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1、瓦斯超前探测技术在非煤系地层中应用与分析摘 要：瓦斯对隧道施工安全影响极大。当隧道穿越或邻近煤 系地层和其他含瓦斯地层时，对瓦斯的预测与评估也有一套成熟的 技术，但对于非煤系地层的瓦斯，由于其赋存无规律，勘察期间也 无法查清，因此目前尚无统一的认识也没有系统的研究，至于其预 测、评估方法更是无章可循。本文结合对油气瓦斯隧道赋存规律的 探索，并就现有超前地质预报技术包括地质法和物探法在非煤系构 造连通型瓦斯隧道中适用性分析，介绍了油气瓦斯隧道超前探测技 术的技术原理、工艺流程等，同时在工艺的应用效果、适用性等方 面进行了阐述。关键词：非煤系；瓦斯隧道；超前探测1. 引言瓦斯对隧道施工安全影响极大
2、。近几年，随着铁路建设的快速 推进，瓦斯隧道越来越多，既有穿越煤系地层，也有在非瓦斯区、 非煤系地层中施工遇到瓦斯的。当隧道穿越或邻近煤系地层和其他 含瓦斯地层时，对瓦斯的预测与评估也有一套成熟的技术，但对于 非煤系地层的瓦斯，由于其赋存无规律，勘察期间也无法查清，因 此目前尚无统一的认识也没有系统的研究，至于其预测、评估方法 更是无章可循，只能依靠通风时的瓦斯浓度大致估算瓦斯涌出量。 通过不断的探索，对现有超前地质预报技术包括地质法和物探法在 非煤系构造连通型瓦斯隧道中适用性的分析，构建非煤系构造连通 型瓦斯隧道的综合超前地质预报体系，总结出一种油气瓦斯隧道超 前探测施工技术，并成功运用于施
3、工生产中。施工结果表明：采用 该种施工工法，能提前预报瓦斯突出危害，预判前方岩层开挖后瓦 斯浓度，便于施工过程中制定防治措施，降低施工风险。2. 工程实例西成客专4标黄家梁隧道全长11631.947m，进口里程 DK431+660，出口里程DK443+292，隧道最大埋深约265 m，洞身浅 埋处仅约20 m。隧道位于剑门关江油北区间，双线隧道，线间距 4.6m。该隧道洞身主要岩性为侏罗系中统沙溪庙组下段（J2s1）泥 岩夹砂岩，千佛岩组（J2q）泥岩夹砂岩；侏罗系下统白田坝组（J1b ）泥岩夹砂岩、砾岩、煤线。存在的主要不良地质为油砂岩、 有害气体及原油、顺层等。根据设计单位油气专题报告及评
4、审结 论，黄家梁隧道为高瓦斯（天然气）隧道，其中DK434+500 DK439+500段为高瓦斯段，其余为低瓦斯区段；同时该隧道为原油 危害隧道。可见，黄家梁隧道属于油气瓦斯隧道。3. 技术原理在非煤系瓦斯隧道施工过程中的普遍存在开挖后瓦斯急剧升高 现象，其主要原因为处于该地层瓦斯主要以气体形式积存在岩层孔 隙、裂隙中。在地质单一情况下，可以采用在开挖前测定瓦斯探孔 内瓦斯浓度，开挖后，与瓦斯自动监控系统数据库进行对比，在岩 层一致情况下可建立关系式，计算得出岩性调整系数，以此作为参 考，在下一循环施工过程中，提前对瓦斯浓度、溢出量进行预判， 指导现场施工。而对于复杂地质情况，可根据地质素描及
5、钻孔揭示地层情况分 区块进行分析，在建立相应岩性地层的数据库后，可对地质复杂地 段下一循环瓦斯浓度进行预报。4. 施工工艺流程及应用情况4.1施工工艺流程该方法应用于非煤系地层瓦斯隧道施工的整个过程中，主要工艺流程如下:图4.1-1工艺流程图4.1.1地质情况及瓦斯赋存情况的初步判定首先，米用长距离地震反射波法对前方地质情况进行判定，TSP203系统在围岩较好的地段可测出前方100150m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层破碎带、洞穴、隐伏含水气体等； 围岩完整性较差时，预测范围在50100m之间。采用TSP203自带的软件分析系统，剔除一些明显的干扰波，软件自动分析，自动生成图表，反映
6、前方围岩的物理特性，岩层分界 线、软弱带、断层、含水、气体聚集的位置等信息，通过研究以往 地质资料能初略判定出围岩内瓦斯气囊情况及裂隙发展情况，同时 判定是否属于油气瓦斯地层，可否适用本项技术方法。超前地质预 报对瓦斯浓度的预报仅适用于非煤系油砂岩地层油气瓦斯隧道，对 含煤地层及瓦斯气囊地层无法准确判定，当发现异常情况时，应采 用被动侧压法进行瓦斯压力测定，并对瓦斯储量、瓦斯涌出量、瓦 斯流量进行综合评定。4.1.2地质素描分析在开挖前，对掌子面地质情况进行描述，并形成掌子面地质素 描记录表，记录表对围岩产状、节理发育情况、岩性差异、富水情 况、岩层分类面积进行记录，对于复杂地层可以作为区块划
7、分的基 础数据资料。地质素描应包含但不仅限于以下数据：隧道断面里程、断面尺 寸、隧道埋深、毛开挖面状态、岩石强度、风化程度、裂隙形态及 间距、富水情况、围岩级别、开挖现场掌子面照片、掌子面素描 图、岩层产状及倾角、岩性区域面积占比等数据。通过对地质素描进行分析，可测定地质复杂情况下的不同类型 岩体体积，并根据掌子面裂隙情况及岩体性质，缩小计算过程变量 值，提升计算精度。4.1.3超前钻探瓦斯浓度在获取TSP报告后，对前方地层情况有了初步判断，通过地质 素描根据围岩情况，选定钻孔数量及位置，采用开挖钻探法进行复 核验证，开挖钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，通过对钻孔 取样的分析，判断地层变化
8、、岩性差异、地层含水量、隧底岩溶等 不良地质情况。根据需预报距离的远近可采用不同型号的钻机，一 般采用30m长钻孔进行预报，连续预报时前后两循环钻孔重叠5m， 一般布置5个孔，当岩体类别多样、层叠时适当增加钻孔；成孔后 采用气体膨胀置换法对岩芯孔隙率进行测定。同时测定孔内瓦斯浓 度，并进行记录。4.1.4加深炮孔测定瓦斯浓度长钻探完成后，前方地质构造情况已基本清晰，施工中每循环 采用加深炮孔超前钻探，在每次开挖钻孔过程中，指定在拱顶、两 侧拱腰、两侧边墙脚及仰拱底部的35个辅助眼加深3m以上，依 靠对钻进速度的变化以及钻孔地下水涌水状况、水压、水量、颜 色、水质等预测前方围岩、地下水的变化，同
9、时通过采集孔内瓦斯 浓度对前方瓦斯浓度情况进一步进行预判，并作为基础数据保存。4.1.5超前预报瓦斯浓度的计算隧道开挖后瓦斯急剧升高，主要由两方面因素造成：一方面岩 石中的瓦斯在岩石破碎后从孔隙和裂缝中逸散；另一方面掌子面附 近的围岩中也会从空隙和裂缝中逸散；但综合考虑瓦斯隧道在施工 过程中采用气密剂混凝土对围岩外露面进行封闭，极大的降低了围 岩中瓦斯逸散，所以计算仅需对岩石破碎后的瓦斯进行计算即可， 但如果人工瓦斯监测中发现裸露掌子面裂隙中存在瓦斯突出情况， 应采集数据进行综合判别。根据瓦斯积存的特点，在无裂隙发育、相同体积，且同等岩性 的围岩中，瓦斯含量与岩体孔隙率应成正比，而相同体积的围
10、岩瓦斯 浓度相同。在引入孔隙系数后，形成公式:N=K*A*6（N 瓦斯浓 度；K影响系数；A 围岩体积,m3； 围岩空隙率）。而相对于隧道来说，因地层应力复杂、瓦斯分部的不均匀性、 裂隙的不规则性等因素，影响系数K将成为一个变量，瓦斯浓度计 算准确性不高。为降低影响系数K的变化率，采用钻孔方式对瓦斯浓度进行监 测，一定程度上反映出前方岩体钻孔范围内，瓦斯变化情况，在同 等岩性围岩、相同体积情况下，钻孔瓦斯浓度与回风瓦斯浓度将存 在一定的线性关系，岩体孔隙一定的情况下，比值仅根据地层岩性 变化而变化，可引入岩性调整系数i进一步对数据精度进行调整， 形成公式：N二i*A*T*6（N瓦斯浓度；i岩性
11、调整系数；T孔内 瓦斯浓度；A围岩体积,m3；6围岩空隙率）。实际施工过程中岩性调整系数由工艺性实验取得数值，可分别 对砂岩区域、砂岩夹泥岩区域、泥岩区域等岩层划分区块进行数据 采集，同时要着重观察油砂岩溶解气地层，在必要情况下可增设钻 孔，收集足量数据再行分析，最后收集钻孔瓦斯数据与自动监控系 统回风瓦斯数据进行对比分析，最终得出经验系数i，i值的精度直 接由掌子面围岩的复杂情况及钻孔数量决定。孔内瓦斯浓度T由现场测定，围岩孔隙率根据钻孔芯样数据进 行确定，而围岩体积因隧道同一掌子面可能存在不同岩性，将根据 岩层分类面积、岩层倾角等数据结合超前钻孔资料进行计算确定围 岩体积A,分区段计算围岩
12、瓦斯含量，并逐一相加，最后根据隧道 断面面积及风速，预计回风瓦斯浓度。超前地质预报对瓦斯浓度的预报仅适用于非煤系油砂岩地层， 受限于钻孔的代表性不足等问题对含煤及地质情况复杂地层、瓦斯 气囊地层无法准确判定，当发现异常情况时，应采用被动侧压法进 行瓦斯压力测定，并对瓦斯储量、瓦斯涌出量、瓦斯流量进行综合 评定。由此结合超前钻孔与加深炮孔数据，建立相应数据库，在采集 足量样本数量后，取得相应系数，即可根据超前钻孔资料可对前方 30米范围内爆破开挖后瓦斯浓度进行初步预报，而采用加深炮孔可 较为精准的预报下一循环瓦斯浓度，指导现场施工。4.2应用效果及适用性分析通过采取预报系统，可提前采取应对瓦斯浓
13、度剧升的措施，避 免了高瓦斯隧道因瓦斯超限人员频繁撤离的问题，经测算对于长大 隧道来说平均单工面每天节约工作时间约1.2小时，提升单工作面 进度8m/月，能有效保障施工安全，改善了隧道施工环境。于此同 时收集了地质资料，能充分的对其瓦斯赋存量进行分析，研究其赋 存规律，在应对该地层高瓦斯隧道方面积累了较多的经验，为后续 施工积累经验，制定具体施工措施提供依据。但于此同时也要分析其适用范围问题，在地层单一、瓦斯无补 给源的情况下，通过一定密度的钻孔及大量的数据比对，确实可实 现对前方一定范围内的瓦斯赋存分析，但在含煤及地质情况复杂地 层、瓦斯气囊仍存在一定的局限性，由此该技术仍需确立边界约束 条
14、件，在应用前要充分调查地质情况并进行工艺试验，确保各项参 数的合理及数据库的完整性，方可最大程度提升其预报的准确性。5.结束语从项目实施的情况来看，虽然高瓦斯隧道超前钻探技术仍然存 在一定的局限性，数据采集分析过程过于漫长，指导施工过程中需 要专业人员进行分析，同时数据统计分析过程需处理大量的数据。 钻探分析循环过程复杂，工作量大，花费时间长。但施工结果表 明：采用该种施工方法，能提前预报瓦斯突出危害，预判前方岩层 开挖后瓦斯浓度，便于施工过程中制定防治措施，降低施工风险， 也为瓦斯超前预报提供了一种可行的技术方法。若能配套定制专用 软件进行数据分析并将过程图表化处理，同步建立准确的大数据 库，将极大的扩充其应用场景。
