挖面与煤层面垂距不足5m大干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.

6.2　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6mm～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0.2m～0.5m,每次送人0.3m～0.5m,用堵棍捣实；(3)每堵1m粘土柱打人一个木塞,木塞直径小于钻孔直径10mm～15mm,打人木塞时应保护好紫铜管,以防折断；在孔口(0.5m～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.

6.3　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f50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4mf32中空锚杆,注浆液为水泥一水玻璃双浆液.

6.4　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.在放炮震动前,对所有钻孔和在煤体中形成的孔洞应严密封闭孔口,孔内应注满水或以黄土、砂充实.

7　结语

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.本文总结了一套过煤层瓦斯段的施工工艺流程,相信对从事相关工作的同行有真一定的参考价值.